Ge-Se-Te硫系玻璃非球面精密模压工艺研究

引言硫系玻璃属于非氧化物玻璃，是硫族元素与其它金属或非金属化合形成的一种非晶态玻璃材料。硫系玻璃相比锗单晶，其含贵重金属少，相对成本较低。同时，硫系玻璃具有良好的透过率、极低的折射率温度系数和色散性能，其折射率可以通过玻璃的基础配方进行调整，可同其他的红外材料配合使用，应用于虚色校正、无热失焦的红外光学系统中，成为有利于光学设计师设计无色差、无热散焦的光学系统的理想材料。另外，相比红外晶体材料只能采用单点金刚石车削加工非球面的现状，硫系玻璃其有晶体材料所不具备的精密模压成型的优势，大批量模压生产时可以大幅降低加工成本。本文以Ge-Se-Te硫系玻璃为模压材料，进行非球面光学元件的模压成型试验，研究了口径Φ10.4mm非球面镜片模压工艺参数，制得的非球面镜片满足应用要求，分析硫系玻璃模压后玻璃折射率和比重变化的原因。为后续大批量制造提供参考。试验（1）模压设备。试验采用韩国DTK公司的DTK-LMR-3300A8型模压设备，该设备为8站式模压机，设备模压室由压力控制系统、加热系统、冷却系统以及搬送系统组成。最高模压温度700℃，最大压力1MPa，最大模具直径60mm，可以实现多模具连续生产。模压工艺流程如图1所示。图1模压工艺流程（2）模压设计。产品的设计为双面非球面ASP1为凹面，ASP2为凸面。镜片为凸凹型，直径10.4mm，ASP1和ASP2的有效口径分别为4.1mm和9.1mm，镜片中心厚度6mm。镜片设计要求：模压镜片PV≤0.5mm。表1非球面曲线参数根据镜片形状，进行了模压设计（图2（a））、预型体设计（图2（b））和模压模具设计。试验采用湖北新华光信息材料有限公司生产的IRG209牌号硫系玻璃。试验用预型体设计为球型预型体，直径为9.04mm，表面抛光处理达到光学镜面要求，外观等级60/40。模压成型用模具为韩国N18硬质材料（图2（c）），模具表面镀Ta-C离型膜。图2模压设计及模具实物图结果分析（1）模压工艺与镜片表面疵病关系。DTK模压机属于连续式生产方式，所有工位（t1－t8）时间相等，即模压成型周期t。根据IRG209硫系玻璃的转变温度（Tg＝190℃）和弛垂温度（Ts＝210℃），制定了表2的10种模压工艺，工艺的差异是成型温度T4与成型周期t

不同。为了模拟量产条件，模压设备中投入10套相同的模具，测试模压后镜片PV均值以及镜片表面疵病的情况。表2模压工艺与成型镜片检测结果由表2可知，T4温度偏高时，成型镜片表面疵病不良严重。在11W日光灯下，模压镜片表面呈密集麻点，部分产品中心部位出现圈状坑点。产生不良的原因：高温模压条件下，玻璃表面发生化学反应形成挥发性气体，玻璃中心部位一直接触模具中心，成型时挥发物在密闭空间汇集挤压玻璃表面形成圈状坑点，而其他区域由内至外逐步接触模具成型面，未形成密闭空间，挥发气体直接逸出模具腔体，镜片表面组分挥发形貌缺失形成微小麻点。

T4温度偏低时，成型镜片表面划伤比例较大，同时存在破裂情况。产生这类不良的原因：低温模压条件下，玻璃黏度大延展性差，成型挤压时与模具表面摩擦产生划伤，甚至也会出现破裂。延长成型周期t，破裂不良改善。由表2可见，9#工艺模压镜片外观最优，为最佳成型工艺，但是该工艺条件下镜片面型精度PVASP1＝2.529mm（见图3（a）），PVASP2＝5.870mm（见图3（b））不满足光学设计需求。研究中进行一次模具补正，将镜片面型的偏移量补偿在模具上。模具补正后再次使用9#工艺模压，模压镜片的面型精度PVASP1＝0.259mm（见图3（c）），PVASP2＝0.206mm（见图3（d）），满足设计需求。图3模压镜片PV值（2）模压前后比重的变化。采用“排液失重法”测试硫系玻璃模压前后比重变化。模压前后玻璃比重见表3。模压后玻璃比重降低，降温速率越快，比重降低程度越大。表3硫系玻璃模压前后比重产生该现象的原因：根据应力松弛理论，精密模压退火过程，玻璃从黏塑弹性体逐渐转变成弹性体，此时应力松弛的作用仅能消除温差内应力部分。当玻璃被冷却到应变温度以下时，玻璃内所产生的内应力，残留在玻璃中的内应力的大小正好为应力松弛的那部分，形成永久应力。该过程中，玻璃内部分子的热运动能量小，内部结构基团无法移位抵消由温差产生的内应力，玻璃结构处于蓬松状态，玻璃体积膨胀，比重减小。玻璃降温速率越快，玻璃内部永久应力越大，玻璃比重越小。（3）模压前后折射率变化。采用全欧测角仪（SpectroMaster®）测试了硫系玻璃模压前后折射率，并对比了模压前后玻璃的折射率数据。图4为模压前后玻璃折射率的曲线。模压后玻璃折射率降低，降温速度越快，折射率降低程度越大。图4硫系玻璃模压前后折射率结论本文开展了Ge-Se-Te硫系玻璃非球面镜片模压成型试验，通过10组工艺试验，获得产品最佳模压工艺，分析了成型工艺产生表面疵病不良的原因。通过一次模具补正，制备出镜片面型精度为PVASP1＝0.259mm，PVASP2＝0.206mm满足设计需求的模压镜片。研究中发现Ge-Se-Te玻璃模压后折射率与比重较模压前降低，且模压降温速率