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和色散性能，其折射率可以通過玻璃的基礎配方進行調整，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中，成為有利于光學設計師設計無色差、無熱散焦的光學系統的理想材料。

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狀，硫系玻璃其有晶體材料所不具備的精密模壓成型的優勢，大批量模壓生產時可以大幅降低加工成本［2-3］。

國內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，在外觀等級、產品口徑及面型精度等取得了進步。

商業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、預型體和模具的設計加工以及模壓成型工藝等技術。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，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。為后續大批量制造提供參考。

1 試驗

1.1 模壓設備

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

圖1 模壓設備

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備的搬送處，由設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施加較小的壓力，保證產品最終面型的穩定；快速冷卻階段，使模具及產品迅速降溫直至產品取出。為了防止玻璃及模具氧化，整個過程是在充滿氮氣無氧環境中進行。

1.2 模壓設計

產品的設計為雙面非球面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；

A4， A6， A8… A2n——非球面系數。

式中各非球面曲線參數的取值如表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。鏡片設計要求：模壓鏡片PV≤0.5 mm。

表1 非球面曲線參數

根據鏡片形狀，進行了模壓設計（圖4（a））、預型體設計（圖4（b））和模壓模具設計。試驗采用湖北新華光信息材料有限公司生產的IRG209牌號硫系玻璃。試驗用預型體設計為球型預型體，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 結果分析

2.1 模壓工藝與鏡片表面疵病關系

DTK模壓機屬于連續式生產方式，所有工位（t1－ t8）時間相等，即模壓成型周期t。根據IRG209硫系玻璃的轉變溫度（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。為了模擬量產條件，模壓設備中投入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，部分產品中心部位出現圈狀坑點。產生不良的原因：高溫模壓條件下，玻璃表面發生化學反應形成揮發性氣體（式（2）、（3）），玻璃中心部位一直接觸模具中心，成型時揮發物在密閉空間匯集擠壓玻璃表面形成圈狀坑點，而其他區域由內至外逐步接觸模具成型面，未形成密閉空間，揮發氣體直接逸出模具腔體，鏡片表面組分揮發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生劃傷，甚至也會出現破裂。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，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

產生該現象的原因：根據應力松弛理論，精密模壓退火過程，玻璃從黏塑彈性體逐漸轉變成彈性體，此時應力松弛的作用僅能消除溫差內應力部分。當玻璃被冷卻到應變溫度以下時，玻璃內所產生的內應力，殘留在玻璃中的內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，玻璃內部分子的熱運動能量小，內部結構基團無法移位抵消由溫差產生的內應力，玻璃結構處于蓬松狀態，玻璃體積膨脹，比重減小。玻璃降溫速率越快，玻璃內部永久應力越大，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據。

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，對于共價鍵物質它為零，對于各項同性離子物質它等于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部產生應力場，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，獲得產品最佳模壓工藝，分析了成型工藝產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 計需求的模壓鏡片。研究中發現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部永久應力使玻璃結構發生變化，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提供了參考。