镧火石LaF3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航天空间星载星敏感器光学系统的镧火石LaF3系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法。该系列空间耐辐照光学玻璃的原料成分及质量配比为：13‑16％的SiO

【技术实现步骤摘要】
镧火石LaF3系列空间耐辐照光学玻璃及其制备方法
本专利技术涉及一种主要用于航天空间星载星敏感器光学系统的镧火石LaF3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在空间航天飞行器的精确姿态信息获取与姿态控制方面发挥着关键作用。光学星敏感器通过光学系统凝视将星空成像在探测器上，光学系统成像质量需要满足空间航天飞行器长期在轨、姿态测量高精度需求。对于中高轨道卫星，需要有一种能够适合中高轨道10年以上甚至满足25年寿命需求的星敏感器光学系统。由于太空空间环境中，高能量射线与粒子的空间辐射效应长期累积将导致普通牌号光学玻璃设计构成的星敏感器等类似的透射式光学系统透过率快速衰减至不透光，系统成像质量降低甚至无法使用。国内因缺少空间星敏感器光学系统的抗辐照性能革新设计与加固所需的高品质耐辐照光学玻璃材料，之前尚无此类长寿命(空间中高轨道、15至25年使用寿命)光学系统。国内耐辐照光学玻璃材料品种单一，使得中高轨道、长寿命航天空间载荷透射式光学系统的抗辐照能力设计与星载星敏感器关键性能提升受制于光学系统可选用的光学玻璃材料，因而航天空间星载星敏感器光学系统的设计难度大大增加，制约了我国在中高轨道、长寿命空间光学系统及载荷技术方面的发展。对火石类光学玻璃，玻璃体系中PbO含量大增加了光学玻璃的熔制技术难度。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，为了减少直接熔炼火石类含铅玻璃对贵金属坩埚的侵蚀，含铅玻璃之前大多采用粘土坩埚直接熔制，较难获得高光学等级的光学玻璃产品，特别是光学玻璃中气泡较难彻底消除，气泡度等级较低，成品率低。而且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含铅光学玻璃。
技术实现思路
为了解决目前国内耐辐照光学玻璃材料品种单一及含铅光学玻璃制备困难的技术问题，本专利技术提供一种镧火石LaF3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：一种镧火石LaF3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：13-16％的SiO2、14-16％的B2O3、8-13％的Al2O3、39-42％的La2O3、11-16％的PbO、1-3％的ZnO、0-2％的CaO、0.5-2.5％的ZrO2、1-2％的Y2O3、0.2-1.5％的CeO2。较佳的，SiO2的质量分数为13.6-15.1％；B2O3的质量分数为14.2-15.7％；Al2O3的质量分数为9.2-9.9％；La2O3的质量分数为39.8-41.2％；PbO的质量分数为13.5-15.2％；ZnO、CaO、Y2O3和ZrO2的质量分数之和为4.3-6.7％。本专利技术还提供一种镧火石LaF3系列空间耐辐照光学玻璃的制备方法，其特殊之处在于：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镧火石LaF3系列耐辐照光学玻璃。上述步骤2】包括以下步骤：2.1】将混合均匀后的原料加热至1250℃预熔化；2.2】保温2h后，缓慢升温至1380℃并用搅拌器进行恒速提升和高速搅拌；2.3】澄清均化5～7h后得到无气泡和条纹的玻璃液。上述步骤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1.7369±0.0003范围内；若是，则继续搅拌提升5h后，执行步骤3】；若否，则执行步骤2.7】；2.7】若nd低于1.7366，则按0.53g/kg玻璃液的比例向玻璃液中加入硅酸铅；若nd高于1.7372，则按0.44g/kg玻璃液的比例向玻璃液中加入硼酸进行折射率调整；2.8】搅拌均匀并澄清后，返回步骤2.4】。上述步骤3】包括以下步骤：3.1】将高温玻璃液在1℃/min的降温速率下冷却至1210℃；3.2】将冷却后的高温玻璃液缓慢注入至预热到440℃的模具中，进行大尺寸玻璃毛坯成型。上述步骤4】包括以下步骤：4.1】将成型的玻璃毛坯脱模后转入已升温至650℃的马弗炉中进行粗退火，保温12～24h后以2℃/h的降温速率降温100℃，再以5℃/h的降温速率冷却至100℃，关闭马弗炉使玻璃样品随炉自然降温至室温后获得粗退火玻璃毛坯；4.2】将粗退火玻璃毛坯用细粒度高纯石英砂埋置于不锈钢材质的马弗箱体中，然后将马弗箱体置于退火炉中升温至650℃；保温48h后，以0.1～1.0℃/h的降温速率降温100℃，再以2℃/h的降温速率冷却至300℃，然后以4℃/h的降温速率冷却至100℃；关闭退火炉使玻璃样品随炉自然降温至室温后得到镧火石LaF3系列耐辐照光学玻璃。上述步骤1】中所使用的原料均为粒径在80-100目的特定纯干燥粉料。上述步骤3.2】中的模具上方设置有盖板。本专利技术的有益效果在于：1、材料的高耐辐照性能。本专利技术提出的系列耐辐照光学玻璃材料中，如LaF503经受总剂量为1×105rad(Si)γ射线辐照后每厘米厚度上的光密度增量ΔD≤0.11，能够满足空间光学星敏感器光学系统在太空环境中长期耐受高剂量累积辐照，可满足其在空间高轨道、10～25年使用寿命的要求。2、材料光学性能优异。本专利技术中的混合粉料经陶瓷坩埚预熔化为熟料、铂金坩埚高温熔融制备系列LaF3耐辐照光学玻璃的方法较易获得无铂金颗粒杂质、光学性能优异的耐辐照光学玻璃材料，其气泡度可达到A0级、条纹度可达A级、光学均匀性可达1类、应力双折射可达1类，同一批次材料的折射率和色散系数的一致性为A级，耐酸性、耐潮性分别为2、1级。3、通过本专利技术中特殊的精密退火热处理工艺，能够实现耐辐照光学玻璃材料的折射率nd精确增值到1.7440±0.0002，并充分消除玻璃材料内的应力，可有效控制耐辐照光学玻璃与LaF3普通牌号光学玻璃具有同等光学常数，两者的折射率差(±2×10-4)和色散系数差值(±0.3％)可同时控制在0类，应力双折射低可达1类(<2nm/cm)。4、材料系列化。通过优化调整耐辐照光学玻璃组成和辐照稳定剂含量，实现可见光短波透过率与耐高能射线辐照能力的平衡，兼顾空间光学系统设计对材料耐受不同空间辐射总剂量和短波透过率高低的不同侧重要求，可制备获得具有相近色散性质的LaF303、LaF403、LaF503、LaF603、LaF703等系列耐辐照光学玻璃材料，用以满足高、低轨道等不同耐辐照能力、不同设计寿命的空间投射/折射式光学系统设计和强核辐射环境下防护观测光学窗口的使用要求。5、本专利技术的空间耐辐照光学玻璃材料化学性能稳定、适合批量化生产。附图说明图1为本专利技术未辐照样品(LaF303,LaF403,LaF503,LaF603,LaF703,10mm)的内透过率曲线。图2为不同总剂量(1×103rad(Si)、1×104rad(Si)、1×105rad(Si)、1×106rad(Si))γ射线分别辐照后LaF503未镀膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镧火石LaF3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：13‑16％的SiO

【技术特征摘要】
1.一种镧火石LaF3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：13-16％的SiO2、14-16％的B2O3、8-13％的Al2O3、39-42％的La2O3、11-16％的PbO、1-3％的ZnO、0-2％的CaO、0.5-2.5％的ZrO2、1-2％的Y2O3、0.2-1.5％的CeO2。2.根据权利要求1所述的镧火石LaF3系列空间耐辐照光学玻璃，其特征在于：SiO2的质量分数为13.6-15.1％；B2O3的质量分数为14.2-15.7％；Al2O3的质量分数为9.2-9.9％；La2O3的质量分数为39.8-41.2％；PbO的质量分数为13.5-15.2％；ZnO、CaO、Y2O3和ZrO2的质量分数之和为4.3-6.7％。3.一种镧火石LaF3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镧火石LaF3系列耐辐照光学玻璃。4.根据权利要求3所述的镧火石LaF3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1250℃预熔化；2.2】保温2h后，升温至1380℃并用搅拌器进行恒速提升和搅拌；2.3】澄清均化5～7h后得到无气泡和条纹的玻璃液。5.根据权利要求4所述的镧火石LaF3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1.73...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆敏，王鹏飞，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