CN103058517A

CN103058517A - 一种精密模压成型用红外光学玻璃

Info

Publication number: CN103058517A
Application number: CN2011103221407A
Authority: CN
Inventors: 汪国年
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明涉及一种适用于精密模压成型的光学玻璃，特征在于其组分按摩尔比包括：TeO₂：20～60、GeO₂：20～40、La₂O₃：5～20、WO₃：0～40、ZnO：0～20、MgO+CaO+SrO+BaO：0～10、Li₂O+Na₂O+K₂O：0～10、Nb₂O₅+Ta₂O₃+TiO₂+Bi₂O₃：0～5、Sb₂O₃：0～5。本发明玻璃的有益效果是：玻璃透过波长超过5μm，T_g介于300～480℃，维氏硬度大于400，折射率n_d介于1.8～2.2，阿贝数v_d介于12～30，抗析晶能力强，化学稳定性高、机械性能好；此外，本发明不含铅、镉、氟等对环境和模具不利的成分，非常适合于通过精密模压成型制作红外光学透镜等光学元件。

Description

一种精密模压成型用红外光学玻璃

技术领域

本发明涉及红外透过的光学玻璃，属于特种玻璃技术领域。尤其适用于通过精密模压成型制作非球面红外光学透镜等光学元件。

背景技术

红外光学透镜在通讯、激光、医疗、电力、冶金、化工、测试、消防以及国防等领域具有非常广泛的应用。非球面镜由于使光学系统具有成像质量好、体积小、重量轻、结构简单等优点，从而受到了广泛的应用。

目前，非球面光学透镜主要采用先进的精密模压成型法制造，该种方法是在一定的温度和压力下，通过精密模具直接将玻璃预制体压制成所需功能的玻璃制品。光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下优点：①不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人，使一个小型车间就可具备很高的生产力；③可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产；④只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度；⑤可以模压小型非球面透镜阵列；⑥光学零件和安装基准件可以制成一个整体。近年来，精密模压成型技术被广泛用于非球面镜等光学元件的大量生产。

目前大量使用的非球面光学透镜由于主要含有SiO₂等成分，其透过范围截止于2.3微米左右，因此不能适用于中长波红外光学的应用要求。硫系玻璃具有较好的红外透过性能，且热转变温度较低，能够适合于精密模压成型；但是其机械强度较差，而且高光学质量的硫系玻璃制作难度较大、成本也较高。

碲酸盐玻璃由于其较低的声子能量(～700cm^-1)而具有较宽的红外透过范围(可达6.5μm)，通过离子键和共价键结合的微观结构使得其机械强度大大高于硫系玻璃。传统的碲酸盐玻璃中TeO₂含量较高(摩尔百分比一般高于60％)。一方面，高温下较高含量的TeO₂易于挥发并粘附于模具表面从而降低模具的重复使用寿命；另一方面，高TeO₂含量的碲酸盐玻璃液相粘度较低，料性较短，非常不利于模压成型；此外，碲酸盐玻璃中所含的卤化物成份以及重金属如铅、镉等毒害成份也不适合于模压成型。因此，常用的碲酸盐光学玻璃不适合于精密模压光学透镜。

在日本专利特公平1-44651号公报中公开了一种碲酸盐类玻璃，其中以TeO₂为主要成分，并含有GeO₂、La₂O₃、Nb₂O₅、ZnO、HfO₂、PbO等。由于PbO易于在高温下附着于模具表面并发生反应，大大降低模具的使用寿命；而且PbO不利于环保，因此该种玻璃不适合于精密模压成型。

专利号为200810175599.7中国专利公开了一种TeO₂-La₂O₃类光学玻璃，其玻璃组成中因含有SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃等成分，大大降低了其红外透过性能，因此也不适合于制作具有红外光学透镜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型光学玻璃，该玻璃具有红外波段透明、可通过精密模压成型、并具有较高的机械强度。该玻璃特别适用于精密模压红外光学透镜等光学元件。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为，精密模压用红外光学玻璃，其组分按摩尔比(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、Li₂O+Na₂O+K₂O：0～10、Nb₂O₅+Ta₂O₃+TiO₂+Bi₂O₃：0～5、Sb₂O₃：0～5。

本发明玻璃所产生的有益效果是，玻璃透过波长超过5μm，T_g介于300～480℃，维氏硬度大于400，折射率n_d介于1.8～2.2，阿贝数v_d介于12～30，抗析晶能力强，化学稳定性高、机械性能好；此外，本发明不含铅、镉、氟等对环境和模具不利的成分，非常适合于通过精密模压成型制作红外光学透镜等光学元件。

附图说明

图1为本发明玻璃典型的透过曲线。从图中可以看出，本发明玻璃的透过范围超过5μm，适用于中波红外光学元件。

具体实施方式

TeO₂是本发明玻璃的主要成份，TeO₂具有很强的玻璃形成能力，在玻璃中作为玻璃形成体构成玻璃的骨架。由于其具有较低的最大声子能量，使得其在红外波段的吸收较低，其红外透过范围超过6.5μm。同时TeO₂还使玻璃具有高的折射率(n_d在1.9以上)和低熔点(热转变温度T_g低于400℃)。TeO₂含量的增加有利于提高玻璃的形成能力，但含量过高(如摩尔比高于60％)时，在高温下易于挥发，模压过程中易于粘附模具表面，会降低模具的使用寿命且不利于高精度成型。本发明中TeO₂含量为20～60％。

GeO₂是本发明玻璃中提高机械强度的主要因素，作为玻璃形成体，引入GeO₂后玻璃的透过范围仍然可达5.5μm；此外，GeO₂不仅可以改善玻璃的形成能力，提高玻璃的机械强度，还可以提高玻璃的透明度，降低玻璃的着色度。GeO₂与TeO₂可以以任意组分配比形成玻璃，为了改善本发明玻璃的机械强度，本发明中GeO₂含量不低于20％，但由于GeO₂价格比较昂贵，过多的GeO₂会增加玻璃的成本，同时也会增加玻璃的热转变温度，因此本发明中优选GeO₂含量为20～40％。

La₂O₃是维持玻璃光学常数的重要成份，其主要作用是在保证玻璃具有较高折射率的情况下降低色散，因此是本发明玻璃的必须成份之一。当La₂O₃含量低于5％时，其改善光学常数的作用较小，超过30％时，玻璃容易析晶，因此本发明优选的含量为5～20％。

WO₃用来调节玻璃的稳定性。由于本发明玻璃中不能含有过高的TeO₂，而GeO₂由于价格较贵也不便过多，WO₃的适当引入使玻璃既具有较高的玻璃形成能力及较高的液相粘度，以利于玻璃的模压成型，同时还可保证玻璃的折射率并适当降低成本。本发明中WO₃的含量为0～40％，即从不含WO₃到引入含量达40％，优选含量为5～35％，进一步优选为12～25％。

ZnO的引入有利于提高玻璃的析晶稳定性，并降低玻璃的色散；但过多的含量会降低玻璃的折射率，并降低玻璃的液相粘度，不利于玻璃模压成型。本发明中ZnO含量为0～20％，优选为5～18％。

MgO、CaO、SrO、BaO是用来微调玻璃的形成以及折射率，可以不含或少量含有，本发明中MgO+CaO+SrO+BaO含量总和不超过10％。

Li₂O、Na₂O、K₂O用来调节玻璃的折射率、粘度以及形成能力。该类成份的引入可显著降低玻璃的粘度和折射率，因此本发明中选择不含或少量含有，但Li₂O+Na₂O+K₂O总含量不超过10％，优选含量不超过5％。

Nb₂O₅、Ta₂O₃、TiO₂、Bi₂O₃用于提高玻璃的折射率和稳定性，但过高的含量均会显著降低玻璃的形成能力，本发明中可适当引入Nb₂O₅、Ta₂O₃、TiO₂、Bi₂O₃中的一种或多种，Nb₂O₅+Ta₂O₃+TiO₂+Bi₂O₃总含量不超过5％，优选不加入。

Sb₂O₃在本发明中起脱色剂和澄清剂的作用，本发明中引入含量为0～5％，优选含量为0.005～2％。

本发明的玻璃采用传统的熔融方法制备，其具体制备过程如下：(1)按配比准确称量原料，搅拌混料后倒入铂金坩埚；(2)根据组份不同在750～1100℃下熔制，通过通气、搅拌、均化、澄清等工艺后降温；(3)将玻璃液浇注在预热后的金属或石墨模具中；(4)迅速放入退火炉中退火至室温，即可制得本发明玻璃。

表1为本发明玻璃的7个具体实施例配方及其相关特性，但本发明并不局限于表1中的实施例。本发明玻璃所产生的有益效果是，玻璃透过波长超过5μm，T_g介于300～480℃，维氏硬度大于400，折射率n_d介于1.8～2.2，阿贝数v_d介于12～30，抗析晶能力强，化学稳定性高、机械性能好，满足高性能红外光学玻璃透镜的要求；此外，本发明不含铅、镉、氟等对环境和模具不利的成分，非常适合于通过精密模压成型制作红外光学透镜等光学元件。

表1

Claims

1.精密模压用光学玻璃，其特征在于，该光学玻璃红外波段透过范围超过5μm，热转变温度T_g介于300～480℃，维氏硬度大于400，折射率n_d介于1.8～2.2，阿贝数v_d介于12～30，并按摩尔百分比包含下列成分：

TeO₂ 20～60

GeO₂ 20～40

La₂O₃ 5～20

2.如权利要求1所述的精密模压用光学玻璃，其特征在于，其组分按摩尔百分比还包括：

3.如权利要求1所述的精密模压用光学玻璃，其特征在于，摩尔百分比组成为：