CN102515527B - 磷酸盐光学玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种析晶上限温度较低、折射率范围为1.93-1.95、阿贝数范围为16-19的磷酸盐光学玻璃。磷酸盐光学玻璃，其重量百分比含量为：5-25％的NaPO3，1-20％的KPO3，2-15％的P2O5，0-5％的BaO，0-10％的Ba(PO3)2，大于0但小于2％的B2O3，5-25％的TiO2，35-55％的Nb2O5，0-5％的SiO2。本发明的玻璃折射率能够达到1.93-1.95，阿贝数达到16-19，并且具有1120℃以下的析晶上限温度，在熔制过程中具有较好的工艺性能，玻璃易成形；另外，在对玻璃的后续加工过程中，玻璃表面不易析晶。

Description

磷酸盐光学玻璃
技术领域
本发明涉及一种磷酸盐光学玻璃。
背景技术
新型光电产品的快速发展对折射率范围为1.93-1.95、阿贝数范围为16-19的光学玻璃需求较大。根据折射率和阿贝数的关系，折射率范围为1.93-1.95、阿贝数范围为16-19的光学玻璃不适用SiO2-Nb2O5-TiO2-BaO-R2O配方系统，因为此时该玻璃系统会变得极不稳定，难以获得均匀的内在质量要求的产品，且透过率也不能令人满意，而采用磷酸盐配方系统能够给玻璃提供明显的稳定性并能保证可见光透过率。
另外，磷酸盐玻璃在熔制过程中，理想的状态是控制玻璃的析晶上限温度尽可能地降低，也就是说，为了实现磷酸盐玻璃的稳定生产，玻璃配方设计时应尽量采用可以实现较低析晶上限温度的组成系统，这是因为如果玻璃析晶温度较高，会使玻璃在熔制过程中不易成形，工艺性能较差，而且在后续对玻璃的二次加工过程中，玻璃表面容易有晶体析出，影响加工产品的表面质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种析晶上限温度较低、折射率范围为1.93-1.95、阿贝数范围为16-19的磷酸盐光学玻璃。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：磷酸盐光学玻璃，其重量百分比含量为：5-25％的NaPO3，1-20％的KPO3，2-15％的P2O5，0-5％的BaO，0-10％的Ba(PO3)2，大于0但小于2％的B2O3，5-25％的TiO2，35-55％的Nb2O5，0-5％的SiO2。
进一步的，B2O3的含量为：大于0但小于1％。
进一步的，B2O3的含量为：大于0但小于0.8％。
进一步的，TiO2的含量为：10-20％。
进一步的，TiO2的含量为：大于14％但小于18％。
进一步的，Nb2O5的含量为：40-48％。
进一步的，NaPO3的含量为：10-20％。
进一步的，KPO3的含量为：5-15％。
进一步的，Ba(PO3)2的含量为：1-5％。
进一步的，P2O5的含量为：5-10％。
进一步的，BaO的含量为：0.1-2％。
进一步的，SiO2的含量为：0.1-2％的。
进一步的，NaPO3和KPO3的合计含量为20-30％。
采用上述磷酸盐光学玻璃形成的光学元件。
本发明的有益效果是：玻璃折射率能够达到1.93-1.95，阿贝数达到16-19，并且具有1120℃以下的析晶上限温度，在熔制过程中具有较好的工艺性能，玻璃易成形；另外，在对玻璃的后续加工过程中，玻璃表面不易析晶。
具体实施方式
本发明人通过大量的研究与实验发现，通过设计特定的玻璃组成，特别是控制B2O3在配方系统中的引入量，能够获得较低的析晶上限温度，并且满足所述折射率、阿贝数要求的玻璃组成合物。
本发明提供一种光学玻璃，其特征在于，其重量百分比含量为：5-25％的NaPO3，1-20％的KPO3，2-15％的P2O5，0-5％的BaO，0-10％的Ba(PO3)2，大于0小于2％的B2O3，5-25％的TiO2，35-55％的Nb2O5，0-5％的SiO2。
NaPO3是本发明的必要原料组成，可以促进玻璃稳定形成，有效降低玻璃的熔化温度，并且可以保证在可见光区域具有较高的透光率；因此，NaPO3的引入量至少达到5％，否则不能实现上述效果，但是若超过25％，则不能实现高折射的光学性能，因此NaPO3的含量在本发明中为5-25％，优选10-20％，更优选为12-16％。
KPO3也是本发明的必要原料组成，与NaPO3混熔可以更好地促进玻璃稳定形成，能够降低玻璃的熔化温度，并且可以保证在可见光区域具有较高的透光率；因此，KPO3的引入量至少要达到1％，否则达不到上述发明效果，但如果KPO3的引入量超过了20％，则玻璃耐失透性会恶化，因此KPO3的含量范围为1-20％，优选5-15％，更优选为8-12％。
本发明人还发现，通过控制NaPO3及KPO3的引入量，可以改善玻璃的抗热冲击性能，因为NaPO3及KPO3的合计含量超过35％，会使得玻璃的热膨胀系数变大，在后续的加工过程中容易炸裂，因此其合计含量为6-35％，更优选含量为20-30％。
作为磷酸盐配方体系的骨架组成，P2O5的作用主要是可以降低玻璃熔化温度，提高玻璃的透光率，但是P2O5引入量低于2％，效果不明显，若P2O5引入量超过15％，则会明显降低玻璃的折射率，难以获得所需的光学性能。因此，P2O5引入量控制在2-15％，优选5-10％。
本发明中可以引入适量的BaO，以改善玻璃失透性能，并调整本发明玻璃的阿贝数，同时熔融过程中成玻璃性更好。因此，BaO的含量控制在0-5％，优选范围为0.1-2％。
Ba(PO3)2可以提高玻璃的耐失透性，同时还可以调整玻璃的折射率。在本发明中可以适量引入用于调整配方系统中的磷酸和/或BaO的含量；另外，以Ba(PO3)2的形式引入后，配方组成中可以尽量控制较少地引入P2O5，因为相对于Ba(PO3)2，P2O5性质较活泼，使得玻璃的熔制不太稳定；但是，若Ba(PO3)2含量超过10％，则玻璃的高色散特性不能实现；因此，本发明将Ba(PO3)2的含量控制为0-10％，优选为1-5％的含量，更优选为大于2％小于4％。
B2O3是改进玻璃的熔融性能及降低其熔解温度的有效成分；另外，在本发明中，通过引入低含量的B2O3，很显著地降低了玻璃的析晶上限温度，若B2O3的含量超过2％或是不引入B2O3，则降低玻璃的析晶上限温度的效果明显变差；因此，B2O3的含量为大于0小于2％，B2O3的优选含量为大于0小于1％，更优选为大于0小于0.8％的引入量时，B2O3对玻璃组合物的析晶上限温度的降低效果更佳。
Nb2O5是获得本发明高折射率以及调整阿贝数的有效组成，同时也具有抑制结晶的作用；另外，本发明人发现，通过优选Nb2O5的组成范围，还可以有效降低玻璃的热膨胀系数，增强玻璃的抗热冲击性能；若Nb2O5的含量小于35％，则难以获得上述发明效果，若Nb2O5的含量超过55％，则玻璃成本较高，且易结晶；因此Nb2O5的含量为35-55％，优选为40-48％，更优选为45-48％。
TiO2是实现本发明所述光学性能指标的必要组成，与Nb2O5同样可以有效降低玻璃的热膨胀系数，而且由于Nb2O5价格昂贵，为了达到本发明所需的光学性能及较强的抗热冲击性能，所以本发明适量加大了TiO2的引入量，从而有效减少了Nb2O5的引入量。若TiO2的引入量小于5％，则达不到本发明所需的发明效果，但是若TiO2的引入量超过25％，则玻璃耐失透性下降，并且玻璃的着色度恶化。因此，本发明将TiO2的含量控制为5-25％，优选范围为10-20％的TiO2，更优选范围为大于14％但小于18％的TiO2。
SiO2是本发明玻璃的任选成分，引入适量的SiO2也能够有效降低热膨胀系数，还可以提高本发明玻璃的耐化学性，改善玻璃的稳定性。如果SiO2含量超过5％，则会导致玻璃难熔，因此，SiO2的含量为0-5％，优选为0.1-2％，更优选为0.1-1％。
磷酸盐玻璃组合物由于熔制温度过低，所以气泡会残留，不易完全排出，熔制过程往往会引入澄清剂Sb2O3，而Sb2O3的引入通常需要与硝酸盐配合使用，势必在玻璃组合物熔制过程增加了氮氧化物的排放，这就对环境造成了一定程度的污染。为控制大气中污染物的排放，本发明通过引入Ba(PO3)2、BaO等组成，增加了玻璃活性，所以不引入澄清剂Sb2O3也可以实现对玻璃组合物的熔制。
本发明提供的光学玻璃折射率范围为1.93-1.95，阿贝数范围为16-19；优选的，本发明提供的光学玻璃折射率范围为1.94-1.95，阿贝数范围为17-19。
为了实现本发明玻璃的稳定生产，将玻璃的析晶上限温度控制在1120℃以下是很重要的。本发明玻璃的析晶上限温度优选控制在1100℃以下，更优选控制在1090℃以下。
本发明提供的玻璃的热膨胀系数α(20-120)在59×10-7/℃以下，优选57×10-7/℃以下，更优选53×10-7/℃以下。
本发明还提供一种由上述玻璃形成的光学元件，该光学元件具有上述玻璃的各种特性。
本发明提供的玻璃的性能参数按照如下方法进行测试。
其中折射率(nd)值为(-2℃/h)-(-6℃/h)的退火值，折射率与阿贝数按照《GB/T 7962.1-1987无色光学玻璃测试方法折射率和色散系数》测试。
采用梯温炉法测定玻璃的析晶性能，将玻璃制成180*10*10mm的样品，侧面抛光，放入带有温度梯度的炉内保温4小时后取出，在显微镜下观察玻璃析晶情况，玻璃出现晶体对应的最高温度即为玻璃的析晶上限温度。
热膨胀系数α(20-120)是指在20-120℃的温度范围内温度升高1℃时玻璃每单位长度的伸长量，按GB/T7962.16-1987规定的方法测量。
对于本发明提供的玻璃的制备方法，并无特别限制，按照本领域技术人员熟知的方法进行制备。将原料进行熔化、澄清、均化后降温，注入预热的金属模，退火得到光学玻璃。玻璃的制备过程中，通过将NaPO3、KPO3及Ba(PO3)2等形态稳定的原料引入，能够实现生产稳定性。
本发明实施例1～20所提供的玻璃按照如下方法制备：将实施例1～20中玻璃的成分所对应的原料按比例称量，充分混合后加入铂金坩埚内，在1000～1300℃下熔化、澄清、均化后降温；在550～600℃左右将熔融玻璃浇注入预热后的金属模；将注入预热后的金属模的熔融玻璃同金属模一起放入退火炉内徐冷退火后得到玻璃，测试玻璃的相关参数。实施例1～20提供的玻璃在后续的二次加工过程中表面没有晶体析出，表面质量较好。
实施例1～20提供的玻璃的折射率、阿贝数、析晶上限温度、热膨胀系数如表1-表4所示。
表1
表2
表3
表4
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的玻璃和光学元件具有较低的析晶上限温度和热膨胀系数，玻璃性稳及抗热冲击性能好，熔制过程不引入澄清剂，折射率为1.93-1.95，阿贝数为16-19，能够满足现代新型光电产品的需要。

Claims (21)

1.磷酸盐光学玻璃，其特征在于，其重量百分比含量为：5-25％的NaPO3，1-20％的KPO3，2-15％的P2O5，0-5％的BaO，0-10％的Ba(PO3)2，大于0但小于2％的B2O3，5-25％的TiO2，35-55％的Nb2O5，0-5％的SiO2，所述光学玻璃折射率范围为1.93-1.95，阿贝数范围为16-19。
2.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，B2O3的含量为：大于0但小于1％。
3.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，B2O3的含量为：大于0但小于0.8％。
4.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，TiO2的含量为：10-20％。
5.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，TiO2的含量为：大于14％但小于18％。
6.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，Nb2O5的含量为：40-48％。
7.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，Nb2O5的含量为：45-48％。
8.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，NaPO3的含量为：10-20％。
9.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，NaPO3的含量为：12-16％。
10.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，KPO3的含量为：5-15％。
11.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，KPO3的含量为：8-12％。
12.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，Ba(PO3)2的含量为：1-5％。
13.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，Ba(PO3)2的含量为：大于2％但小于4％。
14.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，P2O5的含量为：5-10％。
15.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，BaO的含量为：0.1-2％。
16.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，SiO2的含量为：0.1-2％。
17.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，SiO2的含量为：0.1-1％。
18.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，NaPO3和KPO3的合计含量为20-30％。
19.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，NaPO3和KPO3的合计含量为6-35％。
20.如权利要求1所述的磷酸盐光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃的析晶上限温度控制在1120℃以下。
21.采用权利要求1-20中任一权利要求所述的磷酸盐光学玻璃形成的光学元件。
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