TW201323366A - 磷酸鹽光學玻璃 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種結晶上限溫度較低、折射率範圍為1.93-1.95、阿貝數範圍為16-19的磷酸鹽光學玻璃。磷酸鹽光學玻璃，其重量百分比含量為：5-25%的NaPO3，1-20%的KPO3，2-15%的P2O5，0-5%的BaO，0-10%的Ba(PO3)2，大於0但小於2%的B2O3，5-25%的TiO2，35-55%的Nb2O5，0-5%的SiO2。本發明的玻璃折射率能夠達到1.93-1.95，阿貝數達到16-19，並且具有1120℃以下的結晶上限溫度，在熔製過程中具有較好的加工性質，玻璃易成形；另外，在對玻璃的後續加工過程中，玻璃表面不易結晶。

Description

磷酸鹽光學玻璃
本發明涉及一種磷酸鹽光學玻璃。
新型光電產品的快速發展對折射率範圍為1.93-1.95、阿貝數範圍為16-19的光學玻璃需求較大。根據折射率和阿貝數的關係，折射率範圍為1.93-1.95、阿貝數範圍為16-19的光學玻璃不適用SiO2-Nb2O5-TiO2-BaO-R2O配方系統，因為此時該玻璃系統會變得極不穩定，難以獲得均勻的內在品質要求的產品，且透光率也不能令人滿意，而採用磷酸鹽配方系統能夠給玻璃提供明顯的穩定性並能保證可見光透光率。
另外，磷酸鹽玻璃在熔製過程中，理想的狀態是控制玻璃的結晶上限溫度盡可能地降低，也就是說，為了實現磷酸鹽玻璃的穩定生產，玻璃配方設計時應儘量採用可以實現較低結晶上限溫度的組成系統，這是因為如果玻璃結晶溫度較高，會使玻璃在熔製過程中不易成形，加工性質較差，而且在後續對玻璃的二次加工過程中，玻璃表面容易有晶體析出，影響加工產品的表面品質。
本發明所要解決的技術問題是提供一種結晶上限溫度較低、折射率範圍為1.93-1.95、阿貝數範圍為16-19的磷酸鹽光學玻璃。
本發明解決技術問題所採用的技術方案是：磷酸鹽光學玻璃，其重量百分比含量為：5-25%的NaPO3，1-20%的KPO3，2-15%的P2O5，0-5%的BaO，0-10%的Ba(PO3)2，大於0但小於2%的B2O3，5-25%的TiO2，35-55%的Nb2O5，0-5%的SiO2。
進一步的，B2O3的含量為：大於0但小於1%。
進一步的，B2O3的含量為：大於0但小於0.8%。
進一步的，TiO2的含量為：10-20%。
進一步的，TiO2的含量為：大於14%但小於18%。
進一步的，Nb2O5的含量為：40-48%。
進一步的，NaPO3的含量為：10-20%。
進一步的，KPO3的含量為：5-15%。
進一步的，Ba(PO3)2的含量為：1-5%。
進一步的，P2O5的含量為：5-10%。
進一步的，BaO的含量為：0.1-2%。
進一步的，SiO2的含量為：0.1-2%的。
進一步的，NaPO3和KPO3的合計含量為20-30%。
採用上述磷酸鹽光學玻璃形成的光學元件。
本發明的效果是：玻璃折射率能夠達到1.93-1.95，阿貝數達到16-19，並且具有1120℃以下的結晶上限溫度，在熔製過程中具有較好的加工性質，玻璃易成形；另外，在對玻璃的後續加工過程中，玻璃表面不易結晶。
本發明人透過大量的研究與實驗發現，藉由設計特定的玻璃組成，特別是控制B2O3在配方系統中的含量，能夠獲得較低的結晶上限溫度，並且滿足所述折射率、阿貝數要求的玻璃組成合物。
本發明提供一種光學玻璃，其特徵在於，其重量百分比含量為：5-25%的NaPO3，1-20%的KPO3，2-15%的P2O5，0-5%的BaO，0-10%的Ba(PO3)2，大於0小於2%的B2O3，5-25%的TiO2，35-55%的Nb2O5，0-5%的SiO2。
NaPO3是本發明的必要組成原料，可以促進玻璃穩定形成，有效降低玻璃的熔化溫度，並且可以保證在可見光區域具有較高的透光率；因此，NaPO3的含量至少達到5%，否則不能實現上述效果，但是若超過25%，則不能實現高折射的光學性能，因此NaPO3的含量在本發明中為5-25%，較佳為10-20%，更佳為12-16%。
KPO3也是本發明的必要組成原料，與NaPO3熔融共混更可以促進玻璃穩定形成，能夠降低玻璃的熔化溫度，並且可以保證在可見光區域具有較高的透光率；因此，KPO3的含量至少要達到1%，否則達不到上述發明效果，但如果KPO3的含量超過了20%，則玻璃耐結晶性會惡化，因此KPO3的含量範圍為1-20%，較佳為5-15%，更佳為8-12%。
本發明人還發現，透過控制NaPO3及KPO3的含量，可以改善玻璃的抗熱衝擊性質，因為NaPO3及KPO3的合計含量超過35%，會使得玻璃的熱膨脹係數變大，在後續的加工過程中容易炸裂，因此其合計含量為6-35%，更佳者含量為20-30%。
作為磷酸鹽配方體系的組成骨架，P2O5的作用主要是可以降低玻璃熔化溫度，提高玻璃的透光率，但是P2O5含量低於2%，效果不明顯，若P2O5含量超過15%，則會明顯降低玻璃的折射率，難以獲得所需的光學性質。因此，P2O5含量控制在2-15%，較佳為5-10%。
本發明中可以添加適量的BaO，以改善玻璃結晶性質，並調整本發明玻璃的阿貝數，同時熔融過程中成玻璃性更好。因此，BaO的含量控制在0-5%，較佳範圍為0.1-2%。
Ba(PO3)2可以提高玻璃的耐結晶性，同時還可以調整玻璃的折射率。在本發明中可以適量添加用於調整配方系統中的磷酸和/或BaO的含量；另外，以Ba(PO3)2的形式添加後，配方組成中可以儘量控制添加較少的P2O5，因為相對於Ba(PO3)2，P2O5性質較活潑，使得玻璃的熔製不太穩定；但是，若Ba(PO3)2含量超過10%，則玻璃的高色散特性不能實現；因此，本發明將Ba(PO3)2的含量控制為0-10%，較佳為1-5%的含量，更佳為大於2%小於4%。
B2O3是改進玻璃的熔融性能及降低其熔解溫度的有效成分；另外，在本發明中，透過引入低含量的B2O3，很顯著地降低了玻璃的結晶上限溫度，若B2O3的含量超過2%或是不添加B2O3，則降低玻璃的結晶上限溫度的效果明顯變差；因此，B2O3的含量為大於0小於2%，B2O3的較佳含量為大於0小於1%，更佳為大於0小於0.8%的含量時，B2O3對玻璃組合物的結晶上限溫度的降低效果更佳。
Nb2O5是獲得本發明高折射率以及調整阿貝數的有效組成，同時也具有抑制結晶的作用；另外，本發明人發現，透過較佳Nb2O5的組成範圍，還可以有效降低玻璃的熱膨脹係數，增強玻璃的抗熱衝擊性質；若Nb2O5的含量小於35%，則難以獲得上述發明效果，若Nb2O5的含量超過55%，則玻璃成本較高，且易結晶；因此Nb2O5的含量為35-55%，較佳為40-48%，更佳為45-48%。
TiO2是實現本發明所述光學性質指標的必要組成，與Nb2O5同樣可以有效降低玻璃的熱膨脹係數，而且由於Nb2O5價格昂貴，為了達到本發明所需的光學性質及較強的抗熱衝擊性質，所以本發明適量加大了TiO2的含量，從而有效減少了Nb2O5的添加量。若TiO2的含量小於5%，則達不到本發明所需的發明效果，但是若TiO2的含量超過25%，則玻璃耐結晶性下降，並且玻璃的著色度惡化。因此，本發明將TiO2的含量控制為5-25%，較佳範圍為10-20%的TiO2，更佳範圍為大於14%但小於18%的TiO2。
SiO2是本發明玻璃的選擇性成分，添加適量的SiO2也能夠有效降低熱膨脹係數，還可以提高本發明玻璃的耐化學性，改善玻璃的穩定性。如果SiO2含量超過5%，則會導致玻璃難熔，因此，SiO2的含量為0-5%，較佳為0.1-2%，更佳為0.1-1%。
磷酸鹽玻璃組合物由於熔製溫度過低，所以氣泡會殘留，不易完全排出，熔製過程往往會添加澄清劑Sb2O3，而Sb2O3的添加通常需要與硝酸鹽配合使用，勢必在玻璃組合物熔製過程增加了氮氧化物的排放，這就對環境造成了一定程度的污染。為控制大氣中污染物的排放，本發明透過添加Ba(PO3)2、BaO等組成，增加了玻璃活性，所以不添加澄清劑Sb2O3也可以實現對玻璃組合物的熔製。
本發明提供的光學玻璃折射率範圍為1.93-1.95，阿貝數範圍為16-19；較佳的，本發明提供的光學玻璃折射率範圍為1.94-1.95，阿貝數範圍為17-19。
為了實現本發明玻璃的穩定生產，將玻璃的結晶上限溫度控制在1120℃以下是很重要的。本發明玻璃的結晶上限溫度較佳控制在1100℃以下，更佳控制在1090℃以下。
本發明提供的玻璃的熱膨脹係數α(20-120)在59×10-7/℃以下，較佳為57×10-7/℃以下，更佳為53×10-7/℃以下。
本發明還提供一種由上述玻璃形成的光學元件，該光學元件具有上述玻璃的各種特性。
本發明提供的玻璃的性質參數按照如下方法進行測試。
其中折射率與阿貝數按照《中華人民共和國國家標準GB/T 7962.1-1987無色光學玻璃測試方法折射率和色散係數》測試。
採用梯溫爐法測定玻璃的結晶性質，將玻璃製成180*10*10mm的樣品，側面拋光，放入帶有溫度梯度的爐內保溫4小時後取出，在顯微鏡下觀察玻璃結晶情況，玻璃出現晶體對應的最高溫度即為玻璃的結晶上限溫度。
熱膨脹係數α(20-120)是指在20-120℃的溫度範圍內溫度升高1℃時玻璃每單位長度的伸長量，按GB/T7962.16-1987規定的方法測量。
對於本發明提供的玻璃的製備方法，並無特別限制，按照本領域技術人員熟知的方法進行製備。將原料進行熔化、澄清、均化後降溫，注入預熱的金屬模，退火得到光學玻璃。玻璃的製備過程中，透過添加NaPO3、KPO3及Ba(PO3)2等形態穩定的原料，能夠實現生產穩定性。
本發明實施例1～20所提供的玻璃按照如下方法製備：將實施例1～20中玻璃的成分所對應的原料按比例稱量，充分混合後加入鉑金坩堝內，在1000～1300℃下熔化、澄清、均化後降溫；在550～600℃左右將熔融玻璃澆注入預熱後的金屬模；將注入預熱後的金屬模的熔融玻璃同金屬模一起放入退火爐內徐冷退火後得到玻璃，測試玻璃的相關參數。實施例1～20提供的玻璃在後續的二次加工過程中表面沒有晶體析出，表面品質較好。
實施例1～20提供的玻璃的折射率、阿貝數、結晶上限溫度、熱膨脹係數如表1至表4所示。
從上述實施例可以看出，本發明實施例提供的玻璃和光學元件具有較低的結晶上限溫度和熱膨脹係數，玻璃性穩及抗熱衝擊性能好，熔製過程不添加澄清劑，折射率為1.93-1.95，阿貝數為16-19，能夠滿足現代新型光電產品的需要。
(無元件符號說明)

Claims (22)

  1. 一種磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，其重量百分比含量為：5-25%的NaPO3，1-20%的KPO3，2-15%的P2O5，0-5%的BaO，0-10%的Ba(PO3)2，大於0但小於2%的B2O3，5-25%的TiO2，35-55%的Nb2O5，0-5%的SiO2。
  2. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，B2O3的含量為：大於0但小於1%。
  3. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，B2O3的含量為：大於0但小於0.8%。
  4. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，TiO2的含量為：10-20%。
  5. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，TiO2的含量為：大於14%但小於18%。
  6. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，Nb2O5的含量為：40-48%。
  7. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，Nb2O5的含量為：45-48%。
  8. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，NaPO3的含量為：10-20%。
  9. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，NaPO3的含量為：12-16%。
  10. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，KPO3的含量為：5-15%。
  11. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，KPO3的含量為：8-12%。
  12. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，Ba(PO3)2的含量為：1-5%。
  13. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，Ba(PO3)2的含量為：大於2%但小於4%。
  14. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，P2O5的含量為：5-10%。
  15. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，BaO的含量為：0.1-2%。
  16. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，SiO2的含量為：0.1-2%。
  17. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，SiO2的含量為：0.1-1%。
  18. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，NaPO3和KPO3的合計含量為20-30%。
  19. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，NaPO3和KPO3的合計含量為6-35%。
  20. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，所述光學玻璃折射率範圍為1.93-1.95，阿貝數範圍為16-19。
  21. 如請求項1所述的磷酸鹽光學玻璃，其特徵在於，所述光學玻璃的結晶上限溫度控制在1120℃以下。
  22. 一種採用請求項1至21中任一項所述的磷酸鹽光學玻璃形成的光學元件。
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