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CN110698062B - 一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃 - Google Patents

一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃 Download PDF

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CN110698062B CN201911024167.0A CN201911024167A CN110698062B CN 110698062 B CN110698062 B CN 110698062B CN 201911024167 A CN201911024167 A CN 201911024167A CN 110698062 B CN110698062 B CN 110698062B
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Abstract

本发明涉及一种新型光学玻璃，特别是涉及一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃。解决现有具有耐辐照性能的光学系统重量及体积较大的问题，在宽谱带范围内(300nm～2000nm)具有高的光学透过率(可达90％)，低折射率低色散的特点，折射率nd值为1.515873～1.516834，色散值为0.0065～0.0073，且具有高的耐辐照性能，可承受1×104rad(Si)～1×105rad(Si)伽玛射线辐照，辐照剂量率为40rad(Si)/s。可取代现有技术中负透镜玻璃材料，其特殊色散性能不但利于消除光学系统的色差和球差，而且更利于高分辨率航天器件的轻量化和小型化。

Description

一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃
技术领域
本发明涉及一种新型光学玻璃，特别是涉及一种耐辐射氟磷酸盐光学玻璃。
背景技术
光学系统在空间运行时，因遭遇较高能量的电磁辐射，如紫外线、χ-射线、γ-射线等，系统中的光学玻璃材料产生诱导色心，引起玻璃着色，严重时整个系统的透过率快速衰减甚至不透光，极其恶化了光学系统的成像质量，使得卫星控制系统无法探测到有效的恒星目标而导致整星控制系统失效，无法为卫星系统提供长期稳定的飞行姿态控制。
采用具有耐辐照特性的同等光学常数的耐辐射光学玻璃，以取代同牌号普通光学玻璃材料，可以显著提升光学系统的辐照性能，大大延长光学系统在空间的使用寿命。光学系统通常采用正负透镜相互组合来消除系统色差(如CN101995643、CN102354042)。其中负透镜玻璃材料多为一组或多种具有耐辐照特性的火石玻璃(属于高折射率高色散材料)构成。但此类光学系统重量及体积较大，不利于高分辨率轻量化航天器件运行。若用一种具有耐辐照特性的低折射率低色散玻璃材料，来取代上述负透镜玻璃材料，那么利用该种材料的特殊色散性能不但利于消除光学系统的色差和球差，而且更利于高分辨率航天器件的轻量化和小型化。
发明内容
为了解决现有具有耐辐照性能的光学系统重量及体积较大的问题，本发明提供一种耐辐射氟磷酸盐玻璃的组成及其制备方法，用这种具有耐辐照特性的低折射率低色散玻璃材料，来取代现有技术中负透镜玻璃材料，其特殊色散性能不但利于消除光学系统的色差和球差，而且更利于高分辨率航天器件的轻量化和小型化。
本发明的技术解决方案是提供一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃，其特殊之处在于：它具有低折射率低色散特性，有助于消除光学系统的色差和球差，它的折射率nd值为1.515873～1.516834，色散值为0.0065～0.0073；
该种玻璃材料的组成以重量百分比wt％所示如下表：
Figure GDA0002644316380000021
上述组成中偏磷酸盐以Ba(PO3)2为主，可以部分用Ca(PO3)2、Mg(PO3)2、KPO3、NaPO3替换Ba(PO3)2、Al(PO3)3和LiPO3，但比例为不超过14wt％。Ba(PO3)2会提升材料的抗失透性能，同时使玻璃材料的紫外本征吸收截止波长向短波长方向移动。Al(PO3)3折射率较低，阿贝数较大，它的引入使得玻璃的紫外部分色散较低。氟磷玻璃中组分以偏磷酸盐为主时，玻璃网络结构则是以磷氧四面体PO4为主，加入适量的氟化物，如AlF3、BaF2、SrF2、ZnF2、LiF可改善玻璃网络结构，提高玻璃的稳定性，利于抑制玻璃的失透。玻璃网络结构会随F/P比例的不同和引入的阳离子的不同有很大的变化，如形成(PO3)F或者POnF4-n。
CeO2作为稳定剂加入玻璃中可显著提升光学材料的耐辐照性能。其本质原因就在于光学玻璃在受到高能辐射作用后，高速运动的电子首先与Ce4+离子作用，形成Ce3+离子，即Ce4++e→Ce3+，从而降低了玻璃微结构中缺陷的形成。而F-离子的存在(因氟化物的引入)利于提高玻璃中Ce4+/Ce3+浓度比。
本发明上述较适宜的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000022
Figure GDA0002644316380000031
本发明上述较适宜的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000032
本发明上述较适宜的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000033
Figure GDA0002644316380000041
本发明上述较适宜的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000042
本发明上述较优的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000043
Figure GDA0002644316380000051
本发明上述较优的组成按重量百分比计含有：
Figure GDA0002644316380000052
氟磷玻璃在熔炼过程中存在着高温挥发，易使成分发生变化，所以熔制过程中需要考虑一定的补偿量。为得到性能一致的高质量耐辐射氟磷酸盐玻璃，熔制工艺参数的制定非常关键。因此，本发明还提供一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃的制备方法，按组成配比称取上述原料混合均匀，待到熔炉温度升至780～950℃，将混合料分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料熔化，加热时长1h～1.5h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h～1.5h；炉温降至600～700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行精密退火处理，其中升温速率为1.0～2.5℃/min，升温至450℃～500℃保温4h～5h，然后以1.0～2.0℃/min降至室温。经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃试样。样品经测试所得折射率nd值为1.515873～1.516834，色散值υd为0.0065～0.0073。
进一步地，步骤二中坩埚熔炉温度为850℃；原料化合物加热时长1.5h；玻璃液搅拌、澄清、均化时间为1h；步骤三中炉温降至650℃；退火工艺中升温速率为1.5℃/min，450℃保温5h，后以1.0℃/min降至室温。
本发明的优点在于：
本发明提供的耐辐射氟磷酸盐玻璃在宽谱带范围内(300nm～2000nm)具有高的光学透过率(可达90％)，低折射率低色散的特点，折射率nd值为1.515873～1.516834，色散值为0.0065～0.0073，且具有高的耐辐照性能，可承受1×104rad(Si)～1×105rad(Si)伽玛射线辐照，辐照剂量率为40rad(Si)/s。可取代现有技术中负透镜玻璃材料，其特殊色散性能不但利于消除光学系统的色差和球差，而且更利于高分辨率航天器件的轻量化和小型化。
附图说明
图1为实施例十一氟磷酸盐玻璃(不含CeO2)和耐辐射氟磷酸盐玻璃(含CeO2)的透过率曲线；
图2为耐辐射氟磷酸盐玻璃(含CeO2)50Krad(Si)γ射线辐照剂量前后的透过率曲线；
图3为耐辐射氟磷酸盐玻璃(含CeO2)100K rad(Si)γ射线辐照剂量前后的透过率曲线；
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000071
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取800g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚熔炉温度升至780℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至600℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为1.0℃/min，升温至450℃保温4h，然后以1.0℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516834，色散值为0.006837。
实施例二
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000072
Figure GDA0002644316380000081
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至800℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1.5h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至650℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为1.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以1.2℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.515873，色散值为0.007041。
实施例三
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000082
Figure GDA0002644316380000091
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至850℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1.5h；
步骤三、降温至680℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为1.5℃/min，升温至500℃保温4h，然后以1.5℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516527，色散值为0.007308。
实施例四
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000092
Figure GDA0002644316380000101
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至880℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至680℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.0℃/min，升温至500℃保温5h，然后以1.5℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516294，色散值为0.006574。
实施例五
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000102
Figure GDA0002644316380000111
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至900℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.0℃/min，升温至450℃保温4h，然后以1.5℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.515943，色散值为0.006994。
实施例六
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000112
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至900℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以1.5℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516029，色散值为0.006599。
实施例七
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000121
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至950℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以1.5℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.515982，色散值为0.006729。
实施例八
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000131
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至950℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以2.0℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516829，色散值为0.007159。
实施例九
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000141
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至950℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以2.0℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516432，色散值为0.006825。
实施例十
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000151
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至950℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以2.0℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
本实施例所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.516357，色散值为0.007036。
实施例十一
本实施例玻璃的组成如下：
Figure GDA0002644316380000161
该实施例通过下述方法制备耐辐射氟磷酸盐玻璃：
步骤一、按组成配比称取850g上述原料化合物，并混合均匀；
步骤二、待到坩埚溶炉温度升至950℃，将步骤一混合均匀的原料化合物分多次逐步加入氧化铝坩埚中，并盖上盖让原料化合物熔化，加热时长1h；然后不断搅拌、澄清、均化玻璃液1h；
步骤三、降温至700℃后，浇注于模具内，浇注完成后进行退火处理，其中升温速率为2.5℃/min，升温至450℃保温4h，然后以2.0℃/min降至室温，经光学冷加工后得到氟磷酸光学玻璃。
由上述表格可以看出：通过调整玻璃组成，本发明所研制的氟磷酸盐玻璃具有高的耐辐射性能，其折射率nd值为1.515873～1.516834，色散值为0.0065～0.0073。如图1所示，本发明实施例十一提供的氟磷酸盐玻璃(不含CeO2)与其他实施例提供的氟磷酸盐玻璃(含CeO2)在宽谱带范围内(300nm～2000nm)具有高的光学透过率(可达90％)；从图2和图3可以看出，本发明提供的耐辐射氟磷酸盐玻璃(含CeO2)具有高的耐辐照性能，可承受1×104rad(Si)～1×105rad(Si)伽玛射线辐照，辐照剂量率为40rad(Si)/s。

Claims (2)

1.一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃，其特征在于：折射率nd值为1.515873，色散值为0.007041；
组成以重量百分比wt％所示如下表：
Figure FDA0002665290130000011
2.一种耐辐射的氟磷酸盐玻璃，其特征在于：折射率nd值为1.516294，色散值为0.006574；
组成以重量百分比wt％所示如下表：
Figure FDA0002665290130000012
Figure FDA0002665290130000021
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