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作者：

周剑

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摘要：

精密玻璃热压成型技术是一门新兴的快速有效加工光学器件的净成形工艺.在该工艺过程中,首先将经过抛光处理的玻璃毛坯加热到转化点温度之上合适的温度区间内,通过闭合上下模具,将精密模具的形貌复制到软化的玻璃上,然后冷却至室温,直接得到成型的透镜,无需再经过后续处理.该技术适合加工各种光学器件,尤其是非球面透镜,微透镜阵列和衍射光学器件等,具有高效率,低成本,适合批量生产和对环境友好等优点,引起了工业界和学术界广泛的关注和研究兴趣.但是由于冷却过程中透镜的收缩和内部温度场分布不均等原因,成型透镜会存在形貌偏差,残余应力和折射率变化等问题,影响透镜的光学质量.因此需要深入分析工艺参数对成型透镜质量的影响,改善透镜质量,提高生产效率.鉴于近些年来玻璃材料,模具材料,镀层材料等发展的多样性,本文分别以常规的光学玻璃(如G-11,BK7)和红外低熔点玻璃(如As2S3),碳化钨模具和硅模具,不同模具镀层(如石墨烯)等为研究对象,展开了热压成型工艺过程仿真,成型透镜形貌偏差分析,模具和玻璃摩擦系数测量以及应力松弛模型参数测量等关键问题的研究,旨在为精密玻璃透镜热压成型研究提供科学可靠的参考.为了预测成型透镜的质量,以G-11玻璃为材料,全面考虑了玻璃黏弹性材料的应力松弛和结构松弛特性,对平面凸透镜的完整热压过程进行了有限元仿真,得到了热压阶段玻璃透镜的流动变形过程,冷却阶段透镜内部的温度场分布和应力分布,以及最终的形貌偏差.并且通过将透镜的形貌偏差曲线作为模具设计阶段的修正量,对模具进行两次迭代补偿,重复上述有限元分析过程,将透镜的形貌偏差最大值从10μm降到了0.035μm,达到了高精度光学设计的要求.在研究透镜形貌偏差的工艺参数敏感性过程中,首先分析了透镜形貌偏差,模具形貌偏差以及它们之间的间隙,这三个变量之间的数量关系,得到了这些变量在冷却过程中随时间变化的规律曲线.最后研究了冷却过程中的工艺参数,如模具的热膨胀系数,脱模温度,冷却速率和保持力大小,对透镜形貌偏差的影响,优化工艺参数的选择,达到了改善成型透镜质量和提高生产效率的目的.为了测量镀石墨烯的硅模具与BK7玻璃在热压温度范围内的摩擦系数,开展了不同温度下的圆柱压缩实验.首先利用经验公式得到了初步计算结果,然后通过有限元分析得到在不同摩擦系数下圆柱玻璃的高度变化曲线和最终的形状尺寸,与实验结果进行对比,得到了最匹配的摩擦系数结果.不同的计算结果都表明,在660℃-700℃温度区间内,它们之间的摩擦系数在0.20-0.25范围内.本文最后通过开展硫化砷圆柱玻璃样品在三种不同温度下的压缩蠕变实验,得到蠕变柔度函数,并修正补偿摩擦行为对计算结果的影响,分析推导了硫化砷玻璃在转化区间内的应力松弛特性参数.将计算得到的应力松弛特性参数,代入蠕变实验的有限元模型,预测圆柱样品的高度变化,与实验结果十分吻合.并利用Tool-Narayanaswamy-Moynihan结构松弛模型计算了其在不同冷却速率下的折射率变化,这些计算结果为其在热压成型中的应用提供基本的黏弹性数据参考.

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关键词：

玻璃热压成型 有限元分析 残余应力 形貌偏差 折射率下降 应力松弛 结构松弛 硫化砷 摩擦系数

学位级别：

博士

学位年度：

2015

被引量：

1