摻雜稀土金屬氧化物＋B 2O 3的成像玻璃基片的制備

希日莫

（漳州旗濱玻璃有限公司 漳州 363401）

0 引言

可視化成像技術(shù)新的革新向其配套儀器提出新的要求，推動(dòng)了成像玻璃的發(fā)展，同樣，新品種玻璃的試制成功也往往反過來促進(jìn)了成像技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有的全息成像玻璃基片在成形過程中由于玻璃黏度小，導(dǎo)致成形難度大，存在析晶嚴(yán)重情況，生產(chǎn)成本高，而且生產(chǎn)工藝繁瑣、效率低。因此，研發(fā)一種具有顯著的反射、折射性能的成像玻璃基片，運(yùn)用于各種全息影像技術(shù)中，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原料

可視化全息成像玻璃的配料主要有：硅砂、氧化鋁、白云石、石灰石、純堿、芒硝、碳粉、稀土金屬氧化物、碎玻璃、熔化劑、澄清劑、脫色劑等，主要成分見表1。

表1 全息成像玻璃配料主要成分 %

SiO2是構(gòu)成玻璃骨架的成分，若含量低于50%，玻璃液黏度小，會(huì)導(dǎo)致全息成像玻璃基片產(chǎn)品析晶嚴(yán)重，成形難度大。但其含量太高，玻璃液的黏度太大，不利于玻璃液的熔解，綜合現(xiàn)有窯爐及熔化工藝，故SiO2含量選擇50%～60%。

Al2O3用以提高玻璃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高玻璃的抗劃傷性、抗跌落性。但Al2O3含量過高，難以熔制。Al2O3含量過低，玻璃容易析晶，機(jī)械強(qiáng)度較低不利于成形，故Al2O3含量選擇3%～8%。

CaO是降低高溫黏性并顯著提高熔融性而不使應(yīng)變點(diǎn)降低的成分。而且，CaO具有抑制含Mg的失透結(jié)晶的析出的效果。CaO的含量為5%～8%。若CaO的含量少，則難以有上述效果。另一方面，若CaO的含量多，則鈣長石的失透結(jié)晶容易析出且密度容易上升。

MgO可以降低玻璃熔化溫度，有利于玻璃的熔制，提高玻璃的穩(wěn)定性，抑制玻璃析晶傾向，促進(jìn)離子交換，提高玻璃強(qiáng)化后應(yīng)力強(qiáng)度及深度，但MgO超過一定量會(huì)使玻璃發(fā)生失透，故MgO的含量選擇1%～5%。

Na2O、K2O是化學(xué)強(qiáng)化處理過程中的發(fā)生離子交換的成分。其含量較高時(shí)，會(huì)增加玻璃的膨脹系數(shù)，降低玻璃的機(jī)械性能。隨著K2O的量增加，通過離子交換獲得的壓縮應(yīng)力降低。綜合考慮加入10%～15%的Na2O、1%～3%的K2O。

B2O3能降低玻璃液黏度，改善玻璃脆性、韌性和光透過率。B2O3降低了玻璃的脆性，使玻璃不易發(fā)生失透，且易于玻璃化。經(jīng)過調(diào)試，B2O3含量為0～5%。

通過在玻璃成分中引入適量的La2O3、 Y2O3、Gd2O3等稀土金屬氧化物，可以使玻璃具有一定的折射率和光學(xué)性能，可用于全息成像元件的生產(chǎn)制作中。但是，由于La2O3、 Y2O3、 Gd2O3等是離子半徑大的網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，加之La3+、 Y3+、Gd3+等的場(chǎng)強(qiáng)較大有強(qiáng)烈的積聚作用，促使玻璃分相和析晶，所以La2O3、 Y2O3、 Gd2O3成分含量過高時(shí)，會(huì)使玻璃液黏度減小，導(dǎo)致玻璃產(chǎn)品析晶嚴(yán)重，而且成本也相應(yīng)增高，所以其含量控制在1%～10%。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，若SiO2、 B2O3和稀土金屬氧化物的含量滿足：8.5＞SiO2/（稀土金屬氧化物+B2O3）＞3.3，使全息成像玻璃液的黏度，透明性、折射率、色散系數(shù)等光學(xué)性能，化學(xué)穩(wěn)定性、熱學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等性能均達(dá)到最佳，用于全息成像效果最好。

一般全息成像玻璃中SiO2含量較低，玻璃液黏度小，導(dǎo)致玻璃產(chǎn)品析晶嚴(yán)重。通過調(diào)節(jié)La2O3、 Y2O3、 Gd2O3與 SiO2比 例，提 高SiO2含 量，降低La2O3、 Y2O3、 Gd2O3成分含量，使得成像玻璃液黏度適中，降低了玻璃熱成形難度，減少玻璃析晶現(xiàn)象的發(fā)生，降低了成像玻璃基片生產(chǎn)成本。在此基礎(chǔ)上，又通過引入Al2O3及 B2O3成分，成像玻璃基片熱穩(wěn)定度高，機(jī)械強(qiáng)度高。

2 原料的穩(wěn)定性

在玻璃生產(chǎn)工藝中，要保證“四大穩(wěn)”，即原料穩(wěn)、燃料穩(wěn)、熔化穩(wěn)、成形穩(wěn)，其中原料穩(wěn)是“四大穩(wěn)”重中之重。原料穩(wěn)，指生產(chǎn)玻璃前段，必須做好原料成分、顆粒度、原料無污染（主要指鐵屑等雜質(zhì)）的工序管控，根據(jù)生產(chǎn)的基本玻璃組分計(jì)算出熔化100 kg玻璃液所需的各種原料的用量，然后再算出每副配合料實(shí)際所要稱取的各種原料的用量后，精確稱量各原料，經(jīng)混合機(jī)混合由皮帶輸送至熔窯。成像玻璃原料配料輸送工藝流程如圖1所示。

圖1 全息成像玻璃原料配料輸送工藝流程圖

為盡可能減少原料加工、皮帶機(jī)輸送過程中鐵質(zhì)設(shè)備引入的雜質(zhì)鐵，將原料與鐵質(zhì)設(shè)備隔離，設(shè)置用于去除機(jī)械雜質(zhì)鐵的除鐵器和金屬探測(cè)器。

3 全息成像玻璃生產(chǎn)工藝

3.1 熔窯結(jié)構(gòu)

玻璃熔窯結(jié)構(gòu)包括：投料系統(tǒng)、熔制系統(tǒng)、熱源供給系統(tǒng)、廢氣余熱利用系統(tǒng)、排煙供氣系統(tǒng)等。具體有加料口、前臉墻、小爐、蓄熱室、熔化池、卡脖、工作池、通道等結(jié)構(gòu)，如圖2所示。將其池底加深100～300 mm，池底不同部位設(shè)置多級(jí)臺(tái)階，以加強(qiáng)玻璃液的對(duì)流和控制玻璃液回流。

圖2 熔窯成像玻璃配料熔化澄清流程示意圖

3.2 電輔助加熱

設(shè)計(jì)電輔助加熱系統(tǒng)裝備，電輔助加熱總功率4000 kW。從熔窯底部安裝，分三個(gè)區(qū)域，1區(qū)位于投料池和1#小爐之間，安裝8組50 mm電極；2區(qū)位于2#和 3#小爐之間，安裝8組50 mm電極；3區(qū)在4#小爐的立柱附近，安裝12組50 mm電極?？刂品绞剑汉愎β?，可調(diào)。

3.3 投料系統(tǒng)

玻璃熔化熱點(diǎn)溫度應(yīng)保持在l560～l760 ℃。熱點(diǎn)的位置控制在4#小爐稍前的位置，以保證配合料有足夠的熔化時(shí)間和穩(wěn)定性，保持在熔窯前段有較強(qiáng)的對(duì)流，防止“跑料”。熱點(diǎn)與1#小爐的溫差一般應(yīng)保持在100 ℃左右（如1480 ℃ ）。防止大量的氣泡析出，拉引量由680 t/d降至580 t/d，使得熔化溫度降低，有效控制玻璃液的熔化工藝制度。同時(shí)正確使用冷卻部稀釋風(fēng)，將流道溫度穩(wěn)定控制在±1 ℃范圍內(nèi)。密切監(jiān)視投料口（加料口）情況（圖3），熔窯玻璃熔化均勻性（泡界限）情況（圖4）。

圖3 玻璃配合料的投料口示意圖

圖4 玻璃配合料的熔化熱點(diǎn)示意圖

4 摻雜稀土金屬氧化物＋B 2O 3的成像玻璃基片的制備

（1）摻雜稀土金屬氧化物+B2O3的全息成像玻璃基片制備方法如下：將原料組分送入熔窯中發(fā)生熔化反應(yīng)，熔化溫度為1450～1580 ℃，澄清溫度1400～1450 ℃，經(jīng)冷卻部冷卻后經(jīng)過流道送入錫槽成形。錫液溫度為590～790 ℃，錫槽空間溫度為570～950 ℃，通過錫槽冷卻裝置、拉邊機(jī)等設(shè)備減少玻璃橫向溫差，將玻璃加工成需要的厚度、寬度，玻璃拉引速度為650～780 m/h。

（2）半成形的玻璃帶從過渡輥臺(tái)進(jìn)入退火窯，玻璃帶在500～550 ℃、420～490 ℃、270～320 ℃溫度下退火，退火完成后在橫切工段切裁出不同規(guī)格的全息成像玻璃基片，進(jìn)一步加工成各種光學(xué)全息玻璃元件。

（3）退火窯的作用是在玻璃液冷卻至室溫的過程中逐漸控制溫度以防止熱沖擊（玻璃斷裂），玻璃主要在500～550 ℃釋放95%永久應(yīng)力，420～490 ℃釋放5%永久應(yīng)力，低于此溫度后，玻璃永久應(yīng)力固定。所以在此兩溫度區(qū)間先均熱慢冷，消除玻璃內(nèi)部溫差，充分釋放內(nèi)部應(yīng)力。待內(nèi)部應(yīng)力釋放完全，永久應(yīng)力固定后，再快速冷卻，中間270～320 ℃作為緩沖過渡階段，防止過于快速冷卻產(chǎn)生的臨時(shí)應(yīng)力過大從而導(dǎo)致玻璃炸裂。一般玻璃的退火溫度受成分影響會(huì)有差別，退火需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

（4）工業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)實(shí)例

① 選擇5個(gè)組合配方，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 生產(chǎn)全息成像玻璃配料成分 %

② 生產(chǎn)溫度控制

原料進(jìn)入熔窯后，在1540～1560 ℃下熔化反應(yīng)，1435～1445 ℃澄清，經(jīng)冷卻部進(jìn)入錫槽，拉引速度740～760 m/h，經(jīng)拉邊機(jī)工作成形，玻璃帶進(jìn)入退火窯退火。經(jīng)510～530 ℃，440～480℃，280～300 ℃退火工序后，經(jīng)裁切可得到成像玻璃基片。

③ 五組配方產(chǎn)品檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 成像玻璃基片產(chǎn)品性能

5 結(jié)語

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上存在的缺陷，克服關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸，摸索出合理的玻璃原料配方，確定特定的玻璃新的熔制、成形、退火等生產(chǎn)工藝。通過摻雜稀土金屬氧化物+B2O3調(diào)整工藝參數(shù)，制備了黏度適中，易成形加工的優(yōu)質(zhì)成像玻璃基片，玻璃基片內(nèi)應(yīng)力小，生產(chǎn)穩(wěn)定性高。