Schott技術(shù)資料-31

1、 技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：1/10第31篇：光學(xué)玻璃的機(jī)械性能和熱性能1 密度光學(xué)玻璃的密度從N-BaK10的2.39到SF66的6.03。大多數(shù)情況下，玻璃的密度越大，其折射率也越高（如：SF類牌號玻璃）。玻璃的密度大小主要由其化學(xué)組成決定。轉(zhuǎn)變溫度附近的退火條件對密度大小有少量的影響。由于熱膨脹的原因，玻璃的密度隨溫度增高而減小。2 彈性模量、剪切模量和泊松比在低于轉(zhuǎn)變點的溫度下，玻璃表現(xiàn)為完全的脆彈性行為。根據(jù)胡克定律，玻璃的彈性形變與脅變應(yīng)力成正比。如果一個玻璃條的兩端受到脅變應(yīng)力的作用，玻璃條的相對伸長量由下式計算： （2-1）稱為彈性模

2、量（也叫楊氏模量）。玻璃條的伸長會導(dǎo)致玻璃條橫截面的減小。玻璃條厚度的相對減小量與玻璃條相對伸長量之間的關(guān)系稱為泊松比，泊松比定義如下： （2-2）玻璃條的擾曲用擾曲模量（也叫剪切模量）表示。、為各個牌號玻璃的性能參數(shù)，其大小與玻璃的化學(xué)組成有關(guān)。楊氏模量和剪切模量的單位為N/mm2，或GPa（1 GPa=103 N/mm2）。彈性模量、剪切模量和泊松比，三者之間存在如下關(guān)系： （2-3）楊氏模量采用超聲波方法測量，超聲波方法測量精退火條形玻璃樣品的橫向本征回波頻率（約1kHz）。采用這種方法可以提供絕熱彈性模量，測量精度±1%±2%。剪切模量是通過確定本征撓曲振蕩頻率來測

3、量。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：2/10樣本數(shù)據(jù)表中列出的彈性模量和泊松比值為標(biāo)稱值，是在室溫下測量的。光學(xué)玻璃彈性模量值的范圍從51 GPa（SF66）到126 GPa（N-LASF21）。一般情況下，含鉛玻璃的彈性模量值較小，鑭玻璃的彈性模量值較大。在圖2-1中，我們選了3種牌號玻璃，表示其彈性模量與溫度的關(guān)系。圖2-1：幾種光學(xué)玻璃的彈性模量與溫度的關(guān)系縱波聲速可由彈性模量、泊松比和密度計算出來： （2-4）膨脹波聲速可由下式計算： （2-5）SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴20

4、09年1月譯頁碼：3/103 Knoop硬度材料抵抗硬物壓入其表面的能力用壓痕硬度來表示。硬度測試有多種方法，如：劃痕法、磨損法、穿透法等，但這些方法的測量結(jié)果都不太準(zhǔn)確。在Knoop硬度測試中，菱形金剛石壓頭施加一定的力，壓在材料上保持一定時間，然后測量其壓痕深度。菱形金剛石壓頭交叉對稱棱角分別是172.5°和130.0°。金剛石壓頭壓入玻璃表面時，玻璃表面會出現(xiàn)彈性和塑性變形。壓痕的大小與材料的硬度有關(guān)，硬度由材料的化學(xué)組成決定。根據(jù)壓痕對角線的長度，Knoop硬度可由下式計算： （3-1）國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 93851講述了這種測量方法。按照這個標(biāo)準(zhǔn)，我們在樣本數(shù)據(jù)表中列

5、出了Knoop硬度的值，試驗力為0.9807N（相當(dāng)于0.1kgf），有效測試時間為20s。測試是在室溫下，在拋光的玻璃表面上進(jìn)行。硬度值的數(shù)據(jù)四舍五入為10HK0.1/20。顯微硬度與試驗力的大小有關(guān)，增大試驗力，值會減小。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（氧化硅、氧化硼等）含量高的玻璃硬度值較大，鋇-鑭-硼玻璃（LaK類和LaSF類玻璃）硬度最大。增加堿或鉛含量可降低壓痕硬度。4 磨耗度 ISO 12844玻璃在研磨過程中的表現(xiàn)與許多因素有關(guān)。要很好地定義材料的研磨性能，可能要具體規(guī)定研磨過程，不幸的是，我們做不到。我們發(fā)現(xiàn)材料的研磨性能與材料的其它性能，如Knoop硬度，彈性模量等，并沒有有用的相互

6、關(guān)系。由于玻璃的研磨工藝對于具體設(shè)計和光學(xué)車間的控制是非常重要的，因此，有一定的測量量，可以比較不同玻璃的磨耗度才是有用的。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 128442規(guī)定了這樣的測量量。被測玻璃每個牌號取20個樣品，使用標(biāo)準(zhǔn)的金剛石丸片研磨機(jī)，在預(yù)先設(shè)定好的條件下研磨30s時間。然后稱重并考慮玻璃密度，將被測玻璃的研磨情況與參考玻璃N-SK16的研磨情況進(jìn)行比較。磨耗度HG用下式計算：SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：4/10 （4-1）式中：5個被測玻璃樣品的平均磨損質(zhì)量；5個參考玻璃樣品的平均磨損質(zhì)量；被測玻璃的密度；參考玻璃的密度。磨耗度按

7、表4-1的規(guī)定進(jìn)行分類。表4-1：磨耗度類別（ISO 12844）磨耗度類別磨耗度值HG130HG230 60HG360 90HG490 120HG5120 150HG6150根據(jù)這種分類方法，類別低的玻璃磨損量小，類別較高的玻璃磨損量比參考玻璃N-SK16高。在樣本數(shù)據(jù)表中我們列出了各牌號光學(xué)玻璃的磨耗度類別。5 光學(xué)玻璃的強(qiáng)度在一些特殊應(yīng)用中，光學(xué)玻璃有時候要受到機(jī)械應(yīng)力的影響。比如，N-BK7玻璃，常常作為高質(zhì)量的光學(xué)材料用作真空容器的觀察窗口。由于大氣壓力的原因，于是就會在真空容器壁上產(chǎn)生張應(yīng)力，最大的應(yīng)力當(dāng)然在玻璃片的中心部位。如果玻璃元件遭受到劇烈的溫度變化，由于溫差的加大和熱膨脹

8、的原因，應(yīng)力就會形成。當(dāng)膠合玻璃元件，特別是當(dāng)粘接材料的熱膨脹系數(shù)不同時，當(dāng)有不合適的幾何問題時，或當(dāng)膠粘劑干得太快或硬化得太快時，都有可能在玻璃中產(chǎn)生應(yīng)力。其它影響因素還有，比如受力面積的大小，張應(yīng)力負(fù)荷增加的快慢和持續(xù)時間的長短，周圍介質(zhì)等。在應(yīng)力相同的情況下，應(yīng)力負(fù)荷增加快、持續(xù)時間短時，比應(yīng)力負(fù)荷增加慢、持續(xù)時間長時，更不利。水是最不利的周圍介質(zhì)，玻璃在潮濕的環(huán)境中比在干燥的環(huán)境中脆弱得多。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：5/10在持久負(fù)荷作用下，硼冕類毛玻璃的強(qiáng)度值估計為46 MPa。這是一個比較低的值，對許多應(yīng)用可能都

9、是不適合的。在這些情況下，必須精確地分析玻璃元件的強(qiáng)度和張應(yīng)力負(fù)荷。SCHOTT沒有做玻璃強(qiáng)度的測試，但可以提供有關(guān)強(qiáng)度方面的信息和一些材料規(guī)定表面狀態(tài)的數(shù)據(jù)。必要時，我們可以提供這方面信息，同時也請參考參考文獻(xiàn)3。6 粘度在熔化溫度與室溫之間，玻璃的大概粘度范圍為101.51020 dPa.s。在這個粘度范圍內(nèi)，玻璃要經(jīng)過三個不同的熱力學(xué)狀態(tài)（圖6-1）。1. 熔化范圍溫度在液態(tài)溫度以上。2. 過冷熔體范圍溫度在液態(tài)溫度與固化溫度之間。3. 固化熔體范圍溫度在固化溫度以下。圖6-1：在結(jié)晶和玻璃形成過程中，體積與溫度的關(guān)系 （Ts=晶體的熔化溫度；Tg=玻璃的轉(zhuǎn)變溫度）在熔體的冷卻過程中，玻

10、璃的粘度不斷增加（1×1001×104 dPa.s）（圖6-2）。粘度在1×1041×1013 dPa.s之間，能夠觀察到玻璃從流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變到塑性狀態(tài)。1×109 dPa.s以上時，粘度變化非?？?。隨著粘度的進(jìn)一步增加（等于溫度降低），為了達(dá)到結(jié)構(gòu)平衡，必要的延遲是非常重要的。在正常冷卻條件下，粘度在1×1013 dPa.s范圍時，玻璃結(jié)構(gòu)被固化，或叫被“凍結(jié)”。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：6/10在這個粘度下，等待大約15min后，這種低的流動性足以完全釋放玻璃的內(nèi)

11、應(yīng)力。另一方面，玻璃的形狀和尺寸也已經(jīng)完全固定下來，玻璃的脆性（易破裂）完全形成。在轉(zhuǎn)變范圍，玻璃的特性改變，這表明這些特性的溫度系數(shù)有大的變化。圖6-2：玻璃粘度與溫度的關(guān)系；重要操作和固定溫度點的粘度范圍我們用升溫速度為5K/min的熱膨脹曲線的變化來說明這個轉(zhuǎn)變范圍，這個轉(zhuǎn)變范圍就要經(jīng)過所謂的轉(zhuǎn)變溫度Tg，ISO 7884-84。退火點溫度，對于光學(xué)玻璃的退火非常重要。就是玻璃粘度為1×1013 dPa.s時的溫度。按照ISO 7884-44的說法，就是所謂的退火上限溫度，轉(zhuǎn)變溫度Tg通常就在附近。在均勻加熱的情況下，溫度高于退火上限溫度515 K時，30min內(nèi)玻璃的應(yīng)力就能

12、被消除。在熱處理過程中，如果溫度超過-200K時，光學(xué)精加工表面可能就要變形，折射率也要改變。所謂的軟化點EW（），指的是玻璃在自身重量的作用下就會變形的粘度范圍（比如：玻璃塌陷變形，玻璃粉燒結(jié)在一起等）。就是玻璃粘度為1×107.6 dPa.s時的溫度。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：7/10樣本數(shù)據(jù)表中我們列出了轉(zhuǎn)變溫度Tg和由粘度確定的退火溫度、軟化溫度 6。圖6-3中，我們列出了幾個牌號玻璃粘度與溫度的關(guān)系。圖6-3：幾個牌號玻璃粘度與溫度的關(guān)系7 線膨脹系數(shù)玻璃的長度和體積隨溫度的增加而增加（線膨脹系數(shù)為正值）

13、。圖7-1表示的這個典型曲線，膨脹從絕對零度，=0開始。大約到室溫后，膨脹以一定的斜率開始明顯增加（A段），到玻璃可發(fā)生塑性變化時，增加的斜率變小（B段，線性區(qū)域）。由于玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膨脹曲線明顯彎曲，明顯彎曲屬于轉(zhuǎn)變范圍C的特性。之后，膨脹又開始線性增加，而且增加速度更快。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：8/10圖7-1：熱膨脹的典型曲線和轉(zhuǎn)變溫度Tg的確定方法由于熱膨脹系數(shù)與溫度之間存在這種關(guān)系，列出如下兩個溫度范圍的平均線膨脹系數(shù)是比較合適的：·（-30；+70）：室溫范圍的膨脹系數(shù)。·（20；300

14、）：國際上使用的值。便于相互比較，用于熔煉工藝和溫度變化等。膨脹系數(shù)（20；300）大約為4×10-6/K16×10-6/K。由于溫差（）引起的玻璃內(nèi)應(yīng)力，可由下式進(jìn)行大致的估算； （7-1）玻璃內(nèi)應(yīng)力大小與楊氏模量（E）和熱膨脹系數(shù)（）成正比。因此，膨脹系數(shù)和楊氏模量大的光學(xué)玻璃對熱沖擊非常靈敏，對這類玻璃必須非常小心地處理。機(jī)械加工中，冷卻液與玻璃之間的溫度差能在玻璃表面產(chǎn)生大的張應(yīng)力。玻璃硬度值小可以減輕玻璃裂紋缺陷的產(chǎn)生5。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：9/10熱沖擊最靈敏的光學(xué)玻璃牌號是N-FK51

15、，N-PK52A和N-PK51。8 導(dǎo)熱系數(shù)室溫條件下，玻璃導(dǎo)熱系數(shù)值的范圍從1.38 W/（m·K）(純石英玻璃)到大約0.5 W/（m·K）(高含鉛玻璃)。最常用的硅酸鹽玻璃，其導(dǎo)熱系數(shù)值在0.9 W/（m·K）到1.2 W/（m·K）之間。圖8-1表示導(dǎo)熱系數(shù)與溫度（到500K）的一般關(guān)系。溫度在300以上時，玻璃中熱傳遞的熱輻射成分開始明顯增加。導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系增大，玻璃對輻射熱的吸收變得更加明顯。樣本數(shù)據(jù)表中列出的導(dǎo)熱系數(shù)值，測量時的玻璃溫度為90，導(dǎo)熱系數(shù)值的精度為±5%。圖8-1：溫度0 K500 K，玻璃導(dǎo)熱系數(shù)值的范圍和基

16、本曲線形狀9 比熱作為玻璃性能的一部分，我們在樣本數(shù)據(jù)表中列出了等溫平均比熱cp（20；100）值，cp（20；100）值是根據(jù)測量從100的熱玻璃傳遞到20的液體量熱器中的熱量測量出來的。硅酸鹽玻璃的cp（20；100）及cp（20）值在0.42 J/（g·K）到0.84 J/（g·K）之間。溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時，cp值的大小基本上就與溫度沒有關(guān)系了。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術(shù) 資 料先進(jìn)光學(xué)事業(yè)部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：10/1010 結(jié)論在下表中我們列出了光學(xué)玻璃的部分機(jī)械性能和熱性能與聚合物、微晶玻璃、Al2O3陶瓷、鋼、鋁、金剛石等的比較情況

17、。物質(zhì)名稱密度g/cm3楊氏模量GPa導(dǎo)熱系數(shù)W/mK熱膨脹系數(shù)10-6/K聚合物1 20.1 100.1 120 500光學(xué)玻璃2.4 6.050 1300.5 1.44 16微晶玻璃2.5390.31.460.02Al2O3陶瓷4400308鋼82104013鋁2.77020022金剛石3.510008001.111 參考文獻(xiàn)1 ISO 9385, Glass and glass ceramics Knoop hardness test, 19902 ISO 12844, Raw optical glass Grindability with diamond pellets Test method andclassification, 19993 SCHOTT Technical Information TIE-33: Design strength of optical glass and Zerodur4 ISO 7884-8, Glass-Viscosity and viscosimetric fixed points Determination of annealingpoint, part 1-8, 19865 SCHOTT Technical Information TIE-27: Stress in op