光学玻璃性能及相关产品技术资料--光学玻璃中的应力.pdf

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1、技术中心情报档案处该资料仅供内部交流使用，不得外泄四、光学玻璃中的应力0．引言玻璃中永久性内应力的大小，分布与退火条件、玻璃牌号、玻璃大小和几何形状等有关。这种应力会引起双折射，双折射的大小与玻璃的应力光学常数有关。为保证毛坯玻璃内的应力双折射尽可能低，并满足应用要求，SCHOTT对此进行了深入的研究。有关玻璃中机械应力的产生、应力双折射的定义和测量、应用中的重要性和SCHOTT玻璃应力双折射技术指标等，本技术资料给予了全面的介绍。1．玻璃中机械应力的产生玻璃中机械应力的产生主要有两方面的原因。退火过程和玻璃化学组分的变化都可能产生机械应力。化学不均匀能够

2、导致热膨胀系数的局部变化，从而产生永久性机械应力。浇铸前通过均化处理，可以使化学组分的变化保持到很低的水平，以至使其对产生机械应力的作用可以忽略不计。1.1退火时产生的机械应力熔炼和浇铸后，玻璃第一次被冷却下来。这种初始的粗退火相对较快，会在玻璃中产生机械应力。对以后的加工，比如切割，应力可能太高，因此，必须要在精密退火过程中减小机械应力。在精密退火过程中，玻璃被加热到应力被完全释放的温度。晶体从固态到液态的转变正好出现于其熔化温度（Tm）。与晶体不同的是，光学玻璃没有固定的熔化温度。光学玻璃是随温度的变化逐步变软或逐步变硬的。玻璃的粘度随温度变化而变化。

3、图1表示玻璃粘度与温度的关系。粘度曲线可以划分成几个特征区段。不同的玻璃到达这些特征区段的温度是不同的。47Focusingonthebest技术中心情报档案处该资料仅供内部交流使用，不得外泄图1：a）玻璃粘度与温度的关系；b）Tg在体积/温度图中的定义从液态转到固态的相变称为―退火温度范围‖。退火温度的上下限温度规定如下：·退火点上限温度：该温度是退火温度的上限温度。在此温度，玻璃开始从固态转变到液态。在这个温度，玻璃中的机械应力15min内就会被完全释放。·应变点温度：该温度是退火温度的下限温度，是玻璃的固化温度。在此温度，玻璃中原有的应力不太可能变化

4、，或被释放，因为玻璃需要花较长时间来逐渐变硬，除非对其进行加热，重新退火。退火温度范围，最常用的温度是转变温度Tg[1]。转变温度就是玻璃―体积/温度‖测量图中，曲线切线延长线的交点对应的温度（见图1b），通常采用测量热膨胀的方法来确定。Tg温度点的粘度一般在1013dPas~1013.6dPas之间。每个牌号玻璃都有自己特有的转变温度。各种牌号的玻璃，Tg值一般在300℃~800℃之间，比如，N-BK7玻璃的Tg值为557℃。从理论上讲，只要在退火温度范围内，在任何温度下应力都能被释放。玻璃的粘度越低，应力释放越快，但玻璃越难处理，因为在自身重量下玻璃容

5、易变形。因此，为了释放应力，通常应把玻璃加热到比转变温度稍高一点的温度。48Focusingonthebest技术中心情报档案处该资料仅供内部交流使用，不得外泄图2表示典型的退火温度曲线。第一阶段玻璃被加热到Tg以上的温度，保温一定时间后开始进行精密退火。玻璃以非常慢的速度冷却到Tg温度以下。当温度远低于Tg时，冷却速度可以加快。退火时间的长短与玻璃的体积大小强相关，大尺寸玻璃需要更长的退火时间。图2：退火温度的时间函数曲线图图3：精密退火过程中的各个典型时间点为了更深入地了解在一个完整的精密退火过程（图3）中不同时间所发生的情况，图4和图5给出了不同时间

6、的温度分布和应力分布情况。49Focusingonthebest技术中心情报档案处该资料仅供内部交流使用，不得外泄图4：升温速度不变，经过不同的时间点后玻璃中的应力与温度分布情况根据图3所给的退火温度程序，图4表示玻璃在升温过程中发生的情况。玻璃在升温过程中产生的应力为压应力。假设在室温（t0）时玻璃有应力分布，表面应力表现为压应力。由于玻璃的热导率低和实用性加热速率的使用，在加热过程中，玻璃中心部位的温度总是比表面温度低。玻璃中心与表面之间的实际温度差值大小与玻璃牌号，几何尺寸和退火速率有关，。退火速率加快，玻璃厚度增加，玻璃中的这种温差也会加大。由于加

7、热过程中的温度分布，压应力也会增加（t1），直到温度升到转变温度为止。在转变温度时，玻璃结构弛豫，变成完全无应力状态（t2）。为了加快应力释放过程和保证玻璃各个部分的温度都达到转变温度，玻璃加热温度要稍微比Tg高。此温度在一定的时间内保持不变（t3），直到玻璃中各处的温度一致为止。50Focusingonthebest技术中心情报档案处该资料仅供内部交流使用，不得外泄图5:冷却过程中，经过不同的时间点后玻璃中的应力与温度分布情况降温冷却阶段是光学玻璃精密退火最关键的阶段（见图5）。冷却过程中，玻璃由于对流或辐射的原因总是通过其表面散发热量。冷却过程中，玻璃

8、中心部分的温度总是比表面温度高。因此，冷却开始（t4）后就会在玻璃