CN100582032C - 模造玻璃透镜模仁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模造玻璃透镜模仁，包括一模仁基底与一位于其上的镀膜，该模仁基底内嵌入一水冷式散热系统，该镀膜是Rex-Iry与SiC交互层叠的多层膜系统。

Description

模造玻璃透镜模仁
【技术领域】
本发明是关于一种模造玻璃透镜模仁。
【背景技术】
模仁广泛应用于模压成型制程，特别是制造光学玻璃产品，如非球面玻璃透镜、球透镜、棱镜等，采用直接模压成型(DirectPress-molding)技术可直接生产光学玻璃产品，无需打磨、抛光等后续加工步骤，可大大提高生产效率及产量，且产品质量好。但直接模压成型法对于模仁的化学稳定性、抗热冲击性能、机械强度、表面光滑度等要求较高。因此，模压成型技术的发展实际上主要取决于模仁材料及模仁制造技术的进步。对于模压成型的模仁一般有以下要求：
(1)在高温时，具有良好的刚性、耐机械冲击强度和硬度；
(2)在反复和快速加热冷却的热冲击下模仁不产生裂纹和变形；
(3)在高温时模仁成型表面与光学玻璃不发生化学反应，不黏附玻璃；
(4)不发生高温氧化；
(5)加工性能好，易加工成高精度和高表面光洁度的型面；
(6)成本低。
传统模仁大多采用不锈钢或耐热合金作为模仁材料，这种模仁容易发生高温氧化，在反复热冲击作用下，会发生晶粒长大，从而模仁表面变粗糙，黏结玻璃。
为解决上述问题，非金属及超硬合金被用于模仁。据报导，碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)及碳化钨-钴合金已经被用于制造模仁。然而，上述各种碳化物陶瓷硬度非常高，很难加工成所需要的外形，特别是高精度非球面形。而超硬合金除难以加工外，使用一段时间之后还可能发生高温氧化。
因此，以碳化物或超硬合金为模仁基底，其表面形成有其它材料镀层或覆层的复合结构模仁成为新的发展方向。典型复合结构模仁如美国专利第4,685,948号与第5,202,156号。
美国专利第4,685,948号揭示一种用于直接模压成型光学玻璃产品的复合结构模仁。其采用高强度的超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷作为模仁基底，并在模仁的模压面形成有铱(Ir)薄膜层，或铱(Ir)与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(Rh)或钌(Ru)的合金薄膜层，或钌(Ru)薄膜层，或钌(Ru)与铂(Pt)、铼(Re)、锇(Os)、铑(Rh)的合金薄膜层。
美国专利第5,202,156号揭示一种制备用于光学玻璃产品的复合结构模仁的方法。其采用高强度的超硬合金、碳化物陶瓷或金属陶瓷作为模仁基底，并在模仁的模压面形成一层类金刚石膜(DLC，Diamond Like Carbon)。
由于上述复合结构模仁的膜层应力作用，在使用较长时间后，膜层容易出现开裂、剥离、微裂纹等情形，从而影响模仁精度和模压成型玻璃产品质量，使用寿命不长。因此，最近业界对该模仁结构进行了改进，在模仁基底与贵金属保护膜之间再夹以一中间层，该中间层需具有良好的可切削性和较高化学稳定性，还要有很高熔点，并需具有防止原子扩散的特性。而基材则需具有良好热阻性、较高强度以及良好加工性，贵金属保护膜需具有抗氧化性而且粗糙度要好。
但是，无论上述哪种模仁结构，其所使用的模仁基底一般为碳化物或金属陶瓷通过烧结而成，在烧结过程中需添加钴(Co)、镍(Ni)或钼(Mo)等金属元素作为添加剂，在使用时，当热量累积后不能及时有效地将热量排除，散热性不能得到良好的保障，模仁基底的温度升高，这样模仁长时间使用后，一方面会造成薄膜与模仁基底剥离，另一方面，这些作为添加剂的金属元素将扩散到模仁外表面，从而与模压形成的玻璃发生反应，影响模仁的精度及模压成型玻璃产品的质量，甚至影响射出用模仁及模造模具的使用寿命。
另外，对于现有技术模仁结构，在使用过程中，因为热量不能及时排出，模仁需要及时更换下来冷却，较高的更换频率影响了生产效率的提高；并且其冷却方式一般以气冷式为主，即，将该已使用、具有高热量的模仁放在气体中冷却，常用的气体为氮气，该种冷却方式需要大量氮气，且因模仁更换频率高，冷却所用的氮气需求量高，造成成本过高。
有鉴于此，提供一种具有良好散热性、提高生产效率、降低成本的模造玻璃透镜模仁以及具有纳米离型模的模造玻璃透镜模仁实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种具有良好散热性、提高生产效率、降低成本的模造玻璃透镜模仁。
本发明解决技术问题的技术方案为：提供一种模造玻璃透镜模仁，包括一模仁基底与一位于其上的镀膜，该模仁基底内嵌有一水冷式散热系统，该镀膜是Rex-Iry与SiC交互层叠的多层膜系统。
本发明解决技术问题的另一技术方案为：提供一种具有纳米离型膜的模造玻璃透镜模仁，包括一模仁基底与一位于其上的镀膜，该模仁基底内嵌有一水冷式散热系统，该镀膜为依次包括一贵金属Rex-Iry层、一催化层以及一纳米碳管层的纳米离型膜结构。
相较于现有技术，本发明模造玻璃透镜模仁在模仁基底内启动水冷散热系统，模造玻璃透镜过程中，在操作温度400-600℃下，由于模仁的良好散热性，模仁温度得到控制，避免了因热量不能有效排出而造成薄膜与模仁基底剥离，影响模仁精度及模压成型玻璃产品质量，模仁使用时间延长，避免了重复更换模仁造成生产效率低的情形。
相较于现有技术需使用大量氮气冷却而言，本发明使用水冷式散热系统，因水的成本低，且还可以回收再利用，成本大大降低。
同时，由于纳米碳管的机械性质，该薄膜具有高强度、高韧性、高表面积、高表面曲度以及高热导度，因此赋予本发明具有纳米离型膜的模造玻璃透镜模仁更好的散热性，同时还使该薄膜具有更好的韧性，不致损坏模仁基底。
【附图说明】
图1是本发明模造玻璃透镜模仁第一实施例结构示意图。
图2是本发明模造玻璃透镜模仁第二实施例结构示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1，是本发明模造玻璃透镜模仁第一实施例结构示意图。该模仁10包括一具有光滑平面的模仁基底11和覆盖在该光滑平面的镀膜12。该模仁基底11由不锈钢材构成，其制作是将已设计好的光学几何形状以超精密加工机雕刻在不锈钢材表面，作成所需的模仁基底11形状。该模仁基底11内，嵌有一水冷式散热管系统13，该水冷式散热系统13的散热管嵌在该模仁基底11内，并绕过该模仁基底11接近该镀膜12的部分，用以提供良好散热性。该镀膜12是Rex-Iry与SiC交互层叠的多层膜结构，该Rex-Iry或SiC采用真空等离子溅镀方式沉积在该模仁基底11表面。该种多层交叠、交互堆积的结构可以消除贵金属层的成长应力并提供镀膜的化学稳定性，因而提高强度。其中，每层Rex-Iry的膜厚为10nm-20nm，x值介于0.25与0.55之间，y值介于0.45与0.75之间，而SiC的膜厚则介于5nm与20nm之间。对该镀膜12来说，沉积的Rex-Iry或SiC的层数为5层到20层之间。
在使用过程中，操作温度为400-600℃，该镀膜12中所含碳元素部分在高温下气化，但因为沉积的Rex-Iry或SiC的层数较多，仍能保持其精度，因此该镀膜12可多次使用。在精度不能满足要求时，就要重新模造镀膜。
本发明模造玻璃透镜模仁10在模仁基底11内启动水冷散热系统，模造玻璃透镜过程中，在操作温度400-600℃下，由于模仁10的良好散热性，模仁10温度得到控制，避免了因热量不能有效排出而造成薄膜12与模仁基底11剥离，影响模仁精度和模压成型玻璃产品质量。因模仁温度得到控制，相较于现有技术模仁，其使用时间延长，避免了重复更换模仁造成生产效率低的情形。
同时，相较于现有技术需使用大量氮气冷却而言，本发明使用水冷式散热系统，因水的成本低，且还可以回收再利用，成本大大降低。
本发明中模仁基底11还可选用碳化钨或者金属陶瓷。
本发明模造玻璃透镜模仁不仅可用于模压光滑平面光学玻璃产品的模仁，还可应用于其它不同形状、不同用途的模压产品模仁。
另外，一般模造玻璃透镜是在约200kg/cm2压力下以及约400-600℃的温度下制作而成，也就是说强度的考量是一项重要因素。纳米碳管由于其自身的管状结构特性，赋予了很好的机械性质，具有质量轻、强度高、韧性好、可绕曲、表面积高、表面曲度大、热导度高以及导电性奇特等特性。例如，一般纳米碳管直径约为0.7-50nm，长度在1μm以上，密度介于1.3-1.4g/cm3，类似于羊毛或棉花；而其导热性约为23.2W/cm·k，类似于金刚石的导热性；导电性则视空间螺旋特性与管径而定，介于10-3-10-4Ω·cm，类似于半导体锗；其杨氏模量约为钢铁的5-6倍，约为1万亿帕斯卡。因此，我们可以利用纳米碳管上述特性，将其应用于模造玻璃透镜模仁结构，制作纳米离型膜。
请参阅图2，是本发明模造玻璃透镜模仁第二实施例结构示意图。该模仁20包括一具有光滑平面的模仁基底21和覆盖在该光滑平面的镀膜22。该模仁基底21由不锈钢材构成，其制作是将已设计好的光学几何形状以超精密的加工机雕刻在不锈钢材表面，作成所需的模仁基底21形状。模仁基底21内嵌入水冷式散热管系统23，该水冷式散热系统23的散热管绕过该模仁基底11接近该镀膜12的部分，用以提供良好的散热性。
该镀膜22依次包括一贵金属Rex-Iry层221、一催化层222以及一纳米碳管层223。该贵金属Rex-Iry层221是以真空等离子溅镀镀膜方式沉积在模仁基底21表面，其中，x值介于0.25与0.55之间，y值介于0.45与0.75之间，厚度介于10nm到700nm之间，最高可镀成500-700nm。该催化层222是在该贵金属Rex-Iry层221表面继续沉积而成，主要成分为铁、钴或镍，其厚度为1-100nm。该纳米碳管层223是在该催化层222表面通过化学气相沉积法生长纳米碳管，即在催化层222表面通以还原气体氢气，在300-500℃还原，然后在其上成长纳米碳管。
在不锈钢材构成的模仁基底21内启动水冷散热系统，模仁20的温度得到控制，模造玻璃透镜过程中，在操作温度400-600℃下，因该模仁提供良好散热性，避免了因热量不能有效排出，造成薄膜22与模仁基底21剥离，影响模仁20精度和模压成型玻璃产品质量。因模仁温度得到控制，相较于现有技术模仁，其使用时间延长，避免了重复更换模仁造成生产效率低的情形。
相较于现有技术需使用大量氮气冷却而言，本发明使用水冷式散热系统，因水的成本低，且还可以回收再利用，成本大大降低。
同时，由于纳米碳管的机械性质，使该镀膜具有高强度、高韧性、高表面积、高表面曲度以及高热导度，因此赋予模造玻璃透镜模仁更好的散热性，同时还使该薄膜具有更好的韧性，不致损坏模仁基底。
本发明模造玻璃透镜模仁还可使用碳化钨或者金属陶瓷作模仁基底。

Claims (17)

1.一种模造玻璃透镜模仁，包括一模仁基底与一镀膜，其特征在于：该模仁基底内嵌入一水冷式散热系统。
2.如权利要求1所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该模仁基底采用不锈钢材、碳化钨或者金属陶瓷。
3.如权利要求1所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该水冷式散热系统中的散热管绕过该模仁基底接近该镀膜的部分。
4.如权利要求1所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该镀膜系Rex-Iry与SiC交互层叠的多层膜系统，所述Rex-Iry中x值介于0.25与0.55之间，y值介于0.45与0.75之间。
5.如权利要求4所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该Rex-Iry或SiC采用真空等离子溅镀方式沉积在该模仁基底表面。
6.如权利要求4所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：沉积的Rex-Iry或SiC的层数为5层到20层。
7.如权利要求4所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：每层Rex-Iry的膜厚为10nm-20nm。
8.如权利要求4所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该SiC膜厚介于5nm与20nm之间。
9.如权利要求1所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该镀膜为依次包括一贵金属Rex-Iry层、一催化层以及一纳米碳管层的纳米离型膜结构，所述贵金属Rex-Iry层中，x值介于0.25与0.55之间，y值介于0.45与0.75之间。
10.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该贵金属Rex-Iry层以真空等离子溅镀镀膜方式沉积在该模仁基底表面。
11.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该贵金属Rex-Iry层厚度介于10nm到700nm之间。
12.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该催化层沉积在该贵金属Rex-Iry层表面。
13.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该催化层主要成分是铁、钴或镍。
14.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该催化层厚度为1-100nm。
15.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该纳米碳管层是以化学沉积法在催化层表面成长纳米碳管而成。
16.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于：该模仁基底采用不锈钢材、碳化钨或者金属陶瓷。
17.如权利要求9所述的模造玻璃透镜模仁，其特征在于该水冷式散热系统中的散热管绕过该模仁基底接近该镀膜的部分。
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