1、 技 術 資 料先進光學事業部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：1/10第31篇：光學玻璃的機械性能和熱性能1 密度光學玻璃的密度從N-BaK10的2.39到SF66的6.03。大多數情況下，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組成決定。轉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變點的溫度下，玻璃表現為完全的脆彈性行為。根據胡克定律，玻璃的彈性形變與脅變應力成正比。如果一個玻璃條的兩端受到脅變應力的作用，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，其大小與玻璃的化學組成有關。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 資 料先進光學事業部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：2/10樣本數據表中列出的彈性模量和泊松比值為標稱值，是在室溫下測量的。光學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系。圖2-1：幾種光學玻璃的彈性模量與溫度的關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 資 料先進光學事業部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果都不太準確。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，玻璃表面會出現彈性和塑性變形。壓痕的大小與材料的硬度有關，硬度由材料的化學組成決定。根據壓痕對角線的長度，Knoop硬度可由下式計算： （3-1）國際標準ISO 93851講述了這種測量方法。按照這個標準，我們在樣本數據表中列

5、出了Knoop硬度的值，試驗力為0.9807N（相當于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行。硬度值的數據四舍五入為10HK0.1/20。顯微硬度與試驗力的大小有關，增大試驗力，值會減小。一般情況下，網絡結構（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與許多因素有關。要很好地定義材料的研磨性能，可能要具體規定研磨過程，不幸的是，我們做不到。我們發現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、關系。由于玻璃的研磨工藝對于具體設計和光學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。國際標準ISO 128442規定了這樣的測量量。被測玻璃每個牌號取20個樣品，使用標準的金剛石丸片研磨機，在預先設定好的條件下研磨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的研磨情況進行比較。磨耗度HG用下式計算：SCHOTT用智慧制造玻璃技 術 資 料先進光學事業部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量；5個參考玻璃樣品的平均磨損質量；被測玻璃的密度；參考玻璃的密度。磨耗度按

7、表4-1的規定進行分類。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。在樣本數據表中我們列出了各牌號光學玻璃的磨耗度類別。5 光學玻璃的強度在一些特殊應用中，光學玻璃有時候要受到機械應力的影響。比如，N-BK7玻璃，常常作為高質量的光學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生張應力，最大的應力當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，應力就會形成。當膠合玻璃元件，特別是當粘接材料的熱膨脹系數不同時，當有不合適的幾何問題時，或當膠粘劑干得太快或硬化得太快時，都有可能在玻璃中產生應力。其它影響因素還有，比如受力面積的大小，張應力負荷增加的快慢和持續時間的長短，周圍介質等。在應力相同的情況下，應力負荷增加快、持續時間短時，比應力負荷增加慢、持續時間長時，更不利。水是最不利的周圍介質，玻璃在潮濕的環境中比在干燥的環境中脆弱得多。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術 資 料先進光學事業部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：5/10在持久負荷作用下，硼冕類毛玻璃的強度值估計為46 MPa。這是一個比較低的值，對許多應用可能都

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度和張應力負荷。SCHOTT沒有做玻璃強度的測試，但可以提供有關強度方面的信息和一些材料規定表面狀態的數據。必要時，我們可以提供這方面信息，同時也請參考參考文獻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，玻璃要經過三個不同的熱力學狀態（圖6-1）。1. 熔化范圍溫度在液態溫度以上。2. 過冷熔體范圍溫度在液態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：在結晶和玻璃形成過程中，體積與溫度的關系 （Ts=晶體的熔化溫度；Tg=玻璃的轉變溫度）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轉變到塑性狀態。1×109 dPa.s以上時，粘度變化非?？?。隨著粘度的進一步增加（等于溫度降低），為了達到結構平衡，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，玻璃結構被固化，或叫被“凍結”。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術 資 料先進光學事業部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

11、應力。另一方面，玻璃的形狀和尺寸也已經完全固定下來，玻璃的脆性（易破裂）完全形成。在轉變范圍，玻璃的特性改變，這表明這些特性的溫度系數有大的變化。圖6-2：玻璃粘度與溫度的關系；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變范圍，這個轉變范圍就要經過所謂的轉變溫度Tg，ISO 7884-84。退火點溫度，對于光學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內玻璃的應力就能

12、被消除。在熱處理過程中，如果溫度超過-200K時，光學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 資 料先進光學事業部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：7/10樣本數據表中我們列出了轉變溫度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系。圖6-3：幾個牌號玻璃粘度與溫度的關系7 線膨脹系數玻璃的長度和體積隨溫度的增加而增加（線膨脹系數為正值）

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），到玻璃可發生塑性變化時，增加的斜率變?。˙段，線性區域）。由于玻璃結構發生變化，膨脹曲線明顯彎曲，明顯彎曲屬于轉變范圍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 資 料先進光學事業部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變溫度Tg的確定方法由于熱膨脹系數與溫度之間存在這種關系，列出如下兩個溫度范圍的平均線膨脹系數是比較合適的：·（-30；+70）：室溫范圍的膨脹系數。·（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（20；300）大約為4×10-6/K16×10-6/K。由于溫差（）引起的玻璃內應力，可由下式進行大致的估算； （7-1）玻璃內應力大小與楊氏模量（E）和熱膨脹系數（）成正比。因此，膨脹系數和楊氏模量大的光學玻璃對熱沖擊非常靈敏，對這類玻璃必須非常小心地處理。機械加工中，冷卻液與玻璃之間的溫度差能在玻璃表面產生大的張應力。玻璃硬度值小可以減輕玻璃裂紋缺陷的產生5。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術 資 料先進光學事業部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玻璃牌號是N-FK51

15、，N-PK52A和N-PK51。8 導熱系數室溫條件下，玻璃導熱系數值的范圍從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，其導熱系數值在0.9 W/（m·K）到1.2 W/（m·K）之間。圖8-1表示導熱系數與溫度（到500K）的一般關系。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。導熱系數與溫度的關系增大，玻璃對輻射熱的吸收變得更加明顯。樣本數據表中列出的導熱系數值，測量時的玻璃溫度為90，導熱系數值的精度為±5%。圖8-1：溫度0 K500 K，玻璃導熱系數值的范圍和基

16、本曲線形狀9 比熱作為玻璃性能的一部分，我們在樣本數據表中列出了等溫平均比熱cp（20；100）值，cp（20；100）值是根據測量從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。溫度高于轉變溫度時，cp值的大小基本上就與溫度沒有關系了。SCHOTT用智慧制造玻璃技 術 資 料先進光學事業部2004年7月田豐貴2009年1月譯頁碼：10/1010 結論在下表中我們列出了光學玻璃的部分機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、。物質名稱密度g/cm3楊氏模量GPa導熱系數W/mK熱膨脹系數10-6/K聚合物1 20.1 100.1 120 500光學玻璃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