CN101508525B - 航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种添加稀土元素制造特种光学玻璃的方法。其制造方法的工艺为：玻璃原料配方为：二氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铈等。将配合料置于铂金坩埚中，放入硅钼电炉中加温，由1300℃快速升至1460℃，恒温熔化，再升至1520℃，恒温3小时澄清，然后降温出料，将所出料块置于电阻炉内按一定温度制度退火。所得产品即为二次表面镜(OSR)的玻璃基片。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天用特种玻璃技术领域，特别是航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片制备方法。
背景技术
根据空间飞行器应用多年实践经验，飞行器内部温度的高低是决定空间运转是否良好的重要参数。二次表面镜(OSR)基片作为飞行器温控系统的组成部分之一，保护飞行器不受空间高能粒子的侵害。原来应用的是石英材料的二次表面镜(OSR)基片，虽然性能可以达到国标要求，但是用石英材料制造的基片脆性较大，不好裁割，操作起来很困难；另外，石英材料的密度较大，会增加飞行器总体的重量，石英材料本身造价很高，两者都会导致飞行器预算成本的增加。由此可见，发明一种新型玻璃来代替石英基片是必需的。
发明内容
本发明的目的是克服石英基片在应用中存在的弊端，提供一种航天用掺铈的二次表面镜(OSR)玻璃基片制备方法，通过在配方中添加一种少量稀土元素氧化物的方法，达到国军标对基片的性能要求。并且以其高强度、轻量化、低价格的优势取代石英基片。
本发明的目的通过以下措施实现：航天用掺铈的二次表面镜(OSR)玻璃基片配方由下述重量比的成分组成：
二氧化硅(SiO2)54-58；氧化铝(Al2O3)3-4；
三氧化二硼(B2O3)5-8；氧化锌(ZnO)3-4；
氧化锶(SrO)1.5-3； 氧化钠(Na2O)19-22；
氧化铈(CeO2)4.7-5.3；
选用矿物原料的要求：由于航天用二次表面镜(OSR)玻璃基片要求较高的透明度，故对于矿物原料的纯度要求较高，试验所采用的原料质量指标如下：
| 原料 | 纯度％ | Fe2O3％ | Cr％ | Cu％ | Cl％ | SO4％ |
| SiO2 | 99.99 | 0.0001 | ＜0.00001 | ＜0.00002 | ||
| SrCO3 | 99.95 | 0.0002 | ＜0.6 | ＜0.045 | ||
| Al(OH)3 | 99.80 | 0.0028 | ＜0.02 | ＜0.04 | ||
| H3BO3 | 99.98 | 0.0001 | ＜0.01 | ＜0.40 |
| ZnO | 99.97 | 0.0002 | ＜0.01 | ＜0.003 | ||
| Sr(NO3)2 | 99.87 | 0.0002 | ＜0.0003 | ＜0.005 | ||
| CeO2 | 99.90 | 0.0003 | ||||
| Na2CO3 | 99.78 | 0.0017 | ＜0.0003 | ＜0.05 |
采用间接辐射加热，具体工艺为：将按设计成分配合好的配合料置于铂金坩埚中，将其放入硅钼电炉中加温，并快速升温至1460℃，恒温2小时熔化，再升至1520℃，恒温3小时澄清，然后降温出料，将所出料块置于电阻炉内退火。所得产品即为二次表面镜(OSR)的玻璃基片。
上述的放入硅钼电炉中快速升温是由1300℃快速升至1460℃，升温时间为3小时。
上述的将所出的料块置于电阻炉内560℃退火。
各种玻璃组分对二次表面镜(OSR)玻璃基片的性能影响：
1.对密度的影响：空间发射飞行物的费用与重量成正比，要增加一公斤将增加发射费用几十万元，故二次表面镜(OSR)玻璃原料的密度应尽可能小，我国军标规定在2.60以下。符合二次表面镜(OSR)玻璃基片性能要求的玻璃系统有几个，但因密度在3-4之间，所以选用密度在2.60以下的硼硅酸盐玻璃。在此系统中通过试验氧化铝(Al2O3)含量过高对玻璃密度有负影响，故最后确定组成时，适当降低氧化铝(Al2O3)的含量，调整其他组分的比例以满足生成系统的要求。
2.对透过率的影响：由于二次表面镜(OSR)二次表面镜玻璃基片长期在空间条件下使用，故仅仅从原料的纯度控制着色离子的含量是不够的，还必须对组分中抗辐射物质的作用进行试验研究。通过试验测试结果可以看出，虽然有一系列变价离子具有抗辐射作用，但这些变价离子在可见光区域有一定的吸收，会导致基片的发射系数降低，只有二氧化铈(CeO2)和三氧化二铈(Ce2O3)中的四价铈离子(Ce4+)和三价铈离子(Ce3+)在可见光区无吸收峰，只在紫外区有吸收及其价态改变不引起可见光的吸收。当氧化铈的CeO2含量达到1.0-2.0％(Wt)时，所有的电子和空穴被四价铈离子(Ce4+)和三价铈离子(Ce3+)俘获，而不为网络缺陷所俘获。由于四价铈离子(Ce4+)和三价铈离子(Ce3+)分别俘获空穴和电子因康普顿效应而引起玻璃中形成空间电荷并产生电场，实验证实，与不存在铈时由网络缺陷俘获电子和空穴所产生的空间电荷相比较，引入铈元素(Ce)的玻璃空间电荷要多2-4倍，从而发生放电，为了中和由于过量引入二氧化铈(CeO2)所产生的空间电荷，适当增加了氧化钠(Na2O)的含量以增加电导。
为了达到光学特性，本产品采用了以硼硅为基础的多项组分；为了提高抗辐照性能，本产品添加了适量的二氧化铈(CeO2)，过多或者过少，都会对本产品性能有影响；为了进一步调整该产品的线膨胀系数，高温料性等理化和熔制性能，组分中适量加入了氧化锌(ZnO)等；为了提高产品的化学稳定性和有效阻止相变，该产品中添加了适量的氧化铝(Al2O3)；为了提高产品的机械性能，该产品用了消除内部残余应力的办法：如精密退火等。
国军标要求的技术指标
国军标要求的光谱特性
本产品具有的技术参数
本产品的光谱特性
本产品的创新点：
1.理论创新：从理论角度讲，(1)对太阳光的吸收系数越小越好，发射系数越高越好，因为二次表面镜(OSR)基片粘在飞行器外壳的表面，若二次表面镜(OSR)基片的吸收系数过高，发射系数过小，将会产生大量热量，从而使飞行器运行温度升高，影响其正常工作。(2)在紫外光部分其透射率越小越好，因为基片必须保证其它光线的透过率，若紫外透过率高，会导致基片变色，影响其它光线的透射，最终使基片温度升高，飞行器温度也随之升高，导致其不能正常运行。(3)同时减小基片内部横向应力和纵向应力，达到减小产品实际应用的效率。(4)经过某种元素一定量的掺杂，可以减小基片的线膨胀系数，达到基片与飞行器的匹配，提高基片的使用寿命和对飞行器的保护作用。(5)通过计算，经过某种元素一定量的掺杂，可以增强该产品的抗辐照性能，提高基片的使用寿命，同时有效的保证了飞行器的正常运行。
2.应用创新：主体为硼硅酸盐玻璃，通过对某种元素一定量的掺杂，可以使二次表面镜(OSR)基片有效的降低飞行器的内部温度，保证飞行器的正常运行。
3.技术创新：(1)抗辐照性能，该产品经累计通量1×1016e/cm2辐照后，光的透过率基本不变。(2)紫外光透过率很小，几乎为零。
具体实施方式
实施例1：航天用掺铈的二次表面镜(OSR)玻璃基片制备方法
航天用掺铈的二次表面镜(OSR)二次表面镜玻璃基片配方由下述重量比的成分组成：
二氧化硅(SiO2)55； 氧化铝(Al2O3)4；
三氧化二硼(B2O3)7.5；氧化锌(ZnO)3.9；
氧化锶(SrO)2.7； 氧化钠(Na2O)22；
氧化铈(CeO2)4.9；
选用矿物原料：由于航天用二次表面镜(OSR)二次表面镜玻璃基片要求较高的透明度，故对于矿物原料的纯度要求较高，试验所采用的原料质量指标如下：
| 原料 | 纯度％ | Fe2O3％ | Cr％ | Cu％ | Cl％ | SO4％ |
| SiO2 | 99.99 | 0.0001 | ＜0.00001 | ＜0.00002 | ||
| SrCO3 | 99.95 | 0.0002 | ＜0.6 | ＜0.045 | ||
| Al(OH)3 | 99.80 | 0.0028 | ＜0.02 | ＜0.04 | ||
| H3BO3 | 99.98 | 0.0001 | ＜0.01 | ＜0.40 | ||
| ZnO | 99.97 | 0.0002 | ＜0.01 | ＜0.003 | ||
| Sr(NO3)2 | 99.87 | 0.0002 | ＜0.0003 | ＜0.005 | ||
| CeO2 | 99.90 | 0.0003 | ||||
| Na2CO3 | 99.78 | 0.0017 | ＜0.0003 | ＜0.05 |
玻璃原料熔制试验：采用间接辐射加热。具体过程为：将按设计成分配合好的配合料置于铂金坩埚中，将其放入硅钼电炉中，由1300℃快速升至1460℃，升温时间为3小时，恒温2小时熔化，再升至1520℃，恒温3小时澄清，然后降温出料，将所出料块置于电阻炉内按560℃制度退火。所得产品即为二次表面镜(OSR)的玻璃基片。
实施例2：航天用掺铈的二次表面镜(OSR)基片制备方法
航天用掺铈的二次表面镜(OSR)配方由下述重量比的成分组成：
二氧化硅(SiO2)57； 氧化铝(Al2O3)3.2；
三氧化二硼(B2O3)7；氧化锌(ZnO)3.9；
氧化锶(SrO)2.7； 氧化钠(Na2O)21；
氧化铈(CeO2)5.2；
选用的矿物原料和玻璃原料的原料质量指标同于实施例1。
在该实例中，玻璃配方增加了铈元素的含量，减少了氧化铝的含量，这样不但可以增强玻璃的抗辐照性能，而且降低了玻璃本身的密度，使本产品性能更加完美，并向着轻量化方向发展。
Claims (3)
1.一种航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片的制备方法，航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片配方由下述重量比的成分组成：
二氧化硅(SiO2) 54-58； 氧化铝(Al2O3)3-4；
三氧化二硼(B2O3)5-8； 氧化锌(ZnO) 3-4；
氧化锶(SrO) 1.5-3； 氧化钠(Na2O) 19-22；
氧化铈(CeO2) 4.7-5.3；
采用间接辐射加热，具体工艺为：将按设计成分配合好的配合料置于铂金坩埚中，将其放入硅钼电炉中加温，并快速升温至1460℃，恒温2小时熔化，再升至1520℃，恒温3小时澄清，然后降温出料，将所出的料块置于电阻炉内退火，所得产品即为二次表面镜的玻璃基片。
2.根据权利要求1所述的航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片的制备方法，所述的放入硅钼电炉中快速升温是由1300℃快速升至1460℃，升温时间为3小时。
3.根据权利要求1所述的航天用掺铈的二次表面镜玻璃基片的制备方法，所述所出料块置于电阻炉内560℃退火。
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