CN116038436B - 一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，包括如下步骤：依次选用粒度逐级减少的金刚石砂轮对纤芯玻璃棒表面进行粗磨、中磨和细磨处理，粗磨时的砂轮粒度为60‑80μm，中磨时砂轮粒度为20‑40μm，细磨时砂轮粒度为5‑15μm，研磨至表面粗糙度小于等于0.5μm，将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理0.5‑1h；使用含有抛光粉的抛光液对纤芯玻璃棒表面进行抛光处理，抛光粉选自CeO₂、Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃或ZrO₂抛光粉中的一种、两种或多种的混合物，抛光液的分散剂为水，抛光垫为聚氨酯或无纺布；对纤芯玻璃棒进行清洗后，即可。

Description

一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法

技术领域

本发明属于玻璃棒表面加工技术领域，具体涉及一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

光纤制品(光纤面板、倒像器等)是由数千万根直径4～6μm的光学纤维规则排列熔合而成的一种性能优异的图像耦合和传输器件。广泛应用于微光夜视、航空航天、医学诊疗、安防设备、消费电子等领域。

光纤制品对光学传像品质要求很高，这不仅与制备工艺息息相关，更取决于基底玻璃材料的性能。其中在产品中占比超过70％的光纤预制玻璃棒，其熔制质量和表面质量对最终产品性能的影响尤为重要。光纤制品用玻璃棒经高温熔制成形后表面凹凸不平，需要经过磨抛处理才能达到与皮料玻璃管的紧密匹配，但是纤芯玻璃棒是一种脆性材料，经过金刚石砂轮磨削后，其表面不可避免的存在微裂纹及微小凹坑，在这些微裂纹及微小凹坑处不可避免的会存在一些研磨过程中接触的杂质物质，不能完全清洗除去。这些存在的杂质会带入后续光纤制品中，将严重影响制品质量。

为了减少玻璃棒表面的微裂纹及微小凹坑缺陷，需提高玻璃棒的表面光洁程度，一般会对纤芯玻璃棒进行抛光处理，常用的抛光方法有化学抛光法和机械抛光法，化学抛光法是利用酸溶液或碱溶液对玻璃棒表面进行无差异的化学腐蚀处理，缺点是会腐蚀掉玻璃棒表面的一些有效化学组分或造成芯皮界面的离子扩散，在生产的光纤样品中会导致暗点缺陷产生，且化学溶液腐蚀能力强、对人体和环境有危害以及废液不能回收和处理废液困难等问题。机械抛光法是利用抛光粉进行表面抛光处理的方法，缺点是加工周期长、效率低、需要使用大量辅材、生产成本高以及存在抛光不均匀等问题，而且抛光处理过程中会在玻璃棒的表面残留有抛光粉等抛光介质等清除不掉，这些介质由于颗粒小，会很容易黏附在玻璃棒表面而无法清除，这些杂质颗粒碎屑进入到芯皮界面会影响芯皮界面的传光质量进而影响光纤传像元件的内部传像质量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法。本发明可有效解决纤芯玻璃棒等耦合材料的表面质量问题及由产品质量不稳定造成的成品问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，包括如下步骤：

依次选用粒度逐级减少的金刚石砂轮对纤芯玻璃棒表面进行粗磨、中磨和细磨处理，粗磨时的砂轮粒度为60-80μm，中磨时砂轮粒度为20-40μm，细磨时砂轮粒度为5-15μm，研磨至表面粗糙度小于等于0.5μm，将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理0.5-1h；

使用含有抛光粉的抛光液对纤芯玻璃棒表面进行抛光处理，抛光粉选自CeO₂、Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃或ZrO₂抛光粉中的一种、两种或多种的混合物，抛光液的分散剂为水、聚丙烯酸钠、聚醚中的一种或多种混合物，抛光垫为聚氨酯或无纺布；

对纤芯玻璃棒进行清洗后，即可。

采用聚氨酯或无纺布作为抛光垫，较毛毡类抛光垫抛光后的表面纹路更小，纤芯玻璃棒表面粗糙度更低。

在一些实施例中，粗磨时使用树脂结合剂型金刚石砂轮，中磨时使用陶瓷结合剂型金刚石砂轮，细磨时使用金属结合剂型金刚石砂轮。

各阶段采用不同结合剂是从各结合剂特点出发，其结合能力金属＞陶瓷＞树脂。在粗磨阶段，主要是去除玻璃棒大的凹凸不平，加工量大，在此阶段选择结合力相对弱的树脂，其砂轮表面金刚石相对易脱落，具有良好的磨具自锐性，一直保持高的切削效率。在中磨阶段，主要去除粗磨阶段留下的微小裂纹、凹坑等缺陷，且保持棒较好的表面形貌，陶瓷结合剂脆性大，弹性差，在加工的同时会产生微小的裂纹，能保持一定的自锐性，且较好的保持砂轮外形轮廓。在细磨阶段，主要是保障棒表面良好的形貌，需采用结合力最好的结合剂，因金属韧性强，抗震性高，在加工过程中不易脱落，保持良好的砂轮外形轮廓。

使用不同砂轮结合剂的金刚石砂轮去研磨处理，逐级降低纤芯玻璃棒表面微小裂纹及“微小凹坑”，为抛光提供良好条件。

在一些实施例中，使用高精度切割机对玻璃棒坯料两端切头，切割后玻璃棒两端面保持平行，若两端不平行会导致数控外圆磨加工尺寸过大才能研磨平整。

在一些实施例中，抛光时间为0.5-2h。

在一些实施例中，抛光过程中实时点滴加抛光液。

优选的，抛光过程中，纤芯玻璃棒的旋转速度为200-800rad/min。

在一些实施例中，对纤芯玻璃棒进行清洗时为超声清洗。

优选的，超声清洗完成后，烘干。

在一些实施例中，对纤芯玻璃棒进行抛光时，根据不同成分的玻璃棒，采用不同参数的抛光液和抛光垫，根据玻璃成分中氧化铝、氧化钙含量，若含量越高其硬度越大，所需抛光液和抛光垫的硬度也需增大。

优选的，抛光粉的粒径小于500nm。

优选的，抛光液中抛光粉的浓度为20wt％-30wt％，pH值为7.5-8.5。

在一些实施例中，研磨和抛光过程中，均采用外圆磨床对纤芯玻璃棒进行夹持旋转。

上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

通过本发明的方法，可制备长度60-1200mm、直径10-60mm、圆度≤0.02mm、表面粗糙度Ra≤12nm的玻璃棒。

本发明提供的制备方法可以有效提高玻璃棒的光学均匀性，减少玻璃棒表面微裂纹和微小凹坑缺陷。可显著减少后续产品中由于缺陷造成的成品质量问题，降低光纤制品的生产成本，提高产品质量和生产效率。

本发明采用化学机械抛光方法，在加工过程中在产生微小化学反应的同时发生物理变化。对于玻璃棒表面凹凸点，由于化学腐蚀能力弱，凸点时摩擦力大去除效果快，这样逐步实现凹凸点的平整。且在此过程中相较于纯的机械抛光，引入化学反应，抛光所需压力极大降低，大大降低了抛光粉黏附在玻璃棒表面等问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例提供的低粗糙度玻璃棒的制备方法流程图。

图2为本发明实施例提供的低粗糙度玻璃棒抛光装置示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

抛光，将使用含有抛光粉的抛光液对玻璃棒表面在旋转过程中进行抛光处理。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种低粗糙度玻璃棒的制备方法，包括：

S11，切头，使用高精度切割机对棒坯料两端平头；

S12，粘头，对接与磨床匹配的夹装工件；

S13，研磨，依次选用粒度逐级减少的金刚石砂轮对玻璃棒表面在玻璃棒旋转过程中进行研磨；

S14，抛光，将使用含有抛光粉的抛光液对玻璃棒表面在旋转过程中进行抛光处理；

S15，清洗，使用清洗剂对玻璃棒进行清洗；

S16，检测，对玻璃棒进行检测。

如图2所示，本发明提供了一种低粗糙度玻璃棒抛光装置。主要包括电机21，抛光液自动滴液管22和抛光垫23。

具体地，一种低粗糙度玻璃棒的制备方法,实施例1如下：

经退火的玻璃棒检测后使用切割机切割两端头，两端面平行度＜0.05mm。

使用胶粘粘接与切削匹配的不锈钢头，待胶凝固后方能进行下一步处理。

将上述玻璃棒先用80μm金刚石砂轮粗磨5min。

再用40μm金刚石砂轮中磨5min。

再用15μm刚玉砂轮细磨10min，至表面粗糙度小于等于0.5μm。

将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理0.5小时。

净化处理后的玻璃棒用聚氨酯抛光垫和抛光液抛光处理0.5小时，抛光液是由以氧化铈为主的抛光粉与水混合制成，抛光粉纯度不低于2N(99％)，粒径小于500nm，抛光液浓度为20wt％，pH≈7.5，抛光后玻璃棒Ra＜8nm，表面透明，无划伤、凹坑等缺陷。

取下装配体，平头倒角后用清水加水系清洗剂清洗，水温为40℃，人工刷洗两遍，清洗时间各10min，超声波纯水清洗一遍，清洗时间5min，清洗完成后放入烘箱中烘干。

检测时，玻璃棒尺寸、表面抛光质量和粗糙度等检测项目均须达到要求。

实施例2

经退火的玻璃棒检测后使用切割机切割两端头，两端面平行度＜0.05mm。

使用胶粘粘接与切削匹配的不锈钢头，待胶凝固后方能进行下一步处理。

将上述玻璃棒先用70μm金刚石砂轮粗磨10min。

再用30μm金刚石砂轮中磨10min。

再用10μm刚玉砂轮细磨20min，至表面粗糙度小于等于0.3μm。

将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理1小时。

净化处理后的玻璃棒用聚氨酯抛光垫和抛光液抛光处理1.5小时，抛光液是由以氧化铈、氧化铝和氧化铁为主的抛光粉与水混合制成，抛光粉总体纯度不低于3N(99.9％)，粒径小于300nm，抛光液浓度为30wt％，pH≈8.0，抛光后玻璃棒Ra＜6nm，表面透明，无划伤、凹坑等缺陷。

取下装配体，平头倒角后用清水加水系清洗剂清洗，水温为50℃，人工刷洗两遍，清洗时间各15min，超声波纯水清洗一遍，清洗时间10min，清洗完成后放入烘箱中烘干。

实施例3

经退火的玻璃棒检测后使用切割机切割两端头，两端面平行度＜0.05mm。

使用胶粘粘接与切削匹配的不锈钢头，待胶凝固后方能进行下一步处理。

将上述玻璃棒先用60μm金刚石砂轮粗磨15min。

再用20μm金刚石砂轮中磨15min。

再用5μm刚玉砂轮细磨30min，至表面粗糙度小于等于0.2μm。

将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理1小时。

净化处理后的玻璃棒用聚氨酯抛光垫和抛光液抛光处理2小时，抛光液是由以氧化铈、氧化铝、氧化硅和氧化铬为主的抛光粉与水混合制成，抛光粉纯度不低于5N(99.999％)，粒径小于300nm，抛光液浓度为30wt％，pH≈8.5，抛光后玻璃棒Ra＜5nm，表面透明，无划伤、凹坑等缺陷。

取下装配体，平头倒角后用清水加水系清洗剂清洗，水温为60℃，人工刷洗两遍，清洗时间各20min，超声波纯水清洗一遍，清洗时间15min，清洗完成后放入烘箱中烘干。

检测时，玻璃棒圆度平均值0.02mm、表面抛光质量好，粗糙度Ra平均值11nm，检测项目均达到要求。

实施例4

经退火的玻璃棒检测后使用切割机切割两端头，两端面平行度＜0.05mm。

使用胶粘粘接与切削匹配的不锈钢头，待胶凝固后方能进行下一步处理。

将上述玻璃棒先用60μm金刚石砂轮粗磨15min。

再用20μm金刚石砂轮中磨15min。

再用5μm刚玉砂轮细磨30min，至表面粗糙度小于等于0.2μm。

将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理1小时。

净化处理后的玻璃棒用复合型抛光垫和抛光液抛光处理2小时，抛光液是由以氧化铈、氧化铁、氧化铝、氧化硅和氧化铬为主的抛光粉与分散剂和水混合制成，抛光粉纯度不低于5N(99.999％)，粒径小于100nm，抛光液浓度为30wt％，pH≈8.5，抛光后玻璃棒Ra＜5nm，表面透明，无划伤、凹坑等缺陷。

取下装配体，平头倒角后先用清水加弱酸性水系清洗剂清洗，水温为60℃，人工刷洗两遍，清洗时间各20min，再用非水系清洗剂清洗一遍，清洗时间10min，最后用超声波纯水清洗一遍，清洗时间15min，清洗完成后放入烘箱中烘干。

检测时，玻璃棒圆度平均值0.012mm、表面抛光质量好，粗糙度Ra平均值10.4nm，检测项目均须达到要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

依次选用粒度逐级减少的金刚石砂轮对纤芯玻璃棒表面进行粗磨、中磨和细磨处理，粗磨时的砂轮粒度为60-80μm，中磨时砂轮粒度为20-40μm，细磨时砂轮粒度为5-15μm，研磨至表面粗糙度小于等于0.5μm，将细磨后的玻璃棒用纯净水超声净化处理0.5-1h；

粗磨时使用树脂结合剂型金刚石砂轮，中磨时使用陶瓷结合剂型金刚石砂轮，细磨时使用陶瓷结合剂型金刚石砂轮；

使用含有抛光粉的抛光液对纤芯玻璃棒表面进行抛光处理，抛光粉选自CeO₂、Al₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃或ZrO₂抛光粉中的一种、两种或多种的混合物，抛光液的分散剂为水、聚丙烯酸钠、聚醚中的一种或多种的混合物，抛光垫为聚氨酯或无纺布；

对纤芯玻璃棒进行抛光时，根据不同成分的玻璃棒，采用不同参数的抛光液和抛光垫；

对纤芯玻璃棒进行清洗后，即可。

2.根据权利要求1所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：使用高精度切割机对玻璃棒坯料两端切头，切割后玻璃棒两端面保持平行。

3.根据权利要求1所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：抛光时间为0.5-2h。

4.根据权利要求3所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：抛光过程中，纤芯玻璃棒的旋转速度为200-800rad/min。

5.根据权利要求1所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：对纤芯玻璃棒进行清洗时为超声清洗。

6.根据权利要求1所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：抛光粉的粒径小于500nm。

7.根据权利要求6所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：抛光液中抛光粉的浓度为20wt％-30wt％，pH值为7.5-8.5。

8.根据权利要求1所述的纤芯玻璃棒的低粗糙度制备方法，其特征在于：研磨和抛光过程中，均采用外圆磨床对纤芯玻璃棒进行夹持旋转。