重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种主要用于空间高/低轨道、远太空的长寿命光学载荷透射式或折返式空间光学系统的重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法。本发明专利技术所提供的耐辐照光学玻璃的原料成分及质量配比为：26‑38％的SiO2、0.5‑1.8％的Na2O、0.9‑4.8％的K2O、0.42‑2％的ZnO、54.2‑70％的PbO、0.3‑1％的La2O3、0.45‑1.3％的辐照稳定剂；所述辐照稳定剂为CeO2和/或Sb2O3。本发明专利技术具有远优于《GB 903‑87无色光学玻璃》规定的500系列对应牌号耐辐射玻璃的空间辐照耐受能力；能够满足空间光学星敏感器光学系统长期在轨、耐受15～25年空间累积辐照总剂量的使用要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种主要用于空间高/低轨道、远太空的长寿命光学载荷透射式或折返式空间光学系统的重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法。
技术介绍
航天空间星载光学星敏感器通过长期、定姿凝视恒星，将星空成像在探测器上，获取空间航天飞行器的精确位置和姿态信息，对空间飞行器的姿态调控起到关键作用，是月球探测、深空探测和高轨道卫星导航定位等重大航天科技活动任务成败的关键之一。设计应用高可靠性、长期在轨有效工作或超预期服役的长寿命空间光学星敏感器，必然能给航天科技研究活动带来巨大的收益。星载光学星敏感器等类似航天空间光学载荷在高/低轨道、远太空空间环境中工作运行时，光学系统必然会遭受空间环境中高能量射线和粒子的电磁辐射累积效应。普通光学玻璃构成的光学镜头系统，在空间辐射累积效应下，因光学玻璃材料形成色心缺陷、吸收可见光而引起光学镜头系统着色，光学系统的透过率下降，造成成像质量降低；空间辐射剂量累积过大最终将导致光学系统失效。这极大地影响光学星敏感器的姿态测量精度和高可靠性及使用寿命。与此类似，用于空间高/低轨道、远太空的长寿命光学载荷透射式或折返式空间光学系统都面临上述空间辐照诱导的性能衰退问题。除去这些空间光学载荷内图像传感器、信号处理单元中使用元器件的寿命因素外，空间光学系统的使用寿命主要与其光学系统设计采用光学玻璃材料的耐辐照性能密切相关。普通牌号光学玻璃设计构成的光学星敏感器光学系统，已无法满足目前高轨道空间环境下长寿命(在轨寿命10～15年及以上)、高可靠性工作要求，只适合于短期或近地轨道服役的探测器和卫星导航定位系统等。而为了防止光学系统性能衰退、保证成像质量及定位精度，短期或近地轨道用空间星敏感器光学系统已更多趋于使用具有耐辐照性能的光学玻璃替代普通牌号光学玻璃，进行空间光学载荷的抗辐照性能加强设计。耐辐照光学玻璃选择性采用变价离子掺杂，在受到高能辐射照射时，变价离子首先俘获电子避免了玻璃材料中产生着色中心，可提高光学玻璃对高能辐射的辐照稳定性。能够改善玻璃辐照稳定性的有Ce4+、Cr3+、Mn4+、As5+、Sb5+、Fe3+以及某些其他的变价离子。但Cr3+、Mn4+、Fe3+等离子在紫外或可见光波段存在吸收，其本身着色影响可见光光谱短波透过性，在耐辐照光学玻璃中很少采用。较为常用的离子有Ce4+、Sb5+，前者对提高玻璃的可见光区域耐辐照性能效果显著，后者则对改善玻璃的近红外光谱区的耐辐照性能效果更佳。美、德、日、法等国针对其航天工程及太空计划建立了相配套的空间耐辐照光学玻璃产品研制生产能力。例如，采用耐辐照光学玻璃材料进行光学系统的辐射加强后，美国BallAerospace&Technologies公司的CT-601星敏感器使用寿命可达12～15年，而德国JenaOptronik公司的ASTRO型长寿命星敏感器耐辐照光学系统GEO工作寿命最长可达25年。主要采用耐辐照光学玻璃设计其探测光学透镜系统的美国罗塞塔号彗星探测器，在空间运行12年仍然光学性能未退化。朱诺号木星探测器经受严苛的空间辐射环境中飞行5年考验后，顺利进入木星轨道，继续执行木星辐射场绕飞探测。国内，此前尚无可达类似长寿命空间环境工作的光学探测系统，主因是缺少长寿命空间光学系统设计所必需的高品质耐辐照光学玻璃材料。目前，国内使用的耐辐照光学玻璃材料大部分依赖肖特公司的7种进口耐辐照光学玻璃产品。这些耐辐照光学玻璃产品只适用于近地轨道光学系统，最大使用寿命为5～10年，且与同牌号普通光学玻璃的折射率、阿贝数等光性指标存在一定差异。2010年，肖特公开股份有限公司含铅太空玻璃专利技术专利(CN101928103A)中公开了折射率分布在1.52～1.65范围的耐辐照光学玻璃；玻璃中PbO含量较低，其质量百分含量为25～50％，且含有大量的SiO2，所以材料的折射率不高。而且，玻璃中包含CeO2、MoO3、Bi2O3、WO3、Ag2O、SnO2、Sb2O3和As2O3中至少三种掺杂剂，掺杂剂的总和至少为太空玻璃的0.1wt％，还具有含量高于500ppm、但不超过1wt％的TiO2。该含铅硅酸盐体系的耐辐照玻璃中由于添加多种变价离子掺杂剂，Bi、Ag、Sn离子被辐照后可能析出金属单质而使玻璃着色，并且引入多种掺杂剂使玻璃熔制时材料的折射率控制难度大大增加，且耐辐照性能及机理更为复杂，玻璃制备成本也随之增加。国内，目前仅见成都光明光电信息材料有限公司所申请的两项耐辐照光学玻璃专利，也均为Na2O-K2O-SiO2-PbO体系含铅耐辐照光学玻璃。专利ZL03117435.3中的耐辐照光学玻璃中PbO质量百分含量为45～53％，SiO2质量百分含量为40～45％，折射率为1.6450-1.6500，耐辐照性能参数△D1/cm≤0.080，池炉熔炼的玻璃条纹度最高为B级。另一专利ZL03117489.2中所述的一种耐辐照光学玻璃的PbO质量百分含量为36～45％，SiO2质量百分含量为40～48％，玻璃折射率为1.61409-1.61309，耐辐照性能参数△D1/cm为0.016。可见，国内外可供使用的耐辐照光学玻璃品种较为单一，造成材料的折射率分布范围窄，使得长寿命航天空间载荷光学系统的设计与抗辐照性能提升受制于可选用的光学玻璃材料的种类与光性参数，高性能空间光学系统的设计难度自然增大，已严重制约了我国长寿命空间光学系统与空间光学载荷技术的发展能力。因而，亟需研制高品质耐辐照光学玻璃，扩展产品种类，丰富耐辐照光学玻璃的折射率、色散等光性参数，以便为高性能空间光学系统的抗辐射性能加强设计提供更多的材料选择。另外，以上耐辐照光学玻璃均为含铅硅酸盐玻璃体系，玻璃中PbO质量百分含量分布为25～50％，折射率分布为1.52～1.65；其PbO含量不是很高，所制备的耐辐照光学玻璃的折射率较低，nd最高为1.65；提高铅硅酸盐玻璃体系中PbO含量可以对玻璃的折射率进行大范围调整。然而，玻璃体系中PbO含量增大的同时，也大大增加了光学玻璃的熔炼制备技术难度。从玻璃组成考虑，含铅使光学玻璃的短波透过率出现下降，铅含量越高下降越明显；需要通过玻璃组分调整优化及原料纯度、杂质含量和熔炼气氛控制来降低材料的紫外吸收、提高短波透过率。在熔制技术方面，为了减少直接熔炼重火石含铅玻璃对贵金属坩埚的侵蚀，高含铅玻璃大多采用粘土坩埚熔制，较难获得高光学等级的产品，特别是光学玻璃中气泡较难彻底消除，气泡度等级较低。而且高含铅光学玻璃在坩埚中高温熔炼时特别容易挥发和分层，因此采用现有的制备方法难以获得高光学品质的高含铅光学玻璃。
技术实现思路
为了解决现有的耐辐照光学玻璃品种单一，材料折射率分布范围窄，以及高含铅光学玻璃制备困难的技术问题，本专利技术提供一种重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法。本专利技术的技术解决方案是：一种重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃，其特殊之处在于：原料成分及质量配比为：原料成分及质量配比为：26-38％的SiO2、0.5-1.8％的Na2O、0.9-4.8％的K2O、0.42-2％的ZnO、54.2-70％的PbO、0.3-1％的La2O3、0.45-1.3％的辐照稳定剂；所述辐照稳定剂为CeO2和/或Sb2O3。较佳的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃，其特征在于：原料成分及质量配比为：26‑38％的SiO2、0.5‑1.8％的Na2O、0.9‑4.8％的K2O、0.42‑2％的ZnO、54.2‑70％的PbO、0.3‑1％的La2O3、0.45‑1.3％的辐照稳定剂；所述辐照稳定剂为CeO2和/或Sb2O3。

【技术特征摘要】
1.一种重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃，其特征在于：原料成分及质量配比为：26-38％的SiO2、0.5-1.8％的Na2O、0.9-4.8％的K2O、0.42-2％的ZnO、54.2-70％的PbO、0.3-1％的La2O3、0.45-1.3％的辐照稳定剂；所述辐照稳定剂为CeO2和/或Sb2O3。2.根据权利要求1所述的重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃，其特征在于：原料成分及质量配比为：27-36％的SiO2、0.5-1.8％的Na2O、0.9-4.8％的K2O、0.5-1.8％的ZnO、55-65％的PbO、0.5-1％的La2O3、0-0.7％的Sb2O3、0.45-0.6％的CeO2。3.一种重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1】按照权利要求1中的原料成分及质量配比准确称量原料并混合均匀；2】将混合均匀后的原料进行预熔化、高温熔融、搅拌澄清与均化后得到无气泡和条纹的高温玻璃液；3】采用漏注法成型大尺寸玻璃毛坯；4】对玻璃毛坯进行退火后得到重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃。4.根据权利要求3所述的重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃的制备方法，其特征在于：步骤2】包括以下步骤：2.1】将混合均匀后的原料加热至900℃预熔化；2.2】保温2h后，升温至1180℃并用搅拌器进行恒速提升和搅拌，1.5h后取样进行折射率测试；2.3】升温到1260℃，澄清均化4～6h后得到无气泡和条纹的玻璃液。5.根据权利要求4所述的重火石ZF系列空间耐辐照光学玻璃的制备方法，其特征在于：步骤2】中还包括折射率调整的步骤：2.4】取样后加工折射率测试样品；2.5】测定样品在587.6nm波长处的折射率nd；2.6】判断nd是否在ns±0.0002范围内；若是，则继续搅拌提升4～6h后，执行步骤3】；若否，则执行步骤2.7】；其中，ns为折射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，陆敏，李玮楠，彭波，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61