DE1596948B2 - Optisches Glas mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften - Google Patents

Optisches Glas mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften

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DE1596948B2
DE1596948B2 DE1967O0012420 DEO0012420A DE1596948B2 DE 1596948 B2 DE1596948 B2 DE 1596948B2 DE 1967O0012420 DE1967O0012420 DE 1967O0012420 DE O0012420 A DEO0012420 A DE O0012420A DE 1596948 B2 DE1596948 B2 DE 1596948B2
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Jareslow; Pfaender Lawrence Vernon; Toledo Ohio Kohut (V.St.A.)
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
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    • C03C3/064—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron
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    • Y10S501/90—Optical glass, e.g. silent on refractive index and/or ABBE number
    • Y10S501/901—Optical glass, e.g. silent on refractive index and/or ABBE number having R.I. at least 1.8

Description

Tabelle I
Die Erfindung betrifft optische Gläser mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften.
Optische Gläser werden unter anderem für faseroptische Systeme und optische Geräte benötigt. Bei der Herstellung faseroptischer Systeme ist häufige Erwärmung erforderlich, bis das gewünschte Endprodukt geformt ist, während bei optischen Geräten die Gläser, z. B. Linsen, mehrmals geschliffen und poliert werden müssen, wobei sich das Glas zwangsläufig erwärmt.
Die bekannten optischen Gläser enthalten oft Seltene Erdmetalloxide, wie Oxide von Tantal, Lanthan und Germanium, in verhältnismäßig großen Mengen, Siliziumdioxid dagegen nicht oder nur in sehr geringen Mengen. Der Einsatz von Titandioxid und Zirkondioxid brachte die Schwierigkeit mit sich, daß die Entglasungsneigung erhöht wird, weil diese Oxide Keimbildner sind; das Entglasen muß aber vermieden werden.
Allgemein ist es bei optischen Gläsern erforderlich, beim Erhitzen oder bei mechanischer Nachbearbeitung, bei der Wärme entsteht, größte Vorsicht anzuwenden, damit kein Entglasen eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Gläser zu schaffen, die neben guten optischen Eigenschaften, wie hohem Brechungsindex, guter Homogenität, Freiheit von Schlieren, Bläschen, Spannungen u. dgl., bessere Verarbeitungseigenschaften besitzen als die bekannten. Die Gläser sollen sich nach wirtschaftlichen Verfahren zu den gewünschten Endprodukten formen bzw. nachbearbeiten lassen, ohne daß die Gefahr besteht, daß sie dabei entglasen.
' A Bestandteile C (Gewichtsprozent) E F G
14 B 8 D 8 8 8
35 c.„
SlO2 		11 8 11 8 11 11 11
B2O3 2 11 — 11 — — 2
CaO 29 2 29 1 29 29 29
BaO 3 29 5 29 5 5 3
40
Ta2O5 ....		 22 4 24 4 24 24 24
La2O3 9 23 12 24 12 11 12
TiO, 6 12 3 12 8 8 8
ac ZrO, 1 5 5
45 2
Al2O3 ....		 0,2 1
Li, O 3 — — —
K2O — — 3 — 3 3 3
50 Nb2O3.... — 3 5 3 — — —
WO3 3 3
Die erfindungsgemäßen Gläser haben thermische Ausdehnungskoeffizienten von etwa 80 bis etwa 100 mit dem bevorzugten Bereich von etwa 90 bis etwa 95 · 10~7 (O bis 4250C) und einem Brechungsindex für die D-Linie von etwa 1,77 bis etwa 1,90 mit dem bevorzugten Bereich von etwa 1,77 bis 1,80 und etwa 1,85 bis 1,90.
Die Erfindung wird aus den nun folgenden Beispielen, die von der Anmelderin durchgeführt wurden, noch deutlicher werden. Bei der Bereitung der Glassätze wurden die Glassatzbestandteile innig gemischt und dann in einem Schmelztiegel geschmolzen. Der hier verwendete Schmelztiegel war aus Platin. Die Schmelztemperatur für die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen liegt im Bereich von 1400 bis
3 4
1565°C, obwohl der Bereich von 1480 bis 1565°C · Beispiel 1 allgemein angewendet wurde Die Schmelztiegel wur- Glassatzbestandteile (g) den in einem elektrischen Ofen und in Luftatmosphäre erhitzt. Die durchschnittliche Glasschmelzzeit Sand 676,5
betrug etwa 4 bis 8 Stunden, und die Glaszusammen- 5 Titanoxid 444
Setzungen wurden unter ständigem Rühren geschmol- Zirkonoxid 301
zen. Andere Gläser wurden hergestellt, wobei der Glas- Bariumkarbonat 1858
satz über Nacht, d. h. etwa 20 Stunden, geschmolzen Borsäureanhydrid 561,4
wurde. Die im Handel erhältlichen Glassatzmate- Tantaloxid 165
rialien, die für die Gläser der Erfindung verwendet io Lanthanoxid 1091
wurden, waren von höchster Reinheit und im allge- Calciumkarbonat 191,1
meinen ausgewählt aus: Sand, Borsäureanhydrid, Al2O3 50,1
Calciumcarbonat, Bariumcarbonat, Tantaloxyd, Lan- Kaliumkarbonat 243,7
thanoxyd, Titanoxyd, Zirkonoxyd, Kaliumcarbonat, Lithiumkarbonat 24,7
Lithiumcarbonat, Niboxyd, Wolframsäure u. dgl. Alle 15 „ , ^. , ,_, . ., ^ ■
diese Bestandteile sind als Beispiele genannt, jedoch Zusammensetzung, theoretisch (Gewichtsprozent)
können andere funktionell gleichwertige Reagenzien SiO2 13,53
für die Glaszusammensetzungen ebenfalls genommen TiO2 8,88
werden. ZrO 6,02
Bei der Herstellung der oben angegebenen Zusam- 20 BaO 28,88
mensetzungen werden die Glassatzbestandteile von B2O3 11,06
Hand oder in einem geeigneten Mischer innig mitein- Ta2O5 3,27
ander vermischt und auf Temperaturen erhitzt, so La2O3 21,73
daß alle Substanzen in flüssigem Zustand vorliegen CaO 2,14
und dadurch die Bildung eines Glases mit chemischer 25 Al2O3 1,00
und physikalischer Homogenität aus der homogenen K20 3,30
Schmelze vor sich gehen kann. Im allgemeinen haben Li2O 0,20
diese so hergestellten Gläser thermische Ausdehnungskoeffizienten von etwa 80 bis etwa 100 mit dem Die Bestandteile der obigen Beispiele wurden sorgbevorzugten Bereich von etwa 90 bis etwa 95 ■ 10~7 30 fältig gemischt, gut miteinander in einem Platintiegel (0 bis 425°C) und einem Brechungsindex für die bei 1482 bis 1565°C in Luftatmosphäre etwa 7 bis D-Linie von etwa 1,77 bis etwa 1,90 mit dem bevor- 8 Stunden verschmolzen. Die physikalischen Eigenzugten Bereich von etwa 1,77 bis 1,80 und etwa 1,85 schäften dieses Glases sind praktisch die gleichen bis 1,90. wie die des später gebrachten Beispieles 6.
Die Glassatzbestandteile, die für die vorliegenden 35
Glaszusammensetzungen verwendet werden, sind im Beispiel2
allgemeinen von höchster Reinheit. Sie werden innig OlaQQat/hestanritrile (e\
gemischt und dann in einem Schmelztiegel geschmol- Olassatzbestandteile (g)
zen. Der hier verwendete Schmelztiegel war aus Pia- Sand 400
tin. Die Schmelztemperatur für die vorliegenden Zu- 40 Nioboxid 150,2
sammensetzungen liegt im allgemeinen im Bereich Titandioxid 600,4
von etwa 1400 bis 1565° C mit dem nun allgemein Zirkonoxid 250,2
angewandten Bereich von etwa 1480 bis 1565°C. Die Bariumkarbonat 1885,1
Schmelztiegel wurden in einem elektrischen Ofen Borsäureanhydrid 548,2
und in Luftatmosphäre erhitzt. Die durchschnittliche 45 Tantaloxid 186,7
Glasschmelzzeit betrug etwa 4 bis 8 Stunden, und Lanthanoxid 1180,9
die Glaszusammensetzungen wurden unter konstan- Wolframsäure 162,2
tem Rühren geschmolzen. Andere Gläser wurden Calciumkarbonat 178,6
hergestellt, wobei der Glassatz über Nacht, d. h. „ ., .. , Ir- ■ i_* \\
etwa 20 Stunden, geschmolzen wurde. Die im Handel 50 . Zusammensetzung, theoretisch (Gewichtsprozent)
erhältlichen Glassatzmaterialien, die für die Gläser SiO2 8,00
der vorliegenden Erfindung verwendet wurden, waren Nb2O3 3,00
von höchster Reinheit und im allgemeinen ausge- TiO2 12,00
wählt aus: Sand, Borsäureanhydrid, Calciumkarbo- ZrO2 5,00
nat, Bariumkarbonat, Tantaloxyd, Lanthanoxyd, 55 BaO 29,00
Titanoxyd, Zirkonoxyd, Kaliumkarbonat, Lithium- B2O3 10,80
karbonat, Nioboxyd, Wolframsäure u. dgl. Alle diese Ta2O5 3,70
Bestandteile sind als Beispiele genannt, jedoch kön- La2O3 23,50
nen andere funktionell gleichwertige Reagenzien für WO3 '. 3,00
die Glaszusammensetzungen ebenfalls genommen 60 CaO 2,00
werden.
Glassatzbestandteile zur Herstellung der neuen, In den folgenden Tabellen II und III sind die
für die vorliegende Erfindung typischen Gläser sind theoretischen Zusammensetzungen und die physi-
in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt, kaiischen, einschließlich optischer Eigenschaften
jedoch stellen diese Beispiele keine Begrenzung der 65 weiterer Beispiele für die neuen optischen Gläser,
Erfindung dar, da andere geeignete Satzbestandteile die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, auf-
im Rahmen der Erfindung ebenfalls verwendet werden geführt. Das Glas nach dem vornstehenden Beispiel 2
können. hat die gleichen Eigenschaften wie das des Beispieles
Tabelle II Theoretische Zusammensetzung
Bestandteile Beispiel
(Gewichtsprozent)
SiO2 . B2O3. CaO . BaO.. Ta2O5 La2O3 TiO2 . ZrO2 . K2O . Li2O . Al2O3 13,43
11,06
2,14
28,89
3,27
21,72
8,87
6,02
3,30
0,30
1,00
13,53
11,06
2,14
28,89
3,27
21,73
8,87
6,02
3,00
0,50
1,00
13,53
11,16
2,14
28,88
3,27
21,73
8,87
6,02
3,30
0,10
1,00
13,53
11,06
2,14
OQ QQ ZO5OO
3,27 21,73 8,87 6,02 3,30 0,20 1,00
Physikalische Eigenschaften
Fasererweichungspunkt, 0C
Obere Kühl temperatur, 0C
Untere Kühltemperatur, 0C
Thermischer Ausdehnungskoeffizient ■ 10~7
(0 bis 425°C) :
Brechungsindex
725
618
588		 726
617
588		 749
638
608		 732
625
597
95,4
1,7720		 95,0
1,7779		 93,9
1,7715		 95,4
1,7718
Tabelle III
Bestandteile Beispiel
(Gewichtsprozent)
8 9 10 11
8,00 8,00 8,00 8,00
10,80 10,80 10,80 10,80
29,00 29,00 29,00 29,00
4,70 4,70 4,70 4,70
24,50 24,50 24,50 22,50
12,00 11,10 12,00 12,00
8,00 8,00 3,00 5,00
0,90
3,00 3,00 3,00 3,00
5,00 5,00
12
13
SiO2 .. B2O3 .. CaO . BaO . Ta2O5 La2O3 TiO2 . ZrO2 . Li2O . Nb2O3 WO3 .
Fasererweichungspunkt, °C. Obere Kühltemperatur, 0C Untere Kühltemperatur, 0C · Brechungsindex
8,00 10,80
2,00 29,00
3,70 23,50 12,00
5,00
3,00 3,00
743 654 629 1,87 8,00
10,80
1,00
29,00
3,70
24,50
12,00
5,00
3,00
3,00
8,00 10,80
2,00 29,00
2,70 24,50 12,00
Physikalische Eigenschaften
762· 713 762 753
671 622 654 656
643 595 627 630
1,86 1,87 1,87 1,88
744 757
656 664
627 636
1,87 1,87
Glaszusammensetzungen der vorliegenden Erfindung wurden zu faseroptischen Kernstücken verarbeitet, und einige dieser Faserkernstücke wurden anschließend mit einem Material eines niedrigeren Brechungsindex, nämlich Bprsilikatglas od. dgl. oder ein anderes geeignetes Material, umhüllt. Das umhüllte Faserkernstück wurde erhitzt und zu kleinerem Faserdurchmesser ausgezogen; das Faserkernstück war während und nach dieser Behandlung weitgehend frei von Entglasung. Dann wurde das obige Produkt wiedererhitzt und nochmals zu kleinerem Durchmesser ausgezogen. Das Erhitzen und Ausziehen kann bis zum gewünschten Durchmesser der Faseroptik wiederholt werden. Die chemischen und
physikalischen Eigenschaften eines weitgehend glasigen faseroptischen Kernglases, das erfindungsgemäß hergestellt wurde, bringt die nachstehende Tabelle IV.
Tabelle IV Chemische und physikalische Eigenschaften eines faseroptischen Kernglases
Beispiel Beispiel 15 Beispiel 16 Beispiel 17 Beispiel 18
Theoretische Zusammensetzung (Gewichtsprozent)
Fasererweichungspunkt, ° C. Obere Kühltemperatur, 0C-. Untere Kühltemperatur, 0C . Ausdehnungskoeffizient
(0 bis 4250C)
Durchlässigkeit in ηΐμ
Dicke in cm
927
1026
1092
1387
1666
2576
Brechungsindex
Schmelztemperatur, 0C
Schmelzzeit (Std.)
SiO2-13,53, B2O3-11,06, CaO-2,14, BaO-28,88, Ta2O5-3,27, LaO-21,73, TiO2-8,87, ZrO2-6,02, K2O-3,30, Al2O3-I5OO,
Li2O-0,20
731 625 598
94,1
2,2
47,3
.65,3
81,4
.81,4
84,4
1,7722 1399 20
734 627 599
93,5
3,0
55,4 72,2 82,3 81,9 84,4 1,7735
1427
733
628
600
93,5
V2
14,1
64,9 i
76,2
84,2
84,1
85,1
1,7761
1399
20
733
620
588
94,6 '
V2
26,3
76,5
82,1
84,9
84,7·
85,7
1,7746 1454
728 620 588
93,3
V2
29,2 78,1 82,2 85,4 85,3 86,1
1,7745 1454
Die in den Tabellen gebrachten chemischen und physikalischen Eigenschaften zeigen, daß die erfindungsgemäßen Gläser allgemein weitgehend glasig sind, einen Fasererweichungspunkt zwischen 680 und 760° C, eine obere Kühltemperatur zwischen und 670°C, eine untere Kühltemperatur zwischen 570 und 640°C, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 80 und 100 · 10"7 (0 bis 425° C) und' einen" Brechungsindex (nJ zwischen" 1,77" und 1,90 haben; durch diese Werte dürften die unerwarteten Eigenschaften und Qualitäten der erfindungsgemäßen Gläser dargelegt sein.
Die neuen optischen Glaszusammensetzungen werden, wenn sie zu Stäben, die mit einer Außenschicht eines anderen Glases, gewöhnlich ein Borsilikatglas oder ein ähnliches Glas oder ein anderes geeignetes Material, umhüllt werden, verarbeitet werden, zu Stäben mit einem gegebenen Außendurchmesser, der dem Innendurchmesser der umhüllenden Rohre entspricht, gegossen oder geformt. Die umhüllenden Rohre mit dem darin angeordneten Faserkernstück werden dann erhitzt und zum gewünschten Faseroptikdurchmesser gezogen. Um ein gutes faseroptisches System zu bekommen, wird als umhüllendes Glas ein solches genommen, das einen niedrigeren Brechungsindex hat als die darunterliegenden Gläser.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Optisches Glas mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß es sich zusammensetzt aus 5 bis 15 Gewichtsprozent SiO2, 7 bis 15 Gewichtsprozent B2O3, O bis 4 Gewichtsprozent CaO, 22 bis 30 Gewichtsprozent BaO, 2 bis 5 Gewichtsprozent Ta2O5, 18 bis 29 Gewichtsprozent La2O3, 8 bis 14 Ge- to wichtsprozent TiO2,2 bis 9 Gewichtsprozent ZrO2, O bis 4 Gewichtsprozent K2O, O bis 4 Gewichtsprozent Na2O, O bis 4 Gewichtsprozent Al2O3 und O bis 1 Gewichtsprozent Li2O.
2. Optisches Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 1 bis 5 Gewichtsprozent Nb2O5 und bis zu 10 Gewichtsprozent WO3 enthält.
3. Optisches Glas nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich zusammensetzt aus 8 Gewichtsprozent SiO2, 11 Gewichtsprozent B2O3, 1 bis 2 Gewichtsprozent CaO, 29 Gewichtsprozent BaO, 3 bis 5 Gewichtsprozent Ta2O5, 22 bis 24 Gewichtsprozent La2O3, 9 bis 12 Gewichtsprozent TiO2,3 bis 8 Gewichtsprozent ZrO2, 3 Gewichtsprozent Nb2O3 und O bis 5 Gewichtsprozent WO3.
4. Optisches Glas nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen erhöhten Gehalt an SiO2 von 14 Gewichtsprozent und' einen Zusatz von 3 Gewichtsprozent K20,1 Gewichtsprozent AI2O3 und 0,2 Gewichtsprozent Li2O.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Glas, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es sich zusammensetzt aus 5 bis 15 Gewichtsprozent SiO2, 7 bis 15 Gewichtsprozent B2O3, O bis 4 Gewichtsprozent CaO, 22 bis 30 Gewichtsprozent BaO, 2· bis 5 Gewichtsprozent Ta2O5, 18 bis 29 Gewichtsprozent La2O3, 8 bis 14 Gewichtsprozent TiO2, 2 bis 9 Gewichtsprozent ZrO2, O bis 4 Gewichtsprozent K2O, O bis 4 Gewichtsprozent Na2O, O bis 4 Gewichtsprozent Al2O3 und O bis 1 Gewichtsprozent Li2O. Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Glas auch noch 1 bis 5 Gewichtsprozent Nb2O5 und bis zu 10 Gewichtsprozent WO3. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzt sich das Glas zusammen aus 8 Gewichtsprozent SiO2, 11 Gewichtsprozent B2O3, 1 bis 2 Gewichtsprozent CaO, 29 Gewichtsprozent BaO, 3 bis 5 Gewichtsprozent Ta2O5, 22 bis 24 Gewichtsprozent La2O3, 9 bis 12 Gewichtsprozent TiO2, 3 bis 8 Gewichtsprozent ZrO2, 3 Gewichtsprozent Nb2O3 und O bis 5 Gewichtsprozent WO3. Vorzugsweise ist in einem solchen Glas das SiO2 in einer Menge von 14 Gewichtsprozent anwesend, und es enthält außerdem 3 Gewichtsprozent K2O, 1 Gewichtsprozent Al2O3 und 0,2 Gewichtsprozent Li2O.
Nach vorliegenden Erfahrungen sind beispielsweise folgende Zusammensetzungen möglich:
DE1967O0012420 1966-04-11 1967-04-10 Optisches Glas mit verbesserten Bearbeitungseigenschaften Granted DE1596948B2 (de)

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