一种轻质表面玻璃化钛金属平面反射镜及一种特种玻璃

摘要

本发明公开了一种轻质表面玻璃化钛金属平面反射镜，该反射镜由钛金属基底、特种玻璃层和反射膜层构成。所述钛金属基底为纯钛(TA1，TA2，TA3)或钛合金(TC1、TC2、TC3、TC4、TC6)，钛基底为平板或为具有轻量化设计的蜂窝状结构，采用机械或激光方法对钛金属基底表面进行加工处理，表面粗糙度0.8－15μm。所述特种玻璃层是厚度为0.2－2.5mm的特种玻璃，其成分为SiO2 25－40wt％，PbO 50－70wt％，R2O 1－5wt％，RO 0－2wt％，As2O3 0.2－0.5wt％，膨胀系数为80－90×10－7/℃。所述反射膜层为在特种玻璃层上真空镀高反射比的金属反射膜。本发明的优点在于特种玻璃与钛金属性能匹配、反射镜面形质量稳定、结构简单、便于装调，应用于航天、航空、兵器等多种领域的光学系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件，具体涉及一种军用光学系统的轻质表面玻璃化钛金属平面反射镜，本发明还涉及该反射镜中使用的特种玻璃配方。

背景技术

随着精密制导、火控、雷达、航天遥感等技术的不断发展，对军用光学系统提出了更高要求，要求反射镜在较宽的电磁波段范围内有很好的成像质量，除了满足光学要求外，还要求增大口径，同时减轻反射镜质量并提高成像稳定性。

目前反射镜主要有：1.玻璃反射镜。这种方案采用玻璃作为反射镜，用环氧树脂较粘接到金属基底上。玻璃是传统的光学材料，具有良好的光学性能以及光学可加工性能，制成的反射镜面形质量可以满足要求。但由于玻璃材料强度和刚性低，所以必须增加厚度以保证材料不变形，因此导致器件体积重量和惯量均较大，装调困难，不适合轻质反射镜。2.铝合金轻质反射镜。由于铝合金的膨胀系数大，易变形，使得光学系统的稳定性差。3.钛合金反射镜。该反射镜在钛金属底座上设置一玻璃层，玻璃为K9玻璃。钛合金密度小、刚性高、并具有良好的热稳定性，是轻质反射镜的理想材料，但由于K9玻璃与钛金属的膨胀系数存在一定差异，使得玻璃产生变形，影响了光学系统稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的以上问题，提供了一种轻质表面玻璃化钛反射镜。

本发明的轻质表面玻璃化钛反射镜，由钛金属基底、特种玻璃层和反射膜层构成，其中所述特种玻璃膨胀系数为80-90×10^-7/℃，软化点为450-650℃。

所述钛金属基底为纯钛TA1、TA2、或TA3，或钛合金TC1、TC2、TC3、TC4、或TC6。钛基底为平板或为具有轻量化设计的蜂窝状结构。

所述特种玻璃层厚度为0.2-2.5mm。钛金属基底表面在加工处理后表面粗糙度0.8-15μm。

本发明另一目的，是提供一种可用于上述反射镜中的特种玻璃。

本发明的特种玻璃，其膨胀系数为80-90×10^-7/℃，软化点为450-650℃。组成为：SiO₂ 25-40wt％，PbO 52.5-70wt％，R₂O 1-5wt％，RO 0-2wt％，As₂O₃ 0.2-0.5wt％，其中R为K、Na Mg、或Ca。

本发明的优点在于特种玻璃与钛金属性能匹配、反射镜面形质量稳定、结构简单、安装方便(可直接与螺钉连接)、装调可靠性高。

附图说明

图1为轻质表面玻璃化钛反射镜的结构示意图。

具体实施方式：

本发明提供了一种轻质表面玻璃化钛反射镜，参见图1所示，该反射镜由钛金属基底1、特种玻璃层2和反射膜层3构成。所述钛金属基底1由纯钛(TA1，TA2，TA3)或钛合金(TC1、TC2、TC3、TC4、TC6)为材料，钛金属基底1为平板或为具有轻量化设计的蜂窝状结构，这种结构使反射镜具有足够的强度，同时减轻了重量；所述特种玻璃层2是厚度为0.2-2.5mm的特种玻璃，膨胀系数与钛金属基底1高度匹配。所述反射膜层3为在特种玻璃层2上真空镀高反射比的金属反射膜。

本发明轻质表面玻璃化钛反射镜加工过程中，采用机械或激光方法对钛金属基底1表面进行加工处理，表面粗糙度0.8-15μm。玻璃层2采用特种玻璃，优选玻璃成分为25-40wt％，PbO 52.5-70wt％，R₂O 1-5wt％，RO 0-2wt％，As₂O₃ 0.2-0.5wt％，R为K、Na Mg、或Ca，膨胀系数为80-90×10^-7/℃，与钛金属膨胀系数高度匹配，软化点为450-650℃。

具体方法是：特种玻璃制备方法采用熔体冷却法，玻璃配合料引入物可为氧化物、碳酸盐或硝酸盐，配合料经充分搅拌，混合均匀，放入氧化铝坩埚或白金坩埚中，在1250-1450℃熔制8-10小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1000-1400℃。退火温度约为400-600℃。钛金属基底需要在表面进行加工处理，表面粗糙度0.8-15μm。将玻璃与金属基底进行表面处理并经特殊高温工艺熔合。烧结后玻璃与金属基底紧密连接成一体。再将玻璃层研磨至0.2-2.5mm并抛光，最后在真空镀膜机中镀高反射金属膜。

实例1：

特种玻璃成分为SiO₂ 25wt％，PbO70wt％，Na₂O1.2wt％，K₂O1wt％，MgO2.0wt％，As₂O₃0.2wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃引入，K₂O用K₂CO₃引入，MgO用碱式碳酸镁引入，其余成分用氧化物引入。引入物采用分析纯化学试剂。将原料充分混合均匀，加入至温度为1260℃的白金坩埚中，熔制时间为10小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1050℃，退火温度为420℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成2mm玻璃板。

采用行业标准测定，该玻璃的膨胀系数为89×10^-7/℃，软化点为460℃。

钛金属基底选用TC4材料，先进行精密加工，表面粗糙度1.6μm。

将玻璃与钛金属基底用酒精和丙酮洗净，进行物理化学处理、表面活化处理：将钛合金基底和玻璃放入电炉中，以3℃/min的升温速度升至400℃，然后保温1小时，再以2℃/min的升温速度升至500℃，然后保温2.5小时，再以10℃/h的速度降温至420℃，保温4小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温，当温度降至室温时出炉，烧结后的反射镜玻璃层与钛合金连接紧密，界面无气泡，玻璃不炸裂。

将玻璃层磨至0.2mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀金属高反射膜，最终制成反射镜。该反射镜面形质量稳定，使用中光学系统稳定性好，符合军用光学系统要求。

实例2：

特种玻璃成分为SiO₂ 40wt％，PbO52.5wt％，Na₂O2.5wt％，K₂O2.5wt％，MgO2.0wt％，As₂O₃0.5wt％，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃引入，K₂O用K₂CO₃引入，MgO用碱式碳酸镁引入，其余成分均用氧化物引入。引入物采用分析纯化学试剂。将原料充分混合均匀，加入至温度为1450℃的白金坩埚中，熔制时间为8小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1350℃，退火温度为550℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成3mm玻璃板。采用行业标准测定，该玻璃的膨胀系数为80×10^-7/℃，软化点为600℃。

钛金属基底选用TA2材料，先进行精密加工，表面粗糙度10μm。

将玻璃与钛金属基底用酒精和丙酮洗净，进行物理化学处理、表面活化处理：将钛合金基底和玻璃放入电炉中，以3℃/min的升温速度升至400℃，然后保温1小时，再以2℃/min的升温速度升至600℃，然后保温2.5小时，再以10℃/h的速度降温至520℃，保温4小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温，当温度降至室温时出炉，烧结后的反射镜玻璃层与钛合金连接紧密，界面无气泡，玻璃不炸裂。

将玻璃层磨至2.5mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀金属高反射膜，最终制成反射镜。该反射镜面形质量稳定，使用中光学系统稳定性好，符合军用光学系统要求。

实例3：

特种玻璃成分为SiO₂ 30wt％，PbO67.2wt％，Na₂O1.5wt％，K₂O0.5wt％，CaO0.5wt％，As₂O₃0.3wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃引入，K₂O用K₂CO₃引入，CaO用CaCO₃引入，其余成分用氧化物引入。引入物采用分析纯化学试剂。将原料充分混合均匀，加入至温度为1350℃的白金坩埚中，熔制时间为10小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1200℃，退火温度为490℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成3mm玻璃板。采用行业标准测定，该玻璃的膨胀系数为84×10^-7/℃，软化点为520℃。

钛金属基底选用TC4材料，先进行精密加工，表面粗糙度15μm。

将玻璃与金属用酒精和丙酮洗净，将钛合金基底进行物理化学处理、表面活化处理，将钛合金基底和玻璃放入电炉中，以3℃/min的升温速度升至400℃，然后保温1小时，再以2℃/min的升温速度升至540℃，然后保温3小时，再以10℃/h的速度降温至400℃，保温4小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温，当温度降至室温时出炉，烧结后的反射镜玻璃层与钛合金连接紧密，界面无气泡，玻璃不炸裂。

将玻璃层磨至1.2mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀金属高反射膜，最终制成反射镜。该反射镜面形质量稳定，使用中光学系统稳定性好，符合军用光学系统要求。

实例4：

特种玻璃成分为SiO₂ 35wt％，PbO63.5wt％，Na₂O1wt％，As₂O₃0.5wt％，其中，PbO用Pb₃O₄引入，Na₂O用Na₂CO₃引入，其余成分用氧化物引入。引入物采用分析纯化学试剂。将原料充分混合均匀，加入至温度为1350℃的白金坩埚中，熔制时间为10小时，并搅拌保证良好的均匀性，浇铸时熔体温度约为1200℃，退火温度为490℃，即可得到玻璃毛坯，再经研磨、抛光制成3mm玻璃板。采用行业标准测定，该玻璃的膨胀系数为85×10^-7/℃，软化点为650℃。

钛金属基底选用TC4材料，先进行精密加工，表面粗糙度14μm。

将玻璃与金属用酒精和丙酮洗净，将钛合金基底进行物理化学处理、表面活化处理，将钛合金基底和玻璃放入电炉中，以3℃/min的升温速度升至400℃，然后保温1小时，再以2℃/min的升温速度升至540℃，然后保温3小时，再以10℃/h的速度降温至400℃，保温4小时后再以10℃/h的速度降温至200℃，停炉降温，当温度降至室温时出炉，烧结后的反射镜玻璃层与钛合金连接紧密，界面无气泡，玻璃不炸裂。

将玻璃层磨至1.5mm并精密抛光，面形达到要求。最后在真空镀膜机中镀金属高反射膜，最终制成反射镜。该反射镜面形质量稳定，使用中光学系统稳定性好，符合军用光学系统要求。

以上实例中由于特种玻璃膨胀系数与钛金属基底高度匹配，因此玻璃层与钛合金在处理中可实现连接紧密，界面无气泡，玻璃不炸裂，为制备得到高品质反射镜提供了保证。