CN113955937B - 可化学强化光纤面板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可化学强化光纤面板及其制备方法，属于光纤面板制造领域。本发明采用的技术方案是：可化学强化光纤面板由纤维直径为4‑10微米的光学纤维规则二维排列并熔合而成,学纤维包括锂铝硅芯玻璃和光纤皮玻璃，光纤皮玻璃包裹锂铝硅芯玻璃，所述锂铝硅芯玻璃组分包括：SiO2，Al2O3，Li2O，Na2O，K2O，B2O3。本发明中成分有锂铝硅玻璃适合于光纤面板制备，解决了锂铝硅玻璃与光纤皮的材料匹配性时单丝拉制、复丝拉制、真空熔压等等工艺过程中无法成型问题，再通过切片、平磨、抛光后浸入熔盐中进行离子交换，最终得到具有高抗力学冲击性能的光纤面板。同时制备的光纤面板具有高分辨率、高对比度。
Description
技术领域
本发明涉及一种可化学强化光纤面板及其制备方法，属于光纤面板制造领域。
背景技术
光纤面板是由数千万根纤维直径为4-10微米的光学纤维规则二维排列熔合而成，光纤作为光纤面板的基本传像单元，由低折射率的光纤皮玻璃和高折射率的芯玻璃高温拉丝而成，具有高分辨率、高对比度、光学零厚度等优良性质，广泛应用于军事、医疗、图像识别等领域。
但是由于光纤面板结构性问题，导致光纤面板抗冲击强度不高，抗冲击强度不高限制了光纤面板的应用范围，特别是光纤面板应用于成像镜头、外观设备等环境时，需要有一定的抗冲击性能以抵抗跌落时的破损。
普通锂铝硅玻璃，料性区间温度与光纤皮玻璃相差大，在制备过程中无法成型。
发明内容
本发明提供一种可化学强化光纤面板及其制备方法，通过组分配比使得可化学强化锂铝硅玻璃具有与光纤皮玻璃匹配的料性区间温度及膨胀系数，解决了在单丝拉制、复丝拉制、真空熔压等工艺成型的技术难点，再通过切片、平磨、抛光后浸入熔盐中进行离子交换，最终得到具有高抗力学冲击性能的光纤面板。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
可化学强化光纤面板，由纤维直径为4-10微米的光学纤维规则二维排列并熔合而成,学纤维包括锂铝硅芯玻璃和光纤皮玻璃，光纤皮玻璃包裹锂铝硅芯玻璃，所述锂铝硅芯玻璃组分包括：SiO2，含量为65～75wt%；Al2O3，含量为12～20wt%；Li2O，含量为2～5wt%；Na2O，含量为1～5wt%；K2O，含量为1～5wt%；B2O3，含量为0.5～2wt%。
作为优选，所述光纤皮玻璃为一种高铅量的硼硅酸盐玻璃。
作为优选，所述所述锂铝硅芯玻璃中（Na2O+ Li2O）/ （SiO2+Al2O3）的质量比例为0.15-0.20，铝硅酸盐玻璃经化学强化之后具有较好的抗力学冲击性能。
作为优选，锂铝硅芯玻璃在25～300℃平均膨胀系数为85～95*10-7/℃，大于光纤皮玻璃。
作为优选，所述锂铝硅芯玻璃转变温度Tg为580～600℃，软化点温度Tf为640～660℃，大于光纤皮玻璃。
制备可化学强化光纤面板的方法，制备原料为锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃两种玻璃材料，经过棒管组合、拉制单丝、排一次棒、拉制复丝、排板、真空熔压得到光纤面板毛坯板段，再进行切片、整形、研磨、抛光以及浸入熔盐中进行离子交换，得到强化后的光纤面板。
作为可化学强化光纤面板的制备方法的进一步的优选，具体有如下步骤：
（1） 采用冷加工设备分别对锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃进行加工，使锂铝硅芯玻璃棒的外径达到Φ29.5～30.5mm，使光纤皮玻璃外径达到Φ33.5～35.5mm，壁厚2.0～2.5mm；
（2） 锂铝硅芯玻璃放入光纤皮玻璃管中，将光纤皮玻璃管与锂铝硅芯玻璃棒组合形成玻璃棒管，将玻璃棒管使用光纤拉制机拉制成外径为规格为3.0～3.5mm±0.01mm的单丝，单丝长度为600～840mm；
（3） 将m根玻璃单丝在排棒模具中排成一次棒，将排棒完成的一次棒用生料带和铝箔捆绑固定，形成一个整体；
（4） 采用光纤拉制机拉制上述一次棒成为对边长为1.1～1.5mm±0.01mm光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝；
（5） 取多根复丝在正六边形的排板模具中排出对边根数为15～20的六边形纤维阵列板，并将两端捆绑固定；
（6） 将排列好的纤维阵列板装入专业模具中并放入真空炉中，进行真空熔压，熔压温度在610℃~630℃；
（7） 将真空熔压成型的六边形光纤面板毛坯板段进行切片、整形、研磨、抛光等工艺处理后得到表面光滑形状一致的光纤面板坯板；
（8） 将光纤面板坯板浸入NaNO3和KNO3熔盐中进行离子交换，制备出具高强度的光纤面板。
（9） 作为可化学强化光纤面板的制备方法的进一步的优选，所述锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃两种玻璃材料具有相互匹配的料性区间温度及膨胀系数，满足单丝、复丝、熔压等工艺制备过程。
作为可化学强化光纤面板的制备方法的进一步的优选，所述的光纤皮玻璃管外径和壁厚、锂铝硅芯玻璃棒的直径、单丝直径、复丝对边是由光纤面板制备要求得出，并可以根据需求进行改变。
作为可化学强化光纤面板的制备方法的进一步的优选，所述的熔盐是15％的NaNO3和85％的KNO3的混合物，离子交换的温度约为460℃，所述离子交换的时间为300min。
现有技术相比本发明具有如下有益效果：本发明针对光纤面板强度不高的问题，本发明中成分锂铝硅玻璃适合于光纤面板制备，解决了锂铝硅玻璃与光纤皮的材料匹配性时单丝拉制、复丝拉制、真空熔压等等工艺过程中无法成型问题，再通过切片、平磨、抛光后浸入熔盐中进行离子交换，最终得到具有高抗力学冲击性能的光纤面板。为高抗冲击强度的光纤面板的制造提供一种良好且有效的解决措施。同时制备的光纤面板具有高分辨率、高对比度。
具体实施方式
为了更有效阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合具体实施例对本发明进行说明。下述说明实施例中的特定特征可由任何合适形式组合。
本发明光纤面板，由数千万根直径为4-10微米的光学纤维规则二维排列并熔合而成。
光学纤维包括锂铝硅芯玻璃和光纤皮玻璃，光纤皮玻璃包裹锂铝硅芯玻璃，所述锂铝硅芯玻璃组分包括：SiO2，含量为65～75wt%；Al2O3，含量为12～20wt%；Li2O，含量为2～5wt%；Na2O，含量为1～5wt%；K2O，含量为1～5wt%；B2O3，含量为0.5～2wt%。所述锂铝硅芯玻璃中（Na2O+ Li2O）/ （SiO2+Al2O3）的质量比例为0.15-0.20。铝硅酸盐玻璃经化学强化之后具有较好的抗力学冲击性能，使得光纤面板满足高抗力学冲击性能要求。
锂铝硅芯玻璃在25～300℃平均膨胀系数为85～95*10-7/℃，大于光纤皮玻璃。锂铝硅芯玻璃转变温度Tg为580～600℃，软化点温度Tf为640～660℃，大于光纤皮玻璃。
光纤皮玻璃为一种高铅量的硼硅酸盐玻璃。
本发明可化学强化光纤面板原材料为锂铝硅芯玻璃、光芯皮玻璃两种玻璃材料，经过棒管组合、拉制单丝、排一次棒、拉制复丝、排板、真空熔压得到光纤面板毛坯板段，再进行切片、整形、研磨、抛光以及浸入熔盐中进行离子交换得到强化光纤面板，具体有如下制备步骤：
（1）采用冷加工设备分别对锂铝硅芯玻璃、光芯皮玻璃进行加工，锂铝硅芯玻璃为光制成玻璃，光纤皮玻璃为光吸收玻璃，使锂铝硅芯玻璃棒的外径达到Φ29.5～30.5mm，使光纤皮玻璃外径达到Φ35.5～36.5mm，壁厚3.0mm；
（2）将锂铝硅芯玻璃棒***光芯皮玻璃管中，组合形成玻璃棒管，将玻璃棒管使用光纤拉制机拉制成外径为规格为3.0～3.5mm±0.01mm的单丝，单丝长度为600～840mm；
（3）将m根玻璃单丝在排棒模具中排成一次棒，将排棒完成的一次棒用生料带和铝箔捆绑固定，形成一个整体；
（4）采用光纤拉制机拉制上述一次棒成为对边长为1.1～1.5mm±0.01mm光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝；
（5）取多根复丝在正六边形的排板模具中排出对边根数为15～20的六边形纤维阵列板，并将两端捆绑固定；
（6）将排列好的纤维阵列板装入专业模具中并放入真空炉中，进行真空熔压，熔压温度在610℃～630℃；
（7）将真空熔压成型的六边形光纤面板毛坯板段进行切片、整形、研磨、抛光等工艺处理后得到表面光滑形状一致的光纤面板坯板；
（8）将光纤面板坯板进行进行离子交换得到强化光纤面板。
本发明实施例中优选方案：为提高产品性能，要求玻璃棒管之间缝隙小于0.5mm，单丝拉制、复丝拉制精度控制在5μm以内，熔压温度在610℃~630℃，切片厚度为2～10mm，平行度为5μm以内，平整度0.5μm以内，制备出的光纤面板其微孔大小及孔间距离精度在1μm以内。具体详细步骤如下：
（1）采用冷加工设备分别对光吸收玻璃、光支撑玻璃进行加工，使光支撑玻璃棒的外径达到Φ29.5～30.5mm，使光吸收玻璃外径达到Φ35.5～39.5mm，壁厚3.0～4.5mm，玻璃棒管缝隙小于0.5mm；
（2）将光吸收玻璃管与光支撑玻璃棒组合形成玻璃棒管，将玻璃棒管使用光纤拉制机拉制成外径为规格为3.0～3.5mm±0.01mm的单丝，单丝长度为600～840mm，单丝拉制精度控制在5μm以内；
（3）将m根玻璃单丝在排棒模具中排成一次棒，将排棒完成的一次棒用生料带和铝箔捆绑固定，形成一个整体；
（4）采用光纤拉制机拉制上述一次棒成为对边长为1.1～1.5mm±0.01mm光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝，复丝拉制精度控制在5μm以内；
（5）取多根复丝在正六边形的排板模具中排出对边根数为15～20的六边形纤维阵列板，并将两端捆绑固定；
（6）将排列好的纤维阵列板装入专业模具中并放入真空炉中，进行真空熔压，熔压温度在610℃-630℃；
（7）将真空熔压成型的六边形光纤面板毛坯板段进行切片、整形、研磨、抛光等工艺处理后得到表面光滑形状一致的光纤面板坯板，抛光平行度为5μm以内，平整度0.5μm以内；
（8）将光纤面板坯板进行离子交换得到强化光纤面板。
熔盐包括NaNO3和KNO3，在所述离子交换中，所述锂铝硅玻璃的Li+与所述熔盐的Na+的交换速率和所述锂铝硅玻璃的Na+与所述熔盐的K+的交换速率的比值为4.5～6.0。以质量百分含量计，所述熔盐包括15％的NaNO3和85％的KNO3，所述离子交换的温度为460℃；所述离子交换的时间为300min，最后得到强化的光纤面板。
本发明可化学强化的光纤面板毛坯包含锂铝硅玻璃和光纤皮玻璃两种材料，锂铝硅玻璃主要组分包括：SiO2、Al2O3、Li2O、Na2O、K2O、B2O3、碱土金属氧化物等，成分的选取以及各成分的有效配比在合理范围内，保证了锂铝硅玻璃热膨胀系数、化学稳性能、热学性，能满足单丝、复丝、热压、酸洗等工艺的制备要求，解决了可强化光纤面板的制备工艺及化学强化的难点问题，制得了具有高分辨率、高对比度、高强度的光纤面板。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可化学强化光纤面板，由光学纤维规则二维排列并熔合而成,其特征是，光学纤维包括锂铝硅芯玻璃和光纤皮玻璃，光纤皮玻璃包裹锂铝硅芯玻璃，所述锂铝硅芯玻璃组分包括：SiO2，含量为 65～75wt%；Al2O3，含量为 12～20wt%；Li2O，含量为 2～5wt%；Na2O，含量为 1～5wt%；K2O，含量为 1～5wt%；B2O3，含量为 0.5～2wt%；
所述锂铝硅芯玻璃中（Na2O+ Li2O）/（SiO2+Al2O3）的质量比例为 0 .15-0 .20。
2. 根据权利要求 1 所述的可化学强化光纤面板，其特征在于，所述光纤皮玻璃为一种高铅量的硼硅酸盐玻璃。
3. 根据权利要求 1 所述的可化学强化光纤面板，其特征在于，锂铝硅芯玻璃在 25～300 °C平均膨胀系数为 85～95*10-7 /°C，大于光纤皮玻璃。
4. 根据权利要求 3 所述的可化学强化光纤面板，其特征在于，所述锂铝硅芯玻璃转变温度 Tg为 580～600°C，软化点温度 Tf 为 640～660°C，大于光纤皮玻璃。
5. 一种权利要求 1 所述的可化学强化光纤面板的制备方法，其特征在于，制备原料为锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃两种玻璃材料，经过棒管组合、拉制单丝、排一次棒、拉制复丝、排板、真空熔压得到光纤面板毛坯板段，再进行切片、整形、研磨、抛光以及浸入熔盐中进行离子交换，得到强化后的光纤面板。
6. 根据权利要求 5 所述的可化学强化光纤面板的制备方法，其特征在于，具体有如下步骤：
（1）采用冷加工设备分别对锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃进行加工，使锂铝硅芯玻璃棒的外径达到 Φ29.5～30.5mm，使光纤皮玻璃外径达到 Φ33.5～35.5mm，壁厚 2.0～2.5mm；
（2）锂铝硅芯玻璃放入光纤皮玻璃管中，将光纤皮玻璃管与锂铝硅芯玻璃棒组合形成玻璃棒管，将玻璃棒管使用光纤拉制机拉制成外径为规格为 3 .0～3 .5mm±0 .01mm 的单丝，单丝长度为 600～840mm；
（3）将 m 根玻璃单丝在排棒模具中排成一次棒，将排棒完成的一次棒用生料带和铝箔捆绑固定，形成一个整体；
（4）采用光纤拉制机拉制上述一次棒成为对边长为 1 .1～1 .5mm±0 .01mm 光纤复丝，然后将光纤复丝断成多段一定长度的复丝；
（5）取多根复丝在正六边形的排板模具中排出对边根数为 15～20 的六边形纤维阵列板，并将两端捆绑固定；
（6）将排列好的纤维阵列板装入专业模具中并放入真空炉中，进行真空熔压，熔压温度在610°C~ 630°C；
（7）将真空熔压成型的六边形光纤面板毛坯板段进行切片、整形、研磨、抛光等工艺处理后得到表面光滑形状一致的光纤面板坯板；
（8）将光纤面板坯板浸入 NaNO3 和 KNO3 熔盐中进行离子交换，制备出具高强度的光纤面板。
7. 根据权利要求 6 所述的可化学强化光纤面板的制备方法，其特征在于，所述锂铝硅芯玻璃、光纤皮玻璃两种玻璃材料具有相互匹配的料性区间温度及膨胀系数，满足单丝、复丝、熔压工艺制备过程。
8. 根据权利要求 6 所述的可化学强化光纤面板的制备方法，其特征在于，所述的光纤皮玻璃管外径和壁厚、锂铝硅芯玻璃棒的直径、单丝直径、复丝对边是由光纤面板制备要求得出。
9. 根据权利要求 6 所述的可化学强化光纤面板的制备方法，其特征在于，所述的熔盐是 15％质量分数的 NaNO3 和 85％质量分数的 KNO3 的混合物，离子交换的温度为460°C，所述离子交换的时间为 300mins。
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