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各种光学玻璃种类作用与特性介绍

2017-8-11 14:05:56 点击:

 玻璃的制造已有五千年的历史,一般认为最早的制造者是古代的埃及人。我国在东周时代已能制造玻璃,玻璃组成中都含有氧化铅和氧化钡,与其他国家的古代玻璃有明显的区别。我国历史上有把玻璃称为琉璃、颇黎、假水晶料器、硝子等名称。

  下面由平治光学小编为大家一一道来:

  

  B270/K9

  K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品,用于光学镀膜等领域,K9料属于光学玻璃,由于它晶莹剔透,所以衍生了很多以K9料为加工对象的工厂,他们加工出来的产品,在市面上称为水晶玻璃制品。 

  K9的组成如下: 

  SiO2=69.13%B2O3=10.75%BaO=3.07%Na2O=10.40%K2O=6.29%As2O3=0.36%,它的光学常数为:折射率=1.51630色散=0.00806阿贝数=64.06。

无色光学玻璃--B270技术要求
牌 号
厚度
(mm) 
λtj
(nm)
λ0
(nm)
Tλ0
(%)
K
B270 1-5 310±10 400 ≥89.5 ≥1.0

 

  石英玻璃

 

  石英玻璃以其优良的理化性能,被大量广泛用于半导体技术,新型电光源,彩电荧光粉生产,化工过程,超高电压收尘、远红外辐射加热设备、航空航天技术、某些武器及光学仪器的光学系统、原子能技术、浮法玻璃及元碱玻璃窖的耐火材料,特种玻璃用坩埚,仪器玻璃成型部料碗,紫外线杀菌灯,各种有色金属的生产等诸多领域。石英玻璃SiO2含量大于99.5%,热膨胀系数低,耐高温,化学稳定性好,透紫外光和红外光,熔制温度高、粘度大,成型较难。多用于半导体、电光源、光导通信、激光等技术和光学仪器中。 

  石英玻璃在整个波长有特别好的透光性,在红外区(特殊的红外玻璃除外),光谱透射范围比普通玻璃大。在可见光区透过率达93%。在紫外光谱区,特别是在短波,紫外光谱区透过率比其他玻璃好的多。石英玻璃他的光学性能在很大程度上取决于它的化学性能。哪怕是0.001%的杂质就明显地影响产品质量。过度金属杂质会改变波长方向移动,羟基的存在会吸收2.73µm光带。国产光学石英玻璃有三个牌号:JGS1紫外光学石英玻璃,应用波段185-2000nm,用合成石制造,Sicl4为原料,JGS2紫外光学石英玻璃,应用波段220-2500nm,用水晶做原料,气炼法生产;JGS3红外光学石英玻璃,应用波段260-3500nm,采用水晶或高纯度石英砂为原料,真空加压炉生产。国外还有一种全波段光学石英玻璃,应用波段180-4000nm,采用等离子(无水无H2状态下)化学相沉积法生产。用特纯Sicl4为原料。在石英玻璃中掺入少量Tio2,可以把220nm下的紫外线滤掉,称无臭氧石英玻璃。因为220nm以下的紫外线能使空气中的氧变成臭氧,在石英玻璃中掺入少量钛、铕等元素。可以把340nm以下的短波过滤掉。用它制电光源对人的皮肤有保健作用。这种玻璃可以做到完全无气泡。具有优良的透紫外线性能,特别是在短波紫外区,其透过性能远远胜过所有的其他玻璃。在185µm处的透过率可达85%。是185-2500nm波段的优良光学材料。由于这种玻璃含OH基团,所以红外透过性能差,特别是在2.7µ附近有一很大的吸收峰。 

 

  石英玻璃的光学性能 

  (1)光谱特性 

  各种有色光学玻璃在规定的光谱区内的透过和吸收性能称为光谱特性。它是有色光学玻璃的。

  (2)主要特性

  石英玻璃是透紫外线,可见光,近红外线性能最好的玻璃,可以根据需要从168nm-3500nm波段范围任意选择所须品种。 

  牌号名称应用光谱波段(毫微米) 

  JGS1远紫外光学石英玻璃应用光谱波段185-2500nm 

  JGS2紫外光学石英玻璃应用光谱波段220-2500nm 

  JGS3红外光学石英玻璃应用光谱波段260-3500nm 

  远紫外光学石英玻璃JGS1Reflectiveglass 

  在紫外和可见光谱范围内透明;在185-2500nm波段范围内无吸收带;在2600-2800nm波段范围内有强吸收带;非发光,光辐射稳定。 

  紫外光学石英玻璃JGS2 

  在紫外和可见光谱范围内透明;在220-2500nm波段范围内无吸收带;在2600-2800nm波段范围内有强吸收带;非发光,光辐射稳定。紫外光学石英玻璃:是用氢氧焰熔化高级水晶粉料而成的光学石英玻璃,它是220-2500nm波段范围内良好的光学材料。其红外透过性能同远紫外石英玻璃。 


  红外光学石英玻璃JGS3

  在可见和红外光谱范围内透明;在2600-2800nm波段范围内无明显吸收带; 

  和普通硅酸盐玻璃相比,透明石英玻璃在整个波长头优良的透过性能。在红外区光谱透过比普通玻璃大;在可见区,石英玻璃的透过率也是比较高的。在紫外光谱区特别是在短波紫外区,光谱透过比其他玻璃好的多。光谱透过率受三个因素影响:反射,散射和吸收。石英玻璃的反射一般为8%,紫外区大一些,红外区小一些。所以石英玻璃的透过率一般不大于92%。石英玻璃的散射比较小,一般可以忽略。光谱吸收和石英玻璃的杂质含量和生产工艺有密切的关系;在低于200钠米波段的透过率的高低,代表金属杂质含量的多少;240钠米的吸收表示缺氧结构的多少;可见波段的吸收是由于过渡金属离子的存在造成的,2730钠米的吸收是羟基的吸收峰,可以用于计算羟基含量。

 

石英玻璃物理性能

 

表1.
机 械 性 能 标 准 值
密度 2.2g/cm3
抗压强度 1100Mpa
抗弯强度 67Mpa
抗拉强度 48Mpa
泊松比 0.14~0.17
杨氏模量 72000Mpa
刚性模量 31000Mpa
莫氏硬度 5.5~6.5

 

表2.
机 械 性 能 标 准 值
变形点 1280℃
软化点 1780℃
退火点 1250℃
比热(20~350℃) 670J/kg.℃
热导率(20℃) 1.4W/m.℃
折射率 1.4585
热膨胀系数 5.5×10-7cm/cm.℃
热加工温度 1750~2050℃
短期使用温度 1300℃
长期使用温度 1100℃

 

表3.
电 学 性 能 标 准 值
电阻率 7×107Ω.cm
绝缘强度 250~400Kv/cm
介电常数 3.7~3.9
介电吸收系数 <4×104
介电损耗系数 <1×104

  

  浮法玻璃

  浮法玻璃是用海沙、石英砂岩粉、纯碱、白云石等原料,按一定比例配制,经熔窑高温熔融,玻璃液从池窑连续流至并浮在金属液面上,摊成厚度均匀平整、经火抛光的玻璃带,冷却硬化后脱离金属液,再经退火切割而成的透明五色平板玻璃。玻璃表面特别平整光滑、厚度非常均匀,光学畸变很小的特点。浮法玻璃按外观质量分为优等品、一级品、合格品三类。按厚度分为3、4、5、6、8、10、12mm七种。 

  普通平板玻璃外观质量等级是根据波筋、气泡、划伤、砂粒、疙瘩、线道等缺陷多少而判定。浮法玻璃外观质量等级是根据光学变形、气泡、夹杂物、划伤、线道、雾斑等缺陷多少来判的。 

  浮法生产的成型过程是在通入保护气体(N2及H2)的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上,在重力和表面张力的作用下,玻璃液在锡液面上铺开、摊平、形成上下表面平整、硬化、冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动,把玻璃带拉出锡槽进入退火窑,经退火、切裁,就得到平板玻璃产品。浮法与其他成型方法比较,其优点是:适合于高效率制造优质平板玻璃,如没有波筋、厚度均匀、上下表面平整、互相平行;生产线的规模不受成形方法的限制,单位产品的能耗低;成品利用率高;易于科学化管理和实现全现机械化、自动化,劳动生产率高;连续作业周期可长达几年,有利于稳定地生产;可为在线生产一些新品种提供适合条件,如电浮法反射玻璃、退火时喷涂膜玻璃、冷端表面处理等。


  镀膜玻璃

  镀膜玻璃是在玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜,以改变玻璃的光学性能,满足某种特定要求。

  超白玻璃

  超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,也称低铁玻璃、高透明玻璃。它是一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种,透光率可达91.5%以上,具有晶莹剔透、高档典雅的特性,有玻璃家族“水晶王子”之称。超白玻璃同时具备优质浮法玻璃所具有的一切可加工性能,具有优越的物理、机械及光学性能,可像其它优质浮法玻璃一样进行各种深加工。无与伦比的优越质量和产品性能使超白玻璃拥有广阔的应用空间和光明的市场前景。

 

  相关知识:

  光学玻璃物理特性

  光学玻璃物理特性

  

  2: 比重(s)

  用流体静力学称量法测定玻璃的比重。

        

  3: 色度值(x,y,Y)

  依据国际照明委员会(CIE)1931年和1964年规定的方法,测定出在A和D65标准光源照明下玻璃的色度值。

  4 :热特性

  5: 当玻璃温度升高1℃其长度相对变化率。本目录所列膨胀系数α ,均为20℃ ~ 30℃温度范围内的平均值。

  6: 转变温度(Tg)

  当玻璃的膨账量发生骤变时,所对应的温度即为试样的转变温度。此温度时玻璃的粘度近于10 13帕.秒。

  7: 软化温度(Ts)

  当玻璃的物理性质发生急剧变化,其膨账量也趋近于零时的温度,即为玻璃的软化温度,这时玻璃的粘度趋近于10 11帕.秒。

  8:色温变换能力(V)

  色温玻璃由升色温和降色温两类玻璃玻璃组成,其变换能力以密勒德(Mired)值来表示。升色温玻璃呈蓝色,牌号为SSB,具有负密勒德值。降色温玻璃呈琥珀色,其密勒德为正值。

  色温玻璃的序号是依据密勒德值来排列的。例如SSB130表示由3200K升至5400K,其变换能力为负130Mired值的升色温玻璃。SJB130表示由5400K降至3200K,其变换能力为正130Mired的降色温玻璃。

  石英玻璃的折射性和色散性

  石英玻璃的折射率NB=1.45845,阿贝数=67618, 特点是折射率低,色散率高;原料和制造方法对折射率和色散率影响不大,折射率和色散率表见下表 

波长(微米)/ 折射率 
色散率 
波长(微米)/(DN/D波长)
0.20 1.54727 0.3 -2.471*10-5
0.25 1.50745 0.4 –1.102*10-5
0.30 1.48594 0.5 –0.512*10-5
0.34 1.47867 0.6 –0.350*10-5
0.40 1.46968 0.7 –0.163*10-5
0.48 1.46318  
0.55 1.46013  
0.59 1.45845  
0.65 1.45640  
0.70 1.45517  
0.80 1.453371  
0.90 1.451808  
1.0   1.450473  
1.30 1.446980  
1.60 1.443492  
2.00 1.438174  
2.40 1.431730  
2.80 1.423891  
3.10 1.41694  
3.50 1.40601  

 

  石英玻璃的膨胀系数极小,相当于普通玻璃的1/12-1/20,透明和不透明石英玻璃分别在1200℃,1100℃作急冷急热实验;不同温度下,石英玻璃的膨胀系数见图。在0-1000度范围内,石英玻璃的膨胀系数是5.4*10-7/℃;掺钛8%的石英玻璃膨胀系数在0-200℃几乎为零。

  石英玻璃热膨胀系数是:5.5x10-7cm/cm. ℃,是铜的1/34,是硼硅酸盐的1/7,这一特性,使其用于光学镜头,高温窗口以及要求对热变化敏感达到最低的光学应用。石英玻璃具有良好的抗热冲击性能,将1毫米厚的石英玻璃片加热的1200度,迅速投入冷水中数次,也不会产生损坏。

  石英玻璃的机械性能和其他玻璃相似,其强度取决于玻璃中的微裂纹。弹性模数,抗拉强度,抗折强度随温度增加而增加,1050-1200度达到最大值。推荐用户使用的设计抗压强度为1.1×109Pa, 抗拉强度4.8×107Pa.

  石英玻璃的纯度

  石英玻璃的纯度主要取决与原料,用四氯化硅等高纯原料生产的石英玻璃纯度可以达到6个九(99.9999%),主要用于光纤的生产;用提纯的优质天然石英生产的石英玻璃纯度可以达到4个九,用于半导体工业;用优质天然石英生产的普通石英玻璃纯度在3个九左右,用于高强电光源的生产;纯度在2个九的普通石英一般用于生产不透明石英玻璃。

  随着对石英玻璃认识的提高,对石英玻璃的纯度有了新的理解;并不是所有的杂质都是有害的;纯度不一定是越高越好,人们有意识的加入一些杂质,生产具有特殊性能的产品。如掺入8%左右的氧化钛的石英玻璃具有超低膨胀的性能;掺入200PPM的氧化钛是无嗅氧石英玻璃;钛铈联合掺杂可以生产滤紫外石英玻璃;掺锗,硼,磷等石英玻璃是生产光纤的基础材料,掺铒石英玻璃是制造光纤放大器的核心。

 

  各种石英玻璃的纯度

 

  L1 Na K Fe Al Ca Mg Cu Co Mn Ni OH
气炼石英石英A 0.55 1.8 1.5 0.55 18 2.6 0.65 0.25 0.02 0.05 0.03 160
气炼石英玻璃B 1.98 4.3 1.7 1.1 18 6.2 0.45 0.11       180
连熔石英玻璃A 2.65 8.7 6.7 3.3 20 8.8 0.91 0.13        
连熔石英玻璃B 2.02 4.4 1.2 2.2 22 3.7 0.53 0.04 0.04 0.05 0.04 150
合成石英玻璃 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 ﹤0.1 1200

 

  玻 璃 (glass) 玻璃是由熔融物冷却、固化而得的非晶态固体。日常生活中应用的玻璃大多是以SiO2为主要成分的硅酸盐玻璃,属Na2O-CaO-SiO2系统。其结构是硅氧四面体,通过共有顶角而互相连接,构成不规则的三维网络。除了硅酸盐玻璃之外,还有分别以B2O3,P2O5,Al2O3,GeO2,TeO2,V2O5等为主要成分的氧化物玻璃和以硫系化合物、卤化物为主的非氧化物玻璃,以及由某些合金快速冷却形成的金属玻璃。   玻 璃 (glass) 微晶玻璃(glass ceramics) 石英玻璃(silica glass) 光致变色玻璃(photochromic glass) 光学玻璃(0ptical glass) 激光玻璃(laser glass) 


      光学玻璃具有一系列非常可贵的特性:透明、坚硬、良好的化学稳定性;可通过化学组成的调整,大幅度调节玻璃的物理和化学性能,以适应各种不同的使用要求;可以用吹、压、拉、铸、槽沉、离心浇注等多种成形方法,制成各种形状的空心和实心制品;可以通过焊接和粉末烧结等加工方制成形状复杂、尺寸严格的器件。而且,制造玻璃的原料丰富,价格低廉。因此,作为结构材料和功能材料,玻璃在建材、轻工、交通、医药、化工、电子、航天、原子能等领域获得了极其广泛的应用。 钢化玻璃

  钢化玻璃它是玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃,具有较强的强度和抗拉度,不容易破碎。随着玻璃的继续冷却,表层已经硬化停止收缩,而内层仍在降温收缩,直至到达室温。这样表层因受内层的压缩形成压应力,内层则形成张应力,并被永久的保留在钢化玻璃中。由于玻璃是抗压强而抗拉弱的脆性材料,当超过抗张强度时玻璃即行破碎,所以内应力的大小及其分布形式是影响玻璃强度及炸裂的主要原因。 

  另一种情况是玻璃在可塑状态下冷却时,不论是加热不均,还是冷却不均,只要在同一块玻璃上有温差,就会有不同的收缩量。在降至室温时,温度越高的地方降温越多,收缩量越大,玻璃也就越短。相反温度越低的地方降温少,收缩量也小,玻璃也就长。一块玻璃如各处长短不一则势必发生板面翘曲。这样我们就不难理解玻璃为什么会变形以及怎样防止变形。钢化玻璃强度高,其抗压强度可达125MPa以上,比普通玻璃大4~5倍;抗冲击强度也很高,用钢球法测定时,1kg的钢球从1m高度落下,玻璃可保持完好。

钢化玻璃

  钢化玻璃它是玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃,具有较强的强度和抗拉度,不容易破碎。随着玻璃的继续冷却,表层已经硬化停止收缩,而内层仍在降温收缩,直至到达室温。这样表层因受内层的压缩形成压应力,内层则形成张应力,并被永久的保留在钢化玻璃中。由于玻璃是抗压强而抗拉弱的脆性材料,当超过抗张强度时玻璃即行破碎,所以内应力的大小及其分布形式是影响玻璃强度及炸裂的主要原因。 


  另一种情况是玻璃在可塑状态下冷却时,不论是加热不均,还是冷却不均,只要在同一块玻璃上有温差,就会有不同的收缩量。在降至室温时,温度越高的地方降温越多,收缩量越大,玻璃也就越短。相反温度越低的地方降温少,收缩量也小,玻璃也就长。一块玻璃如各处长短不一则势必发生板面翘曲。这样我们就不难理解玻璃为什么会变形以及怎样防止变形。钢化玻璃强度高,其抗压强度可达125MPa以上,比普通玻璃大4~5倍;抗冲击强度也很高,用钢球法测定时,1kg的钢球从1m高度落下,玻璃可保持完好。折射率(ND)

  玻璃的折射率是以钠元素的特征谱线D=589.3nm测定的,以ND表示。