Schott技术资料-31

1、 技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：1/10第31篇：光学玻璃的机械性能和热性能1 密度光学玻璃的密度从N-BaK10的2.39到SF66的6.03。大多数情况下，玻璃的密度越大，其折射率也越高（如：SF类牌号玻璃）。玻璃的密度大小主要由其化学组成决定。转变温度附近的退火条件对密度大小有少量的影响。由于热膨胀的原因，玻璃的密度随温度增高而减小。2 弹性模量、剪切模量和泊松比在低于转变点的温度下，玻璃表现为完全的脆弹性行为。根据胡克定律，玻璃的弹性形变与胁变应力成正比。如果一个玻璃条的两端受到胁变应力的作用，玻璃条的相对伸长量由下式计算： （2-1）称为弹性模

2、量（也叫杨氏模量）。玻璃条的伸长会导致玻璃条横截面的减小。玻璃条厚度的相对减小量与玻璃条相对伸长量之间的关系称为泊松比，泊松比定义如下： （2-2）玻璃条的扰曲用扰曲模量（也叫剪切模量）表示。、为各个牌号玻璃的性能参数，其大小与玻璃的化学组成有关。杨氏模量和剪切模量的单位为N/mm2，或GPa（1 GPa=103 N/mm2）。弹性模量、剪切模量和泊松比，三者之间存在如下关系： （2-3）杨氏模量采用超声波方法测量，超声波方法测量精退火条形玻璃样品的横向本征回波频率（约1kHz）。采用这种方法可以提供绝热弹性模量，测量精度±1%±2%。剪切模量是通过确定本征挠曲振荡频率来测

3、量。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：2/10样本数据表中列出的弹性模量和泊松比值为标称值，是在室温下测量的。光学玻璃弹性模量值的范围从51 GPa（SF66）到126 GPa（N-LASF21）。一般情况下，含铅玻璃的弹性模量值较小，镧玻璃的弹性模量值较大。在图2-1中，我们选了3种牌号玻璃，表示其弹性模量与温度的关系。图2-1：几种光学玻璃的弹性模量与温度的关系纵波声速可由弹性模量、泊松比和密度计算出来： （2-4）膨胀波声速可由下式计算： （2-5）SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵20

4、09年1月译页码：3/103 Knoop硬度材料抵抗硬物压入其表面的能力用压痕硬度来表示。硬度测试有多种方法，如：划痕法、磨损法、穿透法等，但这些方法的测量结果都不太准确。在Knoop硬度测试中，菱形金刚石压头施加一定的力，压在材料上保持一定时间，然后测量其压痕深度。菱形金刚石压头交叉对称棱角分别是172.5°和130.0°。金刚石压头压入玻璃表面时，玻璃表面会出现弹性和塑性变形。压痕的大小与材料的硬度有关，硬度由材料的化学组成决定。根据压痕对角线的长度，Knoop硬度可由下式计算： （3-1）国际标准ISO 93851讲述了这种测量方法。按照这个标准，我们在样本数据表中列

5、出了Knoop硬度的值，试验力为0.9807N（相当于0.1kgf），有效测试时间为20s。测试是在室温下，在抛光的玻璃表面上进行。硬度值的数据四舍五入为10HK0.1/20。显微硬度与试验力的大小有关，增大试验力，值会减小。一般情况下，网络结构（氧化硅、氧化硼等）含量高的玻璃硬度值较大，钡-镧-硼玻璃（LaK类和LaSF类玻璃）硬度最大。增加碱或铅含量可降低压痕硬度。4 磨耗度 ISO 12844玻璃在研磨过程中的表现与许多因素有关。要很好地定义材料的研磨性能，可能要具体规定研磨过程，不幸的是，我们做不到。我们发现材料的研磨性能与材料的其它性能，如Knoop硬度，弹性模量等，并没有有用的相互

6、关系。由于玻璃的研磨工艺对于具体设计和光学车间的控制是非常重要的，因此，有一定的测量量，可以比较不同玻璃的磨耗度才是有用的。国际标准ISO 128442规定了这样的测量量。被测玻璃每个牌号取20个样品，使用标准的金刚石丸片研磨机，在预先设定好的条件下研磨30s时间。然后称重并考虑玻璃密度，将被测玻璃的研磨情况与参考玻璃N-SK16的研磨情况进行比较。磨耗度HG用下式计算：SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：4/10 （4-1）式中：5个被测玻璃样品的平均磨损质量；5个参考玻璃样品的平均磨损质量；被测玻璃的密度；参考玻璃的密度。磨耗度按

7、表4-1的规定进行分类。表4-1：磨耗度类别（ISO 12844）磨耗度类别磨耗度值HG130HG230 60HG360 90HG490 120HG5120 150HG6150根据这种分类方法，类别低的玻璃磨损量小，类别较高的玻璃磨损量比参考玻璃N-SK16高。在样本数据表中我们列出了各牌号光学玻璃的磨耗度类别。5 光学玻璃的强度在一些特殊应用中，光学玻璃有时候要受到机械应力的影响。比如，N-BK7玻璃，常常作为高质量的光学材料用作真空容器的观察窗口。由于大气压力的原因，于是就会在真空容器壁上产生张应力，最大的应力当然在玻璃片的中心部位。如果玻璃元件遭受到剧烈的温度变化，由于温差的加大和热膨胀

8、的原因，应力就会形成。当胶合玻璃元件，特别是当粘接材料的热膨胀系数不同时，当有不合适的几何问题时，或当胶粘剂干得太快或硬化得太快时，都有可能在玻璃中产生应力。其它影响因素还有，比如受力面积的大小，张应力负荷增加的快慢和持续时间的长短，周围介质等。在应力相同的情况下，应力负荷增加快、持续时间短时，比应力负荷增加慢、持续时间长时，更不利。水是最不利的周围介质，玻璃在潮湿的环境中比在干燥的环境中脆弱得多。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：5/10在持久负荷作用下，硼冕类毛玻璃的强度值估计为46 MPa。这是一个比较低的值，对许多应用可能都

9、是不适合的。在这些情况下，必须精确地分析玻璃元件的强度和张应力负荷。SCHOTT没有做玻璃强度的测试，但可以提供有关强度方面的信息和一些材料规定表面状态的数据。必要时，我们可以提供这方面信息，同时也请参考参考文献3。6 粘度在熔化温度与室温之间，玻璃的大概粘度范围为101.51020 dPa.s。在这个粘度范围内，玻璃要经过三个不同的热力学状态（图6-1）。1. 熔化范围温度在液态温度以上。2. 过冷熔体范围温度在液态温度与固化温度之间。3. 固化熔体范围温度在固化温度以下。图6-1：在结晶和玻璃形成过程中，体积与温度的关系 （Ts=晶体的熔化温度；Tg=玻璃的转变温度）在熔体的冷却过程中，玻

10、璃的粘度不断增加（1×1001×104 dPa.s）（图6-2）。粘度在1×1041×1013 dPa.s之间，能够观察到玻璃从流动状态转变到塑性状态。1×109 dPa.s以上时，粘度变化非常快。随着粘度的进一步增加（等于温度降低），为了达到结构平衡，必要的延迟是非常重要的。在正常冷却条件下，粘度在1×1013 dPa.s范围时，玻璃结构被固化，或叫被“冻结”。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：6/10在这个粘度下，等待大约15min后，这种低的流动性足以完全释放玻璃的内

11、应力。另一方面，玻璃的形状和尺寸也已经完全固定下来，玻璃的脆性（易破裂）完全形成。在转变范围，玻璃的特性改变，这表明这些特性的温度系数有大的变化。图6-2：玻璃粘度与温度的关系；重要操作和固定温度点的粘度范围我们用升温速度为5K/min的热膨胀曲线的变化来说明这个转变范围，这个转变范围就要经过所谓的转变温度Tg，ISO 7884-84。退火点温度，对于光学玻璃的退火非常重要。就是玻璃粘度为1×1013 dPa.s时的温度。按照ISO 7884-44的说法，就是所谓的退火上限温度，转变温度Tg通常就在附近。在均匀加热的情况下，温度高于退火上限温度515 K时，30min内玻璃的应力就能

12、被消除。在热处理过程中，如果温度超过-200K时，光学精加工表面可能就要变形，折射率也要改变。所谓的软化点EW（），指的是玻璃在自身重量的作用下就会变形的粘度范围（比如：玻璃塌陷变形，玻璃粉烧结在一起等）。就是玻璃粘度为1×107.6 dPa.s时的温度。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：7/10样本数据表中我们列出了转变温度Tg和由粘度确定的退火温度、软化温度 6。图6-3中，我们列出了几个牌号玻璃粘度与温度的关系。图6-3：几个牌号玻璃粘度与温度的关系7 线膨胀系数玻璃的长度和体积随温度的增加而增加（线膨胀系数为正值）

13、。图7-1表示的这个典型曲线，膨胀从绝对零度，=0开始。大约到室温后，膨胀以一定的斜率开始明显增加（A段），到玻璃可发生塑性变化时，增加的斜率变小（B段，线性区域）。由于玻璃结构发生变化，膨胀曲线明显弯曲，明显弯曲属于转变范围C的特性。之后，膨胀又开始线性增加，而且增加速度更快。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：8/10图7-1：热膨胀的典型曲线和转变温度Tg的确定方法由于热膨胀系数与温度之间存在这种关系，列出如下两个温度范围的平均线膨胀系数是比较合适的：·（-30；+70）：室温范围的膨胀系数。·（20；300

14、）：国际上使用的值。便于相互比较，用于熔炼工艺和温度变化等。膨胀系数（20；300）大约为4×10-6/K16×10-6/K。由于温差（）引起的玻璃内应力，可由下式进行大致的估算； （7-1）玻璃内应力大小与杨氏模量（E）和热膨胀系数（）成正比。因此，膨胀系数和杨氏模量大的光学玻璃对热冲击非常灵敏，对这类玻璃必须非常小心地处理。机械加工中，冷却液与玻璃之间的温度差能在玻璃表面产生大的张应力。玻璃硬度值小可以减轻玻璃裂纹缺陷的产生5。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：9/10热冲击最灵敏的光学玻璃牌号是N-FK51

15、，N-PK52A和N-PK51。8 导热系数室温条件下，玻璃导热系数值的范围从1.38 W/（m·K）(纯石英玻璃)到大约0.5 W/（m·K）(高含铅玻璃)。最常用的硅酸盐玻璃，其导热系数值在0.9 W/（m·K）到1.2 W/（m·K）之间。图8-1表示导热系数与温度（到500K）的一般关系。温度在300以上时，玻璃中热传递的热辐射成分开始明显增加。导热系数与温度的关系增大，玻璃对辐射热的吸收变得更加明显。样本数据表中列出的导热系数值，测量时的玻璃温度为90，导热系数值的精度为±5%。图8-1：温度0 K500 K，玻璃导热系数值的范围和基

16、本曲线形状9 比热作为玻璃性能的一部分，我们在样本数据表中列出了等温平均比热cp（20；100）值，cp（20；100）值是根据测量从100的热玻璃传递到20的液体量热器中的热量测量出来的。硅酸盐玻璃的cp（20；100）及cp（20）值在0.42 J/（g·K）到0.84 J/（g·K）之间。温度高于转变温度时，cp值的大小基本上就与温度没有关系了。SCHOTT用智慧制造玻璃技 术 资 料先进光学事业部2004年7月田丰贵2009年1月译页码：10/1010 结论在下表中我们列出了光学玻璃的部分机械性能和热性能与聚合物、微晶玻璃、Al2O3陶瓷、钢、铝、金刚石等的比较情况

17、。物质名称密度g/cm3杨氏模量GPa导热系数W/mK热膨胀系数10-6/K聚合物1 20.1 100.1 120 500光学玻璃2.4 6.050 1300.5 1.44 16微晶玻璃2.5390.31.460.02Al2O3陶瓷4400308钢82104013铝2.77020022金刚石3.510008001.111 参考文献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