Ge-Se-Te硫系玻璃非球面精密模壓工藝研究

黃國雅 楊睿 陳超 吳勁松 邱超 吳夢

（湖北新華光信息材料有限公司 襄陽 441057）

0 引言

硫系玻璃屬于非氧化物玻璃，是硫族元素與其它金屬或非金屬化合形成的一種非晶態(tài)玻璃材料［1］。硫系玻璃相比鍺單晶，其含貴重金屬少，相對成本較低。同時，硫系玻璃具有良好的透過率、極低的折射率溫度系數(shù)和色散性能，其折射率可以通過玻璃的基礎(chǔ)配方進行調(diào)整，可同其他的紅外材料配合使用，應用于虛色校正、無熱失焦的紅外光學系統(tǒng)中，成為有利于光學設(shè)計師設(shè)計無色差、無熱散焦的光學系統(tǒng)的理想材料。

另外，相比紅外晶體材料只能采用單點金剛石車削加工非球面的現(xiàn)狀，硫系玻璃其有晶體材料所不具備的精密模壓成型的優(yōu)勢，大批量模壓生產(chǎn)時可以大幅降低加工成本［2-3］。

國內(nèi)外學者開展了大量的非球面研究工作。2003年，法國Umicore公司X.Zhang等率先報道了利用精密模壓技術(shù)成功制得了球面、非球面、甚至帶二元衍射面的硫系鏡片［4］。目前，越來越多的公司開始研究硫系鏡片精密模壓技術(shù)，在外觀等級、產(chǎn)品口徑及面型精度等取得了進步。

商業(yè)大批量需求的硫系模壓鏡片口徑普遍小于15 mm。要獲得高品質(zhì)的硫系模壓鏡片，需要深入了解玻璃材料特性、預型體和模具的設(shè)計加工以及模壓成型工藝等技術(shù)。本文以Ge-Se-Te硫系玻璃為模壓材料，進行非球面光學元件的模壓成型試驗，研究了口徑f10.4 mm非球面鏡片模壓工藝參數(shù)，制得的非球面鏡片滿足應用要求，分析硫系玻璃模壓后玻璃折射率和比重變化的原因。為后續(xù)大批量制造提供參考。

1 試驗

1.1 模壓設(shè)備

試驗采用韓國DTK公司的DTK-LMR-3300A8型模壓設(shè)備（圖1），該設(shè)備為8站式模壓機，設(shè)備模壓室由壓力控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及搬送系統(tǒng)組成。最高模壓溫度700 ℃，最大壓力1 MPa，最大模具直徑60 mm，可以實現(xiàn)多模具連續(xù)生產(chǎn)。

圖1 模壓設(shè)備

模壓工藝流程如圖2所示。

圖2 模壓工藝流程

將裝有預型體的模具放置在設(shè)備的搬送處，由設(shè)備搬送裝置直接推入模壓室，模具將由搬送裝置從第1站移送至第8站，最終獲非球面產(chǎn)品。該成型過程包括：加熱（1至3站）、成型（4站）、退火（5站）、快速冷卻（6至8站）四個過程。在加熱階段，上均熱板下降但不接觸上模，中間間距5～10 mm；成型階段，上均熱板接觸上模，并通過氣缸傳遞一定的壓力，使預型體變形填滿模具腔體；退火階段上均熱板繼續(xù)施加較小的壓力，保證產(chǎn)品最終面型的穩(wěn)定；快速冷卻階段，使模具及產(chǎn)品迅速降溫直至產(chǎn)品取出。為了防止玻璃及模具氧化，整個過程是在充滿氮氣無氧環(huán)境中進行。

1.2 模壓設(shè)計

產(chǎn)品的設(shè)計為雙面非球面ASP1為凹面，ASP2為凸面，非球面示意圖如圖3所示。

圖3 非球面示意圖

非球面公式：

式中：X——X軸坐標值；

R——非球面曲線頂點處曲率半徑；

K——圓錐常數(shù)；

A4， A6， A8… A2n——非球面系數(shù)。

式中各非球面曲線參數(shù)的取值如表1 所示。鏡片為凸凹型，直徑10.4 mm，ASP1 和ASP2 的有效口徑分別為4.1 mm 和9.1 mm，鏡片中心厚度6 mm。鏡片設(shè)計要求：模壓鏡片PV≤0.5 mm。

表1 非球面曲線參數(shù)

根據(jù)鏡片形狀，進行了模壓設(shè)計（圖4（a））、預型體設(shè)計（圖4（b））和模壓模具設(shè)計。試驗采用湖北新華光信息材料有限公司生產(chǎn)的IRG209牌號硫系玻璃。試驗用預型體設(shè)計為球型預型體，直徑為9.04 mm，表面拋光處理達到光學鏡面要求，外觀等級60/40。模壓成型用模具為韓國N18硬質(zhì)材料（圖4（c）），模具表面鍍Ta-C離型膜。圖5為模壓鏡片。

圖4 模壓設(shè)計及模具實物圖

圖5 模壓鏡片

針對模壓成型鏡片，采用泰勒霍普森公司LuphoScan非接觸式輪廓儀檢測模壓鏡片面型精度PV。采用全歐測角儀（SpectroMaster?）檢測硫系玻璃模壓前后折射率。采用“排液失重法”測試硫系玻璃模壓前后比重。

2 結(jié)果分析

2.1 模壓工藝與鏡片表面疵病關(guān)系

DTK模壓機屬于連續(xù)式生產(chǎn)方式，所有工位（t1－ t8）時間相等，即模壓成型周期t。根據(jù)IRG209硫系玻璃的轉(zhuǎn)變溫度（Tg＝190 ℃）和弛垂溫度（Ts＝210 ℃），制定了表2的10種模壓工藝，工藝的差異是成型溫度T4與成型周期t 不同。為了模擬量產(chǎn)條件，模壓設(shè)備中投入10套相同的模具，測試模壓后鏡片PV均值以及鏡片表面疵病的情況。

表2 模壓工藝與成型鏡片檢測結(jié)果

由表2可知，T4溫度偏高時，成型鏡片表面疵病不良嚴重。在11 W日光燈下，模壓鏡片表面呈密集麻點，部分產(chǎn)品中心部位出現(xiàn)圈狀坑點。產(chǎn)生不良的原因：高溫模壓條件下，玻璃表面發(fā)生化學反應形成揮發(fā)性氣體（式（2）、（3）），玻璃中心部位一直接觸模具中心，成型時揮發(fā)物在密閉空間匯集擠壓玻璃表面形成圈狀坑點，而其他區(qū)域由內(nèi)至外逐步接觸模具成型面，未形成密閉空間，揮發(fā)氣體直接逸出模具腔體，鏡片表面組分揮發(fā)形貌缺失形成微小麻點。

T4溫度偏低時，成型鏡片表面劃傷比例較大，同時存在破裂情況。產(chǎn)生這類不良的原因：低溫模壓條件下，玻璃黏度大延展性差，成型擠壓時與模具表面摩擦產(chǎn)生劃傷，甚至也會出現(xiàn)破裂。延長成型周期t，破裂不良改善。

由表2可見，9#工藝模壓鏡片外觀最優(yōu)，為最佳成型工藝，但是該工藝條件下鏡片面型精度PVASP1＝ 2.529 mm（見 圖6（a）），PVASP2＝5.870 mm（見圖6（b））不滿足光學設(shè)計需求。研究中進行一次模具補正，將鏡片面型的偏移量補償在模具上。模具補正后再次使用9#工藝模壓，模壓鏡片的面型精度PVASP1＝0.259 mm（見圖6（c）），PVASP2＝0.206 mm（見圖6（d）），滿足設(shè)計需求。

圖6 模壓鏡片PV值

2.2 模壓前后比重的變化

采用“排液失重法”測試硫系玻璃模壓前后比重變化。模壓前后玻璃比重見表3。模壓后玻璃比重降低，降溫速率越快，比重降低程度越大。

表3 硫系玻璃模壓前后比重

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因：根據(jù)應力松弛理論，精密模壓退火過程，玻璃從黏塑彈性體逐漸轉(zhuǎn)變成彈性體，此時應力松弛的作用僅能消除溫差內(nèi)應力部分。當玻璃被冷卻到應變溫度以下時，玻璃內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)應力，殘留在玻璃中的內(nèi)應力的大小正好為應力松弛的那部分，形成永久應力。該過程中，玻璃內(nèi)部分子的熱運動能量小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基團無法移位抵消由溫差產(chǎn)生的內(nèi)應力，玻璃結(jié)構(gòu)處于蓬松狀態(tài)，玻璃體積膨脹，比重減小。玻璃降溫速率越快，玻璃內(nèi)部永久應力越大，玻璃比重越小。

2.3 模壓前后折射率變化

采用全歐測角儀（SpectroMaster?）測試了硫系玻璃模壓前后折射率，并對比了模壓前后玻璃的折射率數(shù)據(jù)。

圖7為模壓前后玻璃折射率的曲線。模壓后玻璃折射率降低，降溫速度越快，折射率降低程度越大。

圖7 硫系玻璃模壓前后折射率

原因分析：作為光學玻璃，外場變化引起折射率的變化符合方程（4）、（5）：

式中：Γ——部分有效場系數(shù)，對于共價鍵物質(zhì)它為零，對于各項同性離子物質(zhì)它等于4p/3，對于無機玻璃具有極化共價鍵，Γ值介于0和4p/3之間；

n——折射率；

r——玻璃密度；

g——玻璃中離子或原子極化率的總和。

模壓過程硫系玻璃在外場熱急速變化條件下內(nèi)部產(chǎn)生應力場，由于同種玻璃，玻璃中離子或原子極化率不變，玻璃的密度降低，折射率n 降低。

可見，模壓后玻璃的折射率與比重都降低，模壓降溫速度越快，玻璃折射率與比重降低程度越大。

3 結(jié)論

本文開展了Ge-Se-Te硫系玻璃非球面鏡片模壓成型試驗，通過10組工藝試驗，獲得產(chǎn)品最佳模壓工藝，分析了成型工藝產(chǎn)生表面疵病不良的原因。通過一次模具補正，制備出鏡片面型精度為PVASP1＝ 0.259 mm，PVASP2＝0.206 mm滿 足 設(shè) 計需求的模壓鏡片。研究中發(fā)現(xiàn)Ge-Se-Te玻璃模壓后折射率與比重較模壓前降低，且模壓降溫速率越快，模壓鏡片折射率和比重降幅越大，通過松弛理論獲知模壓過程中玻璃內(nèi)部永久應力使玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，玻璃體積膨脹，比重降低。同時由于外場變化，比重降低，折射率也隨之降低。本研究為Ge-Se-Te硫系非球面玻璃模壓生產(chǎn)提供了參考。