專利名稱：用于空間環(huán)境或極地區(qū)域的密封艙的玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于空間環(huán)境或極地區(qū)域的密封艙的玻璃，其處于極高的溫度梯度作用下，特別是用作空間站、飛行器和在北極或在南極地區(qū)的極地站中的視窗。
背景技術(shù)：
對(duì)于作為宇宙大氣條件分界的空間站或飛行器中的視窗，其材料需要特別的性能。
由于大氣條件，例如陽(yáng)光直射或背陰面，可產(chǎn)生ΔT≈370K(陽(yáng)面+120℃，陰面-250℃)的巨大溫度變化。在飛行器發(fā)射、著陸或飛行時(shí)的熱或冷的廢氣流也可能存在高的溫度負(fù)載。此外，由于例如旋轉(zhuǎn)或快速溫度變換的局部變化，在視窗上會(huì)產(chǎn)生高的溫度梯度。因此由于不適當(dāng)?shù)牟牧线x擇會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致視窗破裂的應(yīng)力。
同樣由視窗所分界的例如空間站內(nèi)部和宇宙的溫度之間會(huì)出現(xiàn)溫度梯度。在此，經(jīng)過視窗厚度可以出現(xiàn)在空間站溫度(20℃)和例如-250℃或+120℃的宇宙溫度之間的溫度梯度。
在北極或南極極地站的玻璃不會(huì)出現(xiàn)如此極端的溫度梯度，但其仍然導(dǎo)致很高的玻璃熱力學(xué)應(yīng)力。
人們?nèi)匀焕^續(xù)對(duì)宇宙空間玻璃進(jìn)行研究。
因?yàn)榇髿饪赡芎衅渌Σ两橘|(zhì)，例如沙、石或太空金屬?gòu)U料等，所以所用材料需要有足夠的硬度和機(jī)械強(qiáng)度。
一般地，玻璃，視窗，必須能有不畸變的視野，并且易于清潔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于空間環(huán)境或極地區(qū)域的密封艙的有效的玻璃，其處于極高的溫度梯度作用下。
該目的通過一組玻璃片組成的玻璃達(dá)到，其中面向環(huán)境的外側(cè)玻璃由玻璃陶瓷組成。
優(yōu)選形成透明的玻璃陶瓷，從而可以將其作為有關(guān)艙的視窗。
玻璃陶瓷已表現(xiàn)出對(duì)出現(xiàn)的溫度梯度和溫度變化的耐受性。通常玻璃陶瓷作為爐膛的視窗玻璃在高達(dá)800℃下使用。還已知其作為阻燃玻璃的應(yīng)用。然而對(duì)于在宇宙或在極地的情況，決定性的不是最高溫度，而是玻璃陶瓷令人驚奇地對(duì)作用于材料上的溫度波動(dòng)范圍和溫度梯度的耐受性。
玻璃陶瓷有硬性表面，對(duì)飛行的磨蝕物質(zhì)也表現(xiàn)出好的穩(wěn)定性。如果該陶瓷玻璃遭損害，僅出現(xiàn)小凹坑、小片或小孔。如果出現(xiàn)破裂，玻璃片被裂成大的片，可被框架保持原位。在這種情況下，帶熱預(yù)應(yīng)力的玻璃對(duì)周圍的飛行碎片會(huì)提供安全風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的玻璃一般不僅由單層板組成，而是由一組片組組成。在此保證了外玻璃陶瓷板可以容易地更換，而無需將整玻璃片組更換。玻璃片組可象絕緣玻璃或復(fù)合玻璃那樣構(gòu)成，從而具有隔熱性或隔音性。
外面的玻璃陶瓷玻璃片按應(yīng)用情況可以是平面的、變形的或彎曲的。
如果玻璃陶瓷含有TiO2作為成核劑，則玻璃陶瓷玻璃片可起UV-阻斷作用，這對(duì)于確保宇航人員避免射線損傷是一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選玻璃陶瓷板具有不同的功能的涂層，例如—減少反射作用，—熱反射作用，—可加熱，—在原有的UV-阻擋不足時(shí)構(gòu)成UV-濾片。
普通的玻璃陶瓷板通常具有較粗糙的表面，Ra為0.35μm-0.55μm。
由此存在較大的散射，它干擾無畸變的視野。此外，還使玻璃陶瓷板難以清潔。
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，提供了一種無畸變的視野，并且由于玻璃陶瓷板表面沒有小孔，使得清潔更容易。
可用增加費(fèi)用的拋光玻璃陶瓷板表面的方法或用浮法玻璃陶瓷得到這種無孔的特征，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案優(yōu)選由權(quán)利要求2的浮法玻璃陶瓷來實(shí)現(xiàn)。
這種浮法玻璃陶瓷具有特別低的粗糙度，平均粗糙度為Ra≤0.02μm，均方粗糙度為Rq≤0.01μm，從而具有極小的干擾散射行為以及很高的易清潔性。
在DIN4762中詳細(xì)闡明了表面粗糙度的概念。平均粗糙度Ra是實(shí)際斷面和平均斷面之差的絕對(duì)值的數(shù)學(xué)平均值或與中心平面之絕對(duì)高度差的數(shù)學(xué)平均值。平均斷面是這樣確定的，即，通過實(shí)際斷面在一參考長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)一斷面，以使上部實(shí)際斷面的材料填充的面塊總和與下部材料填充的面塊總和相等。根據(jù)DIN 4762，用Weiβlich-干涉顯微法(測(cè)量面0.6×0.5mm)確定的Rq＝平均粗糙度均方的平均值。它們用公式表示如下Ra=(|Z1|+|Z2|+|Z3|+...+|Zn|)N]]>Rq=(Z12+Z22+Z32+...+Zn2)N]]>用浮法制造的平板玻璃陶瓷體是公知的。
原則上可將任何已知的浮法玻璃陶瓷用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的易清潔的玻璃陶瓷體。
為達(dá)到特別高的表面質(zhì)量和相應(yīng)的高的易清潔性，可采用浮法玻璃作為原料玻璃，通過將下列元素的含量限定為Pt小于約300ppb、Rh小于約3.0ppb和ZnO小于約1.5重量％以及SnO2小于約1重量％可避免在浮法生產(chǎn)中形成干擾性表面缺陷，同時(shí)該玻璃在熔融時(shí)無需使用常規(guī)的精煉劑氧化砷或氧化銻。
這種玻璃以組分為特征，該組份可避免浮法生產(chǎn)中形成干擾性表面缺陷。浮法生產(chǎn)線由常規(guī)的熔池和界面組成，在熔池中將玻璃熔化并精煉，界面保證從熔池的氧化氣氛過渡到后繼設(shè)備即浮法部分的還原氣氛，在后繼的設(shè)備中，在氮?dú)浠旌蠚膺€原氣氛下，通過澆在液態(tài)金屬——主要是Sn——上將玻璃成型。通過在Sn床上平滑流過并借助在玻璃表面上加力的所謂上輥進(jìn)行玻璃的成型。在金屬床上移動(dòng)期間，玻璃冷卻，在浮法生產(chǎn)設(shè)備的終點(diǎn)將玻璃取下，送入冷卻爐中。
在玻璃表面成型并在浮床中移動(dòng)期間，通過玻璃與浮床氣氛或Sn床之間的相互影響可導(dǎo)致干擾的表面缺陷的形成。
當(dāng)玻璃中含有的溶解形式的大于300ppb的Pt或大于30ppb的Rh時(shí)，在還原條件下在玻璃表面上會(huì)形成Rt顆?；騌h顆粒的金屬沉淀，作為大于等于100μm的高石英混晶的有效晶核，從而導(dǎo)致干擾性的表面結(jié)晶。這類材料特別用作電極、襯里、攪拌器、輸送管道、閥門等。借助實(shí)施生產(chǎn)前述玻璃陶瓷的方法的設(shè)備時(shí)要盡可能避免Pt或Rh材料的引入，從而避免形成表面結(jié)晶，并且，通過用陶瓷材料替代或通過其在熔池或界面的設(shè)計(jì)使上述含量不超過限度。
ZnO的含量限制為1.5重量％。已經(jīng)表明，在浮床的還原條件下，在玻璃上表面中的鋅變少了。從而認(rèn)為在玻璃上表面的鋅被部分還原了，這是由于在浮床氣氛中Zn的蒸汽壓比Zn+2的高使Zn蒸發(fā)了。除在浮法生產(chǎn)中由于不希望的Zn的蒸發(fā)和較冷位置的析出外，Zn在玻璃中不均勻的分布參與了近表面處的結(jié)晶帶的生成。由大的高石英混晶構(gòu)成的結(jié)晶帶在近表面處產(chǎn)生，那里玻璃中Zn含量又上升到近起始數(shù)值。因此，從開始保持小的起始值是適宜的。
玻璃的SnO2含量限制為小于1重量％。在浮法設(shè)備中還原條件的作用下，同樣在玻璃表面的SnO2被部分還原。令人意外的是就在玻璃表面上生成了金屬Sn的小球，雖然在冷卻或洗滌時(shí)易于去除，但是在玻璃表面上留下了球形的孔洞，這對(duì)應(yīng)用有嚴(yán)重的影響。
當(dāng)SnO2的含量非常小時(shí)，可以避免這種小球的形成。
上述的原料玻璃無需使用用于Li2O-Al2O3-SiO2體系玻璃的常規(guī)精煉劑氧化砷和/或氧化銻來精煉。在浮法線的還原條件作用下，同樣上述的精煉劑直接在玻璃表面上還原，并形成干擾性的、可見的金屬覆蓋物。通過打磨或拋光將這種干擾性的、毒性的覆蓋物除去在經(jīng)濟(jì)上是不利的。為了避免覆蓋物的形成，減少氣泡數(shù)量，可使用其它的化學(xué)精煉劑，例如SnO2、CeO2、硫酸鹽、氯化物，優(yōu)選玻璃中加入0.2-0.6重量％的SnO2?；蛘呖梢詫?duì)玻璃進(jìn)行物理的、例如通過低壓或＞1750℃的高溫處理。從而通過可選擇的精煉劑和/或可選擇的處理方法可確保必須的氣泡數(shù)量。
還要考慮到陶瓷化不會(huì)妨害浮法生產(chǎn)得到的低粗糙度，例如用垂直的陶瓷化或氣體陶瓷化的方法，即，襯底與要陶瓷化的玻璃體沒有接觸。
基于下列氧化物的重量百分比組成的浮法陶瓷化鋁硅酸鹽玻璃使玻璃陶瓷表面粗糙度非常小是有突出優(yōu)點(diǎn)的。
Li2O 3,2-5,0Na2O 0-1,5K2O0-1,5∑Na2O+K2O0,2-2,0MgO 0,1-2,2CaO 0-1,5SrO 0-1,5BaO 0-2,5ZnO 0-＜1,5Al2O319-25SiO255-69TiO21,0-5,0ZrO21,0-2,5SnO20-＜1,0∑TiO2+ZrO2+SnO22,5-5,0P2O50-3,0依照第二個(gè)實(shí)施方案中，特別優(yōu)選的玻璃具有下列氧化物的重量百分比的組成
Li2O 3,5-4,5Na2O 0,2-1,0K2O0-0,8∑Na2O+K2O0,4-1,5MgO 0,3-2,0CaO 0-1,0SrO 0-1,0BaO 0-2,5ZnO 0-1,0Al2O319-24SiO260-68TiO21,0-2,0ZrO21,2-2,2SnO20-0,6∑TiO2+ZrO2+SnO23,0-4,5P2O50-2,0這種玻璃在生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的玻璃陶瓷體的應(yīng)用中具有特別的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠渚哂蟹浅Ｒ子谇鍧嵉谋砻妗?br> 權(quán)利要求
1.一種用于空間環(huán)境或極地區(qū)域的密封艙的玻璃，其處于極高的溫度梯度作用下，該玻璃由一組玻璃片組成，其中朝向環(huán)境的外側(cè)玻璃由玻璃陶瓷組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的玻璃，其特征在于，玻璃片組，包括外側(cè)的玻璃陶瓷片是透明的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的玻璃，其特征在于，外側(cè)的玻璃陶瓷片至少具有涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的玻璃，其特征在于，涂層由一種材料構(gòu)成，該涂層具有減少反射的作用和/或熱反射作用，和/或可加熱和/或吸收UV輻射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷片具有無孔的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷片具有磨光的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的玻璃，其特征在于，由可預(yù)加熱應(yīng)力的、浮法鋁硅酸鹽經(jīng)玻璃陶瓷化形成浮法玻璃陶瓷，其表面的結(jié)構(gòu)的粗糙度，即，平均粗糙度Ra≤0.02μm和/或均方粗糙度Rq≤0.01μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的玻璃，由可浮法生產(chǎn)、可預(yù)加熱應(yīng)力的原料玻璃生產(chǎn)，并轉(zhuǎn)變成有高石英混晶或熱液石英混晶的玻璃陶瓷，其含有小于300ppb的Pt，小于30ppb的Rh，小于1.5重量％的ZnO和小于1重量％的SnO2，在熔融時(shí)無需使用常規(guī)的精煉劑氧化砷和/或氧化銻進(jìn)行精煉，并通過在還原氣氛下澆注在流動(dòng)金屬上成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的玻璃，以浮法硅鋁酸鹽玻璃作為原料玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的玻璃，其特征在于原料玻璃的組成(基于氧化物的重量百分比)為L(zhǎng)i2O 3,2-5,0Na2O 0-1,5K2O 0-1,5∑Na2O+K2O 0,2-2,0MgO0,1-2,2CaO0-1,5SrO0-1,5BaO0-2,5ZnO0-＜1,5Al2O319-25SiO255-69TiO21,0-5,0ZrO21,0-2,5SnO20-＜1,0∑TiO2+ZrO2+SnO22,5-5,0P2O50-3,0如果需要，可添加染色成分，諸如V-、Cr-、Mn-、Fe-、Co-、Cu-、Ni-、Se-、Cl-化合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的玻璃，其特征在于，原料玻璃的組成(基于氧化物的重量百分比)為L(zhǎng)i2O 3,5-4,5Na2O 0,2-1,0K2O 0-0,8∑Na2O+K2O 0,4-1,5MgO0,3-2,0CaO0-1,0SrO0-1,0BaO0-2,5ZnO0-1,0Al2O319-24SiO260-68TiO21,0-2,0ZrO21,2-2,2SnO20-0,6∑TiO2+ZrO2+SnO23,0-4,5P2O50-2,0如果需要，可添加染色成分，諸如V-、Cr-、Mn-、Fe-、Co-、Cu-、Ni-、Se-、Cl-化合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，為了避免浮法生產(chǎn)中產(chǎn)生有害的近表面的結(jié)晶帶，對(duì)原料玻璃，式3.2×ZnO＋TiO2≤4.3(重量百分比)是重要的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，在原料玻璃中Fe2O3含量小于200ppb，TiO2的含量小于2.5重量％，以防止玻璃有害的染色，并實(shí)現(xiàn)在4mm厚度時(shí)的透光比＞89％、優(yōu)選＞90％。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)α20/300為3.5-5.0×10-6/K，轉(zhuǎn)化溫度Tg為600-750℃，加工溫度VA為1350℃。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，熱液石英混晶作為主結(jié)晶相的玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)小于1.5×10-6/K。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-14任一項(xiàng)的玻璃，其特征在于，高石英混晶作為主結(jié)晶相的玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)為(0±0.3)×10-6/K，優(yōu)選(0±0.15)×10-6/K，透光比大于80％。
全文摘要
本發(fā)明涉及在例如空間站、宇宙飛行器或極地站存在的極高溫度梯度下使用的玻璃。為了保證高的耐溫性,由玻璃片組組成玻璃,其朝向環(huán)境作用的外側(cè)玻璃由玻璃陶瓷組成。玻璃陶瓷優(yōu)選是基于浮法鋁硅酸鹽玻璃的浮法生產(chǎn)的玻璃陶瓷,其有非常小的表面粗糙度,從而可以實(shí)現(xiàn)無畸變的視野,并非常容易清潔。
文檔編號(hào)B64G1/60GK1342619SQ01137619
公開日2002年4月3日 申請(qǐng)日期2001年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月8日
發(fā)明者S·梅爾森, S·胡貝爾特 申請(qǐng)人:肖特玻璃制造廠