專利名稱：一種精密模壓成型用紅外光學(xué)玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外透過(guò)的光學(xué)玻璃，屬于特種玻璃技術(shù)領(lǐng)域。尤其適用于通過(guò)精密模壓成型制作非球面紅外光學(xué)透鏡等光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
紅外光學(xué)透鏡在通訊、激光、醫(yī)療、電力、冶金、化工、測(cè)試、消防以及國(guó)防等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。非球面鏡由于使光學(xué)系統(tǒng)具有成像質(zhì)量好、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，從而受到了廣泛的應(yīng)用。目前，非球面光學(xué)透鏡主要采用先進(jìn)的精密模壓成型法制造，該種方法是在一定的溫度和壓力下，通過(guò)精密模具直接將玻璃預(yù)制體壓制成所需功能的玻璃制品。光學(xué)玻璃模壓成型法制造光學(xué)零件有如下優(yōu)點(diǎn)①不需要傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序，就能使零件達(dá)到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能夠節(jié)省大量的生產(chǎn)設(shè)備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術(shù)工人，使一個(gè)小型車間就可具備很高的生產(chǎn)力；③可很容易經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)精密非球面光學(xué)零件的批量生產(chǎn)只要精確地控制模壓成型過(guò)程中的溫度和壓力等工藝參數(shù)，就能保證模壓成型光學(xué)零件的尺寸精度和重復(fù)精度；⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列光學(xué)零件和安裝基準(zhǔn)件可以制成一個(gè)整體。近年來(lái)，精密模壓成型技術(shù)被廣泛用于非球面鏡等光學(xué)元件的大量生產(chǎn)。目前大量使用的非球面光學(xué)透鏡由于主要含有SiO2等成分，其透過(guò)范圍截止于
2.3微米左右，因此不能適用于中長(zhǎng)波紅外光學(xué)的應(yīng)用要求。硫系玻璃具有較好的紅外透過(guò)性能，且熱轉(zhuǎn)變溫度較低，能夠適合于精密模壓成型；但是其機(jī)械強(qiáng)度較差，而且高光學(xué)質(zhì)量的硫系玻璃制作難度較大、成本也較高。碲酸鹽玻璃由于其較低的聲子能量( 700CHT1)而具有較寬的紅外透過(guò)范圍(可達(dá)6. 5 y m)，通過(guò)離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)使得其機(jī)械強(qiáng)度大大高于硫系玻璃。傳統(tǒng)的締酸鹽玻璃中TeO2含量較高(摩爾百分比一般高于60% )。一方面,高溫下較高含量的TeO2易于揮發(fā)并粘附于模具表面從而降低模具的重復(fù)使用壽命；另一方面，高TeO2含量的碲酸鹽玻璃液相粘度較低，料性較短，非常不利于模壓成型；此外，碲酸鹽玻璃中所含的鹵化物成份以及重金屬如鉛、鎘等毒害成份也不適合于模壓成型。因此，常用的碲酸鹽光學(xué)玻璃不適合于精密模壓光學(xué)透鏡。在日本專利特公平1-44651號(hào)公報(bào)中公開(kāi)了一種碲酸鹽類玻璃，其中以TeO2為主要成分，并含有GeO2、La2O3、Nb2O5、ZnO、HfO2、PbO等。由于PbO易于在高溫下附著于模具表面并發(fā)生反應(yīng)，大大降低模具的使用壽命；而且PbO不利于環(huán)保，因此該種玻璃不適合于精密模壓成型。專利號(hào)為2008101 75599. 7中國(guó)專利公開(kāi)了一種TeO2-La2O3類光學(xué)玻璃，其玻璃組成中因含有Si02、B203、Al203等成分，大大降低了其紅外透過(guò)性能，因此也不適合于制作具有紅外光學(xué)透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種新型光學(xué)玻璃，該玻璃具有紅外波段透明、可通過(guò)精密模壓成型、并具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。該玻璃特別適用于精密模壓紅外光學(xué)透鏡等光學(xué)元件。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為，精密模壓用紅外光學(xué)玻璃，其組分按摩爾比(如下同)包括=TeO2 20 60,GeO2 20 40,La2O3 5 20,WO3 0 40,ZnO 0 20、MgO+CaO+SrO+BaO 0 10、Li20+Na20+K20 0 10、Nb205+Ta203+Ti02+Bi2O3 0 5>Sb2O3 0 5。本發(fā)明玻璃所產(chǎn)生的有益效果是，玻璃透過(guò)波長(zhǎng)超過(guò)5 ilm，Tg介于300 480°C，維氏硬度大于400，折射率nd介于1. 8 2. 2，阿貝數(shù)Vd介于12 30，抗析晶能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械性能好；此外，本發(fā)明不含鉛、鎘、氟等對(duì)環(huán)境和模具不利的成分，非常適合于通過(guò)精密模壓成型制作紅外光學(xué)透鏡等光學(xué)元件。



圖1為本發(fā)明玻璃典型的透過(guò)曲線。從圖中可以看出，本發(fā)明玻璃的透過(guò)范圍超過(guò)5 i! m，適用于中波紅外光學(xué)元件。
具體實(shí)施例方式TeO2是本發(fā)明玻璃的主要成份，TeO2具有很強(qiáng)的玻璃形成能力，在玻璃中作為玻璃形成體構(gòu)成玻璃的骨架。由于其具有較低的最大聲子能量，使得其在紅外波段的吸收較低，其紅外透過(guò)范圍超過(guò)6.5 iim。同時(shí)TeO2還使玻璃具有高的折射率(nd在1. 9以上)和低熔點(diǎn)(熱轉(zhuǎn)變溫度Tg低于400°C )。TeO2含量的增加有利于提高玻璃的形成能力，但含量過(guò)高(如摩爾比高于60% )時(shí)，在高溫下易于揮發(fā)，模壓過(guò)程中易于粘附模具表面，會(huì)降低模具的使用壽命且不利于高精度成型。本發(fā)明中TeO2含量為20 60%。GeO2是本發(fā)明玻璃中提高機(jī)械強(qiáng)度的主要因素，作為玻璃形成體，引入GeO2后玻璃的透過(guò)范圍仍然可達(dá)5. 5pm;此外，GeO2F僅可以改善玻璃的形成能力，提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，還可以提高玻璃的透明度，降低玻璃的著色度。GeO2與TeO2可以以任意組分配比形成玻璃，為了改善本發(fā)明玻璃的機(jī)械強(qiáng)度，本發(fā)明中GeO2含量不低于20%，但由于GeO2價(jià)格比較昂貴，過(guò)多的GeO2會(huì)增加玻璃的成本，同時(shí)也會(huì)增加玻璃的熱轉(zhuǎn)變溫度，因此本發(fā)明中優(yōu)選GeO2含量為20 40%。La2O3是維持玻璃光學(xué)常數(shù)的重要成份，其主要作用是在保證玻璃具有較高折射率的情況下降低色散，因此是本發(fā)明玻璃的必須成份之一。當(dāng)La2O3含量低于5%時(shí)，其改善光學(xué)常數(shù)的作用較小，超過(guò)30%時(shí)，玻璃容易析晶，因此本發(fā)明優(yōu)選的含量為5 20%。WO3用來(lái)調(diào)節(jié)玻璃的穩(wěn)定性。由于本發(fā)明玻璃中不能含有過(guò)高的TeO2，而GeO2由于價(jià)格較貴也不便過(guò)多，WO3的適當(dāng)引入使玻璃既具有較高的玻璃形成能力及較高的液相粘度，以利于玻璃的模壓成型，同時(shí)還可保證玻璃的折射率并適當(dāng)降低成本。本發(fā)明中WO3的含量為0 40 %，S卩從不含WO3到弓I入含量達(dá)40 %，優(yōu)選含量為5 35 %，進(jìn)一步優(yōu)選為12 25%。ZnO的引入有利于提高玻璃的析晶穩(wěn)定性，并降低玻璃的色散；但過(guò)多的含量會(huì)降低玻璃的折射率，并降低玻璃的液相粘度，不利于玻璃模壓成型。本發(fā)明中ZnO含量為0 20%，優(yōu)選為5 18%。Mg0、Ca0、Sr0、Ba0是用來(lái)微調(diào)玻璃的形成以及折射率，可以不含或少量含有，本發(fā)明中MgO+CaO+SrO+BaO含量總和不超過(guò)10%。Li20、Na20、K20用來(lái)調(diào)節(jié)玻璃的折射率、粘度以及形成能力。該類成份的引入可顯著降低玻璃的粘度和折射率，因此本發(fā)明中選擇不含或少量含有，但Li20+Na20+K20總含量不超過(guò)10 %，優(yōu)選含量不超過(guò)5 %。Nb2O5, Ta203、TiO2, Bi2O3用于提高玻璃的折射率和穩(wěn)定性，但過(guò)高的含量均會(huì)顯著降低玻璃的形成能力，本發(fā)明中可適當(dāng)引入Nb205、Ta203、TiO2, Bi2O3中的一種或多種，Nb205+Ta203+Ti0 2+Bi203總含量不超過(guò)5%，優(yōu)選不加入。Sb2O3在本發(fā)明中起脫色劑和澄清劑的作用，本發(fā)明中引入含量為0 5 %，優(yōu)選含量為0. 005 2%。本發(fā)明的玻璃采用傳統(tǒng)的熔融方法制備，其具體制備過(guò)程如下(1)按配比準(zhǔn)確稱量原料，攪拌混料后倒入鉬金坩堝；(2)根據(jù)組份不同在750 1100°C下熔制，通過(guò)通氣、攪拌、均化、澄清等工藝后降溫；(3)將玻璃液澆注在預(yù)熱后的金屬或石墨模具中；(4)迅速放入退火爐中退火至室溫，即可制得本發(fā)明玻璃。表I為本發(fā)明玻璃的7個(gè)具體實(shí)施例配方及其相關(guān)特性，但本發(fā)明并不局限于表I中的實(shí)施例。本發(fā)明玻璃所產(chǎn)生的有益效果是，玻璃透過(guò)波長(zhǎng)超過(guò)5 iim，Tg介于300 480°C，維氏硬度大于400，折射率nd介于1. 8 2. 2，阿貝數(shù)Vd介于12 30，抗析晶能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械性能好，滿足高性能紅外光學(xué)玻璃透鏡的要求；此外，本發(fā)明不含鉛、鎘、氟等對(duì)環(huán)境和模具不利的成分，非常適合于通過(guò)精密模壓成型制作紅外光學(xué)透鏡等光學(xué)元件。表I
權(quán)利要求
1.精密模壓用光學(xué)玻璃，其特征在于，該光學(xué)玻璃紅外波段透過(guò)范圍超過(guò)5ii m，熱轉(zhuǎn)變溫度Tg介于300 480°C，維氏硬度大于400，折射率nd介于1. 8 2. 2，阿貝數(shù)Vd介于12 30，并按摩爾百分比包含下列成分 TeO220 60 GeO220 40 La2O35 20
2.如權(quán)利要求1所述的精密模壓用光學(xué)玻璃，其特征在于，其組分按摩爾百分比還包括WO30 40ZnO0 20 MgO+CaO+SrO+BaO0 10 Li20+Na2〇+K200 10 Nb205+Ta203+Ti02+Bi2030 5 Sb2〇30 5
3.如權(quán)利要求1所述的精密模壓用光學(xué)玻璃，其特征在于，摩爾百分比組成為Te0220 60GeO220 40La2〇35 20WO30 40ZnO0 20 MgO+CaO+SrO+BaO0 10 Li20+Na20+K200 10 Nb205+Ta203+Ti02+Bi2〇3 0 5 Sb^O;0 全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于精密模壓成型的光學(xué)玻璃，特征在于其組分按摩爾比包括TeO220～60、GeO220～40、La2O35～20、WO30～40、ZnO0～20、MgO+CaO+SrO+BaO0～10、Li2O+Na2O+K2O0～10、Nb2O5+Ta2O3+TiO2+Bi2O30～5、Sb2O30～5。本發(fā)明玻璃的有益效果是玻璃透過(guò)波長(zhǎng)超過(guò)5μm，Tg介于300～480℃，維氏硬度大于400，折射率nd介于1.8～2.2，阿貝數(shù)vd介于12～30，抗析晶能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械性能好；此外，本發(fā)明不含鉛、鎘、氟等對(duì)環(huán)境和模具不利的成分，非常適合于通過(guò)精密模壓成型制作紅外光學(xué)透鏡等光學(xué)元件。
文檔編號(hào)C03C3/253GK103058517SQ201110322140
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者汪國(guó)年 申請(qǐng)人:汪國(guó)年