光学玻璃课程设计.docx
《光学玻璃课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学玻璃课程设计.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
光学玻璃课程设计
无机非金属材料工学课程设计
题目光学玻璃
学院名称化学化工学院
指导老师___________________
职称
班级无机非金属班
学号201
学生姓名
2016年06月19日
摘要
光学玻璃是光电产品中使用得最多的一种光学材料"随着新型光电产品的飞速发展,人们对光学玻璃质量要求更高,光学常数范围要求更宽,需要更多的光学玻璃牌号来满足新的成像要求"作为光学玻璃基础系统之一的硅酸盐光学玻璃属于低色散光学玻璃,具有特殊的相对部分色散,即在光谱短波区的相对部分色散比一般冕牌玻璃大,可作为消除二级光谱的特殊色散光学玻璃等多种特性,可用于许多领域,提高光学成像清晰度,改善成像质量,优化成像系统.因此,磷酸盐光学玻璃具有很好的开发应用前景和市场需求,附加值高"目前在国外,硅酸盐光学玻璃连续熔炼炉已投入使用,并取得了成功"在国内,尽管对硅酸盐光学玻璃的基础理论配方试验工艺难点控制，如挥发等进行了较长时间的研究,取得了一定的经验,但还无法进行连续熔炼批量生产,还处于单坩埚生产试验阶段"普通的光学玻璃连熔池炉已有大量生产线成功地应用于生产实际中,这将是开发磷酸盐光学玻璃连熔池炉的基拙"本文运用理论与实际相结合的方法,对硅酸盐光学玻璃做了简介，生产工艺分析和应用。
关键词：
无机玻璃、光学玻璃、镀膜，熔化池
Abstract
Opticalglassisoneofthemostfrequentlyusedinphotoelectricproductsopticalmaterial"withtherapiddevelopmentofoptoelectronicproducts,peopledemandahigherqualityofopticalglass,opticalconstantsofawiderrangeofrequirements,theneedformoreopticalglassbrandtomeettherequirementsofnewimaging"asanopticalglasssilicatesystemisoneofthebasisofopticalglass,opticalglassbelongstolowdispersionhasspecialrelativepartialdispersion,namelyrelativepartialdispersioninshortwavespectrumareaislargerthangeneralcrownglass,canbeusedastoeliminatethesecondaryspectrumofspecialdispersionopticalglass,andothercharacteristics,canbeusedinmanyfields,improvetheopticalimagingresolution,improveimagequality,optimizeimagingsystem.Therefore,phosphate,opticalglasshastheverygooddevelopmentprospectandmarketdemand,highvalue-added"currentlyabroad,silicateopticalglassmeltingfurnacehasbeenputintouseinarow,andthesuccessof"athome,althoughthesilicatetestbasictheoryoftheopticalglasscompoundingcontrol,suchasvolatileforalongtimeofstudy,hasobtainedcertainexperience,butalsotocontinuousmassproductionofsmeltingandproductiontestisstillinthesinglecruciblestage"eventhemoltenpoolinordinaryopticalglassfurnacehasbeensuccessfullyappliedtoalargenumberofproductionlineintheactualproduction,itwillbethedevelopmentofphosphateandopticalglassmoltenpoolfurnacemechanism"inthispaper,usingthemethodofintegratingtheorywithpractice,madeaintroductiontothesilicateopticalglass,processanalysisandapplication.
Keywords:
inorganicglass,opticalglass,coating,themoltenpool
目录
一、光学玻璃简介6
1.1定义6
1.2光学镜头6
1.3常用光学玻璃：
无色光学玻璃6
1.3.1防辐照光学玻璃7
1.3.2耐辐照光学玻璃7
1.3.3有色光学玻璃7
1.3.4紫外和红外光学玻璃7
1.3.5光学石英玻璃7
1.4应用领域8
二、原料选择8
2.1制作原料8
2.2生产方法8
2.3质量要求9
2.4光学材料分类10
2.4.1定义和结构10
2.4.2无机玻璃的制造12
2.5冷加工13
三、玻璃组分计算13
3.1玻璃配方13
3.2原始化学成分（%）14
3.2.1参数14
3.3熔化池的尺寸14
3.4成分及配料计算14
四、光学玻璃成型15
4.1光学玻璃生产工艺15
4.2光学玻璃的一次成型技术16
4.3制造熔融玻璃滴料和压制毛坯。
16
4.4块状玻璃的制造16
4.5粗磨的检验18
4.6精磨的检验：
19
五、镀膜19
5.1化学气相沉积镀膜技术（CVD）20
5.2光致聚合作用20
六、设计体会20
七、 参考文献21
前言
光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分。
特别是在20世纪90年代以后，随着光学与电子信息科学、新材料科学的不断融合，作为光电子基础材料的光学玻璃在光传输、光储存和光电显示三大领域的应用更是突飞猛进，成为社会信息化尤其是光电信息技术发展的基础条件之一。
随着国内经济持续、稳定发展，中国光学玻璃制造行业发展迅猛。
根据国家统计局数据显示，2010年，光学玻璃制造行业规模以上企业数量达246家，行业全年实现销售收入为234.05亿元，同比增长53.70%;实现利润15.37亿元，同比增长87.10%;资产规模达到264.50亿元，同比增长77.49%。
由于光学玻璃制造行业以国内销售为主，金融危机对其影响相对较小，行业依然表现出较好的增长势头。
一、光学玻璃简介
1.1定义
能改变光的传播方向，并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。
狭义的光学玻璃是指无色光学玻璃；广义的光学玻璃还包括有色光学玻璃、激光玻璃、石英光学玻璃、抗辐射玻璃、紫外红外光学玻璃、纤维光学玻璃、声光玻璃、磁光玻璃和光变色玻璃。
光学玻璃可用于制造光学仪器中的透镜、棱镜、反射镜及窗口等。
由光学玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件。
1.2光学镜头
光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。
光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。
用于制造光学仪器或机械系统的透镜、棱镜、反射镜、窗口等的玻璃材料。
包括无色光学玻璃（通常简称光学玻璃）、有色光学玻璃、耐辐射光学玻璃、防辐射玻璃和光学石英玻璃等。
光学玻璃具有高度的透明性、化学及物理学（结构和性能）上的高度均匀性，具有特定和精确的光学常数。
它可分为硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物和硫系化合物系列。
品种繁多，主要按他们在折射率（nD）-阿贝值（VD）图中的位置来分类。
传统上nD>1.60，VD>50和nD<1.60，VD>55的各类玻璃定为冕（K）玻璃，其余各类玻璃定为火石（F）玻璃。
冕玻璃一般作凸透镜，火石玻璃作凹透镜。
通常冕玻璃属于含碱硼硅酸盐体系，轻冕玻璃属于铝硅酸盐体系，重冕玻璃及钡火石玻璃属于无碱硼硅酸盐体系，绝大部分的火石玻璃属于铅钾硅酸盐体系。
随着光学玻璃的应用领域不断拓宽，其品种在不断扩大，其组成中几乎包括周期表中的所有元素。
通过折射、反射、透过方式传递光线或通过吸收改变光的强度或光谱分布的一种无机玻璃态材料。
具有稳定的光学性质和高度光学均匀性。
1.3常用光学玻璃：
无色光学玻璃
对光学常数有特定要求，具有可见区高透过、无选择吸收着色等特点。
按阿贝数大小分为冕类和火石类玻璃，各类又按折射率高低分为若干种，并按折射率大小依次排列。
多用作望远镜、显微镜、照相机等的透镜、棱镜、反射镜等。
1.3.1防辐照光学玻璃
对高能辐照有较大的吸收能力，有高铅玻璃和CaO-B2O2系统玻璃，前者可防止γ射线和X射线辐照，后者可吸收慢中子和热中子，主要用于核工业、医学领域等作为屏蔽和窥视窗口材料。
1.3.2耐辐照光学玻璃
在一定的γ射线、X射线辐照下，可见区透过率变化较少，品种和牌号与无色光学玻璃相同，用于制造高能辐照下的光学仪器和窥视窗口。
1.3.3有色光学玻璃
又称滤光玻璃。
对紫外、可见、红外区特定波长有选择吸收和透过性能，按光谱特性分为选择性吸收型、截止型和中性灰3类；按着色机理分为离子着色、金属胶体着色和硫硒化物着色3类，主要用于制造滤光器。
1.3.4紫外和红外光学玻璃
在紫外或红外波段具有特定的光学常数和高透过率，用作紫外、红外光学仪器或用作窗口材料。
1.3.5光学石英玻璃
以二氧化硅为主要成分，具有耐高温、膨胀系数低、机械强度高、化学性能好等特点，用于制造对各种波段透过有特殊要求的棱镜、透镜、窗口和反射镜等。
此外，还有用于大规模集成电路制造的光掩膜板、液晶显示器面板、影像光盘盘基薄板玻璃；光沿着磁力线方向通过玻璃时偏振面发生旋转的磁光玻璃；光按一定方向通过传输超声波的玻璃时，发生光的衍射、反射、汇聚或光频移的声光玻璃等。
1.4应用领域
光学工业镜头广泛用于反射度极高的物体定位检测，如：
金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，MARK点定位，玻璃割片机、点胶机、SMT检测、贴版机等工业精密对位、定位、零件确认、尺寸测量、工业显微等CCD
二、原料选择
2.1制作原料
以优质石英砂为主料。
适当加入辅料。
由于稀土具有高的折射率，低的色散和良好的化学稳定性，可生产光学玻璃，用于制造高级照相机、摄像机、望远镜等高级光学仪器的镜头。
例如一种含氧化镧LaO360%，氧化硼B2O340%的具有优良光学性质的镧玻璃，是制造高级照相机的镜头和潜望镜的镜头的不可缺少的光学材料。
另外，利用一些稀土元素的防辐射特性，可生产防辐射玻璃。
2.2生产方法
生产光学玻璃的原料是一些氧化物、氢氧化物、硝酸盐和碳酸盐,并根据配方的要求,引入磷酸盐或氟化物。
为了保证玻璃的透明度，必须严格控制着色杂质的含量，如铁、铬、铜、锰、钴、镍等。
配料时要求准确称量、均匀混合。
主要的生产过程是熔炼、成型、退火和检验。
①熔炼 有单坩埚间歇熔炼法和池窑（见窑）连续熔炼法。
单坩埚熔炼法又可分为粘土坩埚熔炼法和铂坩埚熔炼法。
不论采用何种熔炼方式均需用搅拌器搅拌，并严格控制温度和搅拌，使玻璃液达到高度均匀。
粘土坩埚能熔炼绝大部分冕玻璃和火石玻璃，成本低，且在玻璃的熔化温度超过铂的使用温度时采用。
铂坩埚可熔炼质量较高、对粘土坩埚有严重侵蚀作用的玻璃，如重冕、重钡火石、稀土玻璃和氟磷玻璃。
铂坩埚用电加热，一般采用硅碳棒或硅钼棒电炉。
但制造析晶倾向大、要求迅速降温以及对气氛有一定要求的玻璃，则可采用高频加热。
60年代以来，各国相继采用内衬铂的连续池窑熔炼，使光学玻璃的产量大大提高，质量也好，这是目前光学玻璃生产工艺发展的主要趋势。
②成型 光学玻璃的成型法有古典破埚法、滚压法和浇注法，但目前越来越广泛地采用漏料成型（用单坩埚或连熔流出料液），能直接拉棒或滴料压型或漏料成型大尺寸的毛坯，提高料滴利用率和成品率。
③退火 为了最大限度地消除玻璃的内应力，提高光学均匀性，必须制定严格的退火制度，进行精密退火。
④检验 测定的指标有：
光学常数、光学均匀度、应力双折射、条纹、气泡等。
2.3质量要求
光学玻璃和其它玻璃的不同之点在于它作为光学系统的一个组成部分，必须满足光学成象的要求。
因此，光学玻璃质量的判定也包括某些特殊的和较严格的指标。
对光学玻璃有以下要求:
一、特定的光学常数以及同一批玻璃光学常数的一致性
每一品种光学玻璃对不同波长光线都有规定的标准折射率数值，作为光学设计者设计光学系统的依据。
所以工厂生产的光学玻璃的光学常数必须在这些数值一定的容许偏差范围以内，否则将使实际的成象质量与设计时预期的结果不符而影响光学仪器的质量。
同时由于同批仪器往往采用同批光学玻璃制造，为了便于仪器的统一校正，同批玻璃的折射率容许偏差要较它们与标准值的偏差更加严格。
二、高度的透明性
光学系统成象的亮度和玻璃透明度成比例关系。
光学玻璃对某一波长光线的透明度以光吸收系数Kλ表示。
光线通过一系列棱镜和透镜后，其能量部分损耗于光学零件的界面反射而另一部分为介质（玻璃）本身所吸收。
前者随玻璃折射率的增加而增加，对高折射率玻璃此值甚大，如对重燧玻璃一个表面光反射损耗约6%左右。
因此对于包含多片薄透镜的光学系统，提高透过率的主要途径在于减少透镜表面的反射损耗，如涂敷表面增透膜层等。
而对于大尺寸的光学零件如天文望远镜的物镜等，由于其厚度较大，光学系统的透过率主要决定于玻璃本身的光吸收系数。
通过提高玻璃原料的纯度以及在从配料到熔炼的整个过程中防止任何着色性杂质混入，一般可以使玻璃的光吸收系数小于0.01（即厚度为1厘米的玻璃对光透过率大于99%）。
2.4光学材料分类
光学材料分类不同，从技术层面考虑，按照无机玻璃，有机玻璃，或者塑料合金起对光学材料进行分类比较合理，此外，光学领域也应用专用陶瓷和玻璃陶瓷以及透明液体。
图1列出了不同材料的重要代表产品。
图1光学材料分类及其代表性产品
本论文只对无机玻璃方面做深一步探讨，
2.4.1定义和结构
无机玻璃是一种冷却固化后没有结晶的无机熔凝产品，从液态转变到固态是可以逆转的，与晶体相比无机玻璃呈无定形结构，这意味着该类材料没有长程有序的内在结构单元，可以认为，只在小范围内具有一定量的短程有序结构，二氧化硅（SiO2）是许多玻璃类型的主要成分，图2给出了其结构图。
图2SiO2网状结构的二维形式
图2（a）表明，在晶体石英即无色水晶中，SiO4以四面体规则排列，而熔凝石英的四面体呈现一种无序网状结构[图2（b）]，已污染形式加入原子或离子，或者有目的地改变玻璃成分，就可以进一步使网状结构放松[图2（c）]，除了SiO2，形成网状结构的其他氧化物是，例如氧化硼（B2O3），和五氧化二磷（P2O5）表1。
表1玻璃配料比例和其化学成分
2.4.2无机玻璃的制造
通过熔炼不同的原材料制造无机玻璃。
升高温度可以破坏这些材料的晶体结构，这是一种动力学可控过程。
使熔液以较快速度冷却，因此不能出现结晶。
该溶液状态是准冷冻态，称为过冷熔体。
玻璃固化现象不会在某一温度下发生，而是发生在一个较宽的温度范围内，称为转变范围。
图3表述一种无定形材料和一种晶体材料在熔液固化过程中的形态转变，每种玻璃类型无定形系统的转变范围都不相同，并与后续的热处理有关，两条切线（y1和y2）交点是转变点，熔点TS与转变点TG之间的温度范围呈现过冷熔体。
各类无机玻璃成分各不相同，一般由4种具有不同化学成分的原材料组成。
玻璃配合料，其配置完成后用于熔制的混合料，包括玻璃基本组分，助熔剂，稳定剂和添加剂。
图3玻璃和晶体的温度范围
TG-温度转变点；TS-熔点
玻璃熔制工艺包括以下4个过程：
（1）配料制备为了保证玻璃熔液和最终产品的质量，配料的准备非常严格。
为了达到光学玻璃的特殊技术要求，要求原材料非常均匀地混合。
（2）原料熔化配料熔化温度是1200-1700℃，形成许多化学物理反应，由于碳酸盐物质、氢氧化合物和其他材料的烧灼而产生大量气体，其结果是形成粗制熔液，即一种不均匀的熔块，含有许多条纹。
（3）澄清均化过程通过净化工艺或加入净化剂，例如As2O3和Na2SO4，可以使高温区熔块快变得均匀。
在该工艺阶段所有成分都得到完全溶解和均匀分布，并消除所有气泡。
为了达到高均匀度，熔炼光学玻璃时使用搅拌器。
（4）玻璃成型和冷却在沉积阶段，当温度从1200℃缓慢地降到900℃时，消除剩余的起泡，接着对玻璃进行吹制、压制、浇筑和抽拉处理。
冷却时间是几周或者多个月，取决于玻璃类型和厚度。
将光学玻璃倒入专用容器或模具中。
按照指定的退火曲线，在称为玻璃韧化炉的专用炉子中进行冷却或退火，每种玻璃类型的退火曲线是不同的。
由于退火对玻璃性质具有决定性影响，所以遵守冷却曲线非常重要，有可能将折射率和色散精确到小数点后第五位。
退火到室温的时间取决于玻璃类型和尺寸，可以是两周到几个月，比如直径2米的望远镜系统的反射镜要冷却4个月。
与商用玻璃不同，制造光学玻璃有专门的技术要求，如表2所示。
表2商用玻璃和光学玻璃的制造特性
商用玻璃
光学玻璃
连续工艺
连续或不连续工艺
容器（陶罐或耐火陶罐）里熔炼
在小型熔炉和坩埚中熔炼
高产量（400吨/天）
产量低（100-1000kg）
一种玻璃类型的熔炼容器可以长时间使用
坩埚可以改变用以熔炼其他玻璃类型
批量生产
大和小批量生产
液体玻璃可以进行中间处理
将玻璃倾析到铂金坩埚中
保持冷却曲线不变以避免应力
退火曲线决定光学参数
2.5冷加工
一种利用化学气相热处理手段以及单片钠钙硅玻璃来改变其原来分子结构而不影响玻璃原有颜色及透光率，使其达到超硬度标准，在高温火焰冲击下以满足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、专用设备。
它是由下述重量配比的组份制成：
钾盐蒸气（72%～83%）、氩气（7%～10%）、气态氯化铜（8%～12%）、氮气（2%～6%）。
它包含以下工艺流程：
以钠钙硅玻璃为基片进行切割，精磨边的冷加工→对冷加工后的钠钙硅玻璃进行化学气相热处理→将钠钙硅玻璃表面进行镀防火保护膜的处理→将钠钙硅玻璃表面进行特种物理钢化处理。
由缸体及其与之相套合的缸盖、与缸盖一体连接的反应釜构成专用热分解气化设备。
三、玻璃组分计算
3.1玻璃配方
成分
SiO2
Al2O3
CaO
Na2O
B2O3
%
80.5
2.1
0.3
4.5
12.6
原料
SiO2
Al2O3
CaO
Na2O
B2O3
砂岩
98.4
0.76
0.21
硼砂
16.45
36.21
无水硼酸
100
化工Al（OH）3
65.38
方解石
56.00
3.2原始化学成分（%）
设配合料水分5﹪，配合料中熟料（碎玻璃）占20﹪；玻璃液电阻率11（Ω•cm）；电极材料为φ50钼棒，每支电极水冷套吸收的热损功率为2kw,窑型可取单室，供电方式可单相、两相或三相，电极布置可水平、垂直。
由于光学玻璃属高精密，低产量玻璃，所以日生产3吨约6000-7000个以满足市场需求。
3.2.1参数
1.熔窑生产能力：
G=3t/d；
2.熔化率：
K=1.5t/（m2･d）；
3.k系数：
k=0.3；
4.玻璃熔化温度：
t=1650℃；
5.玻璃液密度：
ρ=2.4t/m3；
6.窑炉长宽比：
L/B=1-1.5；
3.3熔化池的尺寸
在确定电熔窑主要尺寸之前，首先要知道所熔制的玻璃成分和窑的日熔化量，电熔窑的熔化率取决于玻璃的种类、电熔窑的大小。
玻璃电熔窑的热量是通过所熔化的玻璃的整个体积引入的，应以每天、每立米的体积熔化量来确定电熔窑的结构。
由于配合料的熔化过程仍在窑池表面进行。
因此，熔窑的融化池面积让可以用下式计算：
F熔=G/K
式中：
G——熔窑的生产能力，kg/d;
K——熔化率，kg/（m2･d）。
取K=1.5
则：
F熔=3/1.5=2（m2）。
为了提高熔窑的热效率，熔窑的散热比表面积应比较小，熔化池的长度L和宽度B之比，应符合L/B=1~1.5。
取L/B=1则：
L=1.5m,B=1.5m
3.2熔化池的深度
（2）熔化池玻璃液深度与对角线比大致取1:
1，或玻璃液深度略大于对角线的长度。
我们取电熔窑的玻璃液深度为H=2.1m，配合料的深度为200mm。
3.4成分及配料计算
根据玻璃的配方计算其配合料的配方：
设玻璃熔化温度1650℃，配合料水分5﹪。
按玻璃的配方计算其配合料的组成，设计原料均为干燥状态，计算时不考虑水分问题。
（按每100kg用量计算）
（1）砂岩的用量：
80.5∕98.4×100=81.809（kg）
（2）硼砂的计算：
由于硼砂中含B2O3和Na2O，而Na2O含量较少，所以根据Na2O计算硼砂的含量，并且除开砂岩中含少量Na2O，硼砂的量为：
（4.5×100-0.21×81.809）∕16.45=26.311（kg）
（3）无水硼酸的计算：
考虑到硼的挥发5﹪-10﹪取8﹪的挥发量，及除开硼砂所含B2O3，所以应加入无水硼酸为：
12.6∕（1-8﹪）-26.311×0.3621=4.169（kg）
（4）引入Al2O3加入化工Al（OH）3的量的计算：
由于砂岩中含有Al2O3量为：
81.809×0.76∕100=0.622（kg）
所以引入Al（OH）3为（2.1-0.622）∕65.38×100=2.261（kg）
（5）引入CaCO3的计算：
0.3∕56.00×100=0.536（kg）
生产100kg玻璃时原料的用量如下：
砂岩
81.809kg
硼砂
26.311kg
无水硼酸
4.169kg
化工Al（OH）3
2.261kg
方解石
0.536kg
合计
115.086kg
气体率为：
（115.086-100）∕115.086=13.11﹪
玻璃产率为：
1-13.11﹪=86.89﹪
配料百分比如下：
砂岩
硼砂
无水硼酸
化工Al（OH）3
CaCO3
合计
71.084﹪
22.862﹪
3.
升级会员 