Schott技术资料-31

先进光学事业部
2004年7月
田丰贵2009年1月译
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第31篇：光学玻璃的机械性能和热性能
1 密度
光学玻璃的密度从N-BaK10的2.39到SF66的6.03。

大多数情况下，玻璃的密度越大，其折射率也越高（如：SF 类牌号玻璃）。

玻璃的密度大小主要由其化学组成决定。

转变温度附近的退火条件对密度大小有少量的影响。

由于热膨胀的原因，玻璃的密度随温度增高而减小。

2 弹性模量、剪切模量和泊松比
在低于转变点的温度下，玻璃表现为完全的脆弹性行为。

根据胡克定律，玻璃的弹性形变与胁变应力成正比。

如果一个玻璃条的两端受到胁变应力σ的作用，玻璃条的相对伸长量由下式计算：
l l E
σ
∆= （2-1） E 称为弹性模量（也叫杨氏模量）。

玻璃条的伸长会导致玻璃条横截面的减小。

玻璃条厚
度t 的相对减小量与玻璃条相对伸长量之间的关系称为泊松比，泊松比定义如下：
t l
t l
μ∆∆= （2-2） 玻璃条的扰曲用扰曲模量（也叫剪切模量）G 表示。

E 、G 、μ为各个牌号玻璃的性能参数，其大小与玻璃的化学组成有关。

杨氏模量和剪切模量的单位为N/mm 2，或GPa （1 GPa=103 N/mm 2）。

弹性模量E 、剪切模量G 和泊松比μ，三者之间存在如下关系：
(/2)1E G μ=- （2-3）
杨氏模量采用超声波方法测量，超声波方法测量精退火条形玻璃样品的横向本征回波频率（约1kHz ）。

采用这种方法可以提供绝热弹性模量，测量精度±1%~±2%。

剪切模量是通过确定本征挠曲振荡频率来测量。

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样本数据表中列出的弹性模量和泊松比值为标称值，是在室温下测量的。

光学玻璃弹性模量值的范围从51 GPa（SF66）到126 GPa（N-LASF21）。

一般情况下，含铅玻璃的弹性模量值较小，镧玻璃的弹性模量值较大。

在图2-1中，我们选了3种牌号玻璃，表示其弹性模量与温度的关系。

图2-1：几种光学玻璃的弹性模量与温度的关系
V可由弹性模量、泊松比和密度ρ计算出来：
纵波声速
long
V=（2-4）
long
V可由下式计算：
膨胀波声速
D
V=（2-5）
D
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3 Knoop 硬度
材料抵抗硬物压入其表面的能力用压痕硬度来表示。

硬度测试有多种方法，如：划痕法、磨损法、穿透法等，但这些方法的测量结果都不太准确。

在Knoop 硬度测试中，菱形金刚石压头施加一定的力，压在材料上保持一定时间，然后测量其压痕深度。

菱形金刚石压头交叉对称棱角分别是172.5°和130.0°。

金刚石压头压入玻璃表面时，玻璃表面会出现弹性和塑性变形。

压痕的大小与材料的硬度有关，硬度由材料的化学组成决定。

根据压痕对角线的长度，Knoop 硬度可由下式计算：
21.4233F
HK d
=⋅
（3-1）
国际标准ISO 9385[1]讲述了这种测量方法。

按照这个标准，我们在样本数据表中列出了Knoop 硬度HK 的值，试验力为0.9807N （相当于0.1kgf ），有效测试时间为20s 。

测试是在室温下，在抛光的玻璃表面上进行。

硬度值的数据四舍五入为10HK0.1/20。

显微硬度与试验力的大小有关，增大试验力，值会减小。

一般情况下，网络结构（氧化硅、氧化硼等）含量高的玻璃硬度值较大，钡-镧-硼玻璃（LaK 类和LaSF 类玻璃）硬度最大。

增加碱或铅含量可降低压痕硬度。

4 磨耗度 ISO 12844
玻璃在研磨过程中的表现与许多因素有关。

要很好地定义材料的研磨性能，可能要具体规定研磨过程，不幸的是，我们做不到。

我们发现材料的研磨性能与材料的其它性能，如Knoop 硬度，弹性模量等，并没有有用的相互关系。

由于玻璃的研磨工艺对于具体设计和光学车间的控制是非常重要的，因此，有一定的测量量，可以比较不同玻璃的磨耗度才是有用的。

国际标准ISO 12844[2]规定了这样的测量量。

被测玻璃每个牌号取20个样品，使用标准的金刚石丸片研磨机，在预先设定好的条件下研磨30s 时间。

然后称重并考虑玻璃密度，将被测玻璃的研磨情况与参考玻璃N-SK16的研磨情况进行比较。

磨耗度HG 用下式计算：
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00(/)
100(/)
x x w HG w ρρ=
⋅ （4-1）
式中：x w —5个被测玻璃样品的平均磨损质量；
0w —5个参考玻璃样品的平均磨损质量；
x ρ—被测玻璃的密度； 0ρ—参考玻璃的密度。

磨耗度按表4-1的规定进行分类。

表4-1：磨耗度类别（ISO 12844）
根据这种分类方法，类别低的玻璃磨损量小，类别较高的玻璃磨损量比参考玻璃N-SK16高。

在样本数据表中我们列出了各牌号光学玻璃的磨耗度类别。

5 光学玻璃的强度
在一些特殊应用中，光学玻璃有时候要受到机械应力的影响。

比如，N-BK7玻璃，常常作为高质量的光学材料用作真空容器的观察窗口。

由于大气压力的原因，于是就会在真空容器壁上产生张应力，最大的应力当然在玻璃片的中心部位。

如果玻璃元件遭受到剧烈的温度变化，由于温差的加大和热膨胀的原因，应力就会形成。

当胶合玻璃元件，特别是当粘接材料的热膨胀系数不同时，当有不合适的几何问题时，或当胶粘剂干得太快或硬化得太快时，都有可能在玻璃中产生应力。

其它影响因素还有，比如受力面积的大小，张应力负荷增加的快慢和持续时间的长短，周围介质等。

在应力相同的情况下，应力负荷增加快、持续时间短时，比应力负荷增加慢、持续时间长时，更不利。

水是最不利的周围介质，玻璃在潮湿的环境中比在干燥的环境中脆弱得多。

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在持久负荷作用下，硼冕类毛玻璃的强度值估计为4~6 MPa。

这是一个比较低的值，对许多应用可能都是不适合的。

在这些情况下，必须精确地分析玻璃元件的强度和张应力负荷。

SCHOTT没有做玻璃强度的测试，但可以提供有关强度方面的信息和一些材料规定表面状态的数据。

必要时，我们可以提供这方面信息，同时也请参考参考文献[3]。

6 粘度
在熔化温度与室温之间，玻璃的大概粘度范围为101.5~1020 dPa.s。

在这个粘度范围内，玻璃要经过三个不同的热力学状态（图6-1）。

1. 熔化范围—温度在液态温度以上。

2. 过冷熔体范围—温度在液态温度与固化温度之间。

3. 固化熔体范围—温度在固化温度以下。

图6-1：在结晶和玻璃形成过程中，体积与温度的关系
（Ts=晶体的熔化温度；Tg=玻璃的转变温度）
在熔体的冷却过程中，玻璃的粘度不断增加（1×100—1×104dPa.s）（图6-2）。

粘度在1×104—1×1013 dPa.s之间，能够观察到玻璃从流动状态转变到塑性状态。

1×109 dPa.s以上时，粘度变化非常快。

随着粘度的进一步增加（等于温度降低），为了达到结构平衡，必要的延迟是非常重要的。

在正常冷却条件下，粘度在1×1013 dPa.s范围时，玻璃结构被固化，或叫被―冻结‖。

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在这个粘度下，等待大约15min 后，这种低的流动性足以完全释放玻璃的内应力。

另一方面，玻璃的形状和尺寸也已经完全固定下来，玻璃的脆性（易破裂）完全形成。

在转变范围，玻璃的特性改变，这表明这些特性的温度系数有大的变化。

图6-2：玻璃粘度与温度的关系；重要操作和固定温度点的粘度范围
我们用升温速度为5K/min 的热膨胀曲线的变化来说明这个转变范围，这个转变范围就要经过所谓的转变温度Tg ，ISO 7884-8[4]。

退火点温度1310T ，对于光学玻璃的退火非常重要。

1310T 就是玻璃粘度为1×1013 dPa.s 时的温度。

按照ISO 7884-4[4]的说法，1310T 就是所谓的退火上限温度，转变温度Tg 通常就在1310T 附近。

在均匀加热的情况下，温度高于退火上限温度5~15 K 时，30min 内玻璃的应力就能被消除。

在热处理过程中，如果温度超过1310T -200K 时，光学精加工表面可能就要变形，折射率也要改变。

所谓的软化点EW （7.610T ），指的是玻璃在自身重量的作用下就会变形的粘度范围（比如：玻璃塌陷变形，玻璃粉烧结在一起等）。

7.610T 就是玻璃粘度为1×107.6 dPa.s 时的温度。

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样本数据表中我们列出了转变温度Tg 和由粘度确定的退火温度1310T 、软化温度7.610T [6]。

图6-3中，我们列出了几个牌号玻璃粘度与温度的关系。

图6-3：几个牌号玻璃粘度与温度的关系
7 线膨胀系数
玻璃的长度和体积随温度的增加而增加（线膨胀系数α为正值）。

图7-1表示的这个典型曲线，膨胀从绝对零度，α=0开始。

大约到室温后，膨胀以一定的斜率开始明显增加（A 段），到玻璃可发生塑性变化时，增加的斜率变小（B 段，线性区域）。

由于玻璃结构发生变化，膨胀曲线明显弯曲，明显弯曲属于转变范围C 的特性。

之后，膨胀又开始线性增加，而且增加速度更快。

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图7-1：热膨胀的典型曲线和转变温度Tg 的确定方法
由于热膨胀系数α与温度之间存在这种关系，列出如下两个温度范围的平均线膨胀系数α
是比较合适的：
²α（-30℃；+70℃）：室温范围的膨胀系数。

²α（20℃；300℃）：国际上使用的值。

便于相互比较，用于熔炼工艺和温度变化等。

膨胀系数α（20℃；300℃）大约为4³10-6
/K —16³10-6
/K 。

由于温差（T ∆）引起的玻璃内应力σ，可由下式进行大致的估算；
1E T α
σμ
⋅=
⋅∆- （7-1）
玻璃内应力大小与杨氏模量（E ）和热膨胀系数（α）成正比。

因此，膨胀系数和杨氏模量大的光学玻璃对热冲击非常灵敏，对这类玻璃必须非常小心地处理。

机械加工中，冷却液与玻璃之间的温度差能在玻璃表面产生大的张应力。

玻璃硬度值小可以减轻玻璃裂纹缺陷的产生[5]。

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页码：9/10热冲击最灵敏的光学玻璃牌号是N-FK51，N-PK52A和N-PK51。

8导热系数
室温条件下，玻璃导热系数值的范围从1.38 W/（m²K）(纯石英玻璃)到大约0.5 W/（m²K）(高含铅玻璃)。

最常用的硅酸盐玻璃，其导热系数值在0.9 W/（m²K）到1.2 W/（m²K）之间。

图8-1表示导热系数与温度（到500K）的一般关系。

温度在300℃以上时，玻璃中热传递的热辐射成分开始明显增加。

导热系数与温度的关系增大，玻璃对辐射热的吸收变得更加明显。

样本数据表中列出的导热系数值，测量时的玻璃温度为90℃，导热系数值的精度为±5%。

图8-1：温度0 K~500 K，玻璃导热系数值的范围和基本曲线形状
9比热
作为玻璃性能的一部分，我们在样本数据表中列出了等温平均比热cp（20℃；100℃）值，cp（20℃；100℃）值是根据测量从100℃的热玻璃传递到20℃的液体量热器中的热量测量出来的。

硅酸盐玻璃的cp（20℃；100℃）及cp（20℃）值在0.42 J/（g²K）到0.84 J/（g²K）之间。

温度高于转变温度时，cp值的大小基本上就与温度没有关系了。

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页码：10/10 10结论
在下表中我们列出了光学玻璃的部分机械性能和热性能与聚合物、微晶玻璃、Al2O3陶瓷、钢、铝、金刚石等的比较情况。

11 参考文献
[1] ISO 9385, Glass and glass ceramics – Knoop hardness test, 1990
[2] ISO 12844, Raw optical glass – Grindability with diamond pellets – Test method and
classification, 1999
[3] SCHOTT Technical Information TIE-33: Design strength of optical glass and Zerodur
[4] ISO 7884-8, Glass-Viscosity and viscosimetric fixed points – Determination of annealing
point, part 1-8, 1986
[5] SCHOTT Technical Information TIE-27: Stress in optical glass
[6] SCHOTT Technical Information TIE-32: Thermal loads on optical glass
[7] SCHOTT Optical Glass Pocket Catalogue
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