專利名稱：用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)冷加工技術(shù)領(lǐng)域中涉及的一種工藝過程中實時 檢測微裂紋方法，即用。
技術(shù)背景隨著我國國防建設(shè)和航天、航空事業(yè)的迅速發(fā)展，對光學(xué)元件提 出了更高的加工及使用要求,這也同時增大了工藝過程的難度。粗磨、 精磨和拋光是光學(xué)元件加工的三大基本工序。在光學(xué)表面形成的過程 中，各道工序各有其作用。粗磨的目的是去除毛坯的大部分余量，并 保證一定的幾何形狀精度和表面粗糙度，這一工序通過固著金剛石磨具的銑削加工完成；精磨是為拋光做準備，要求達到較精確的幾何形 狀并具有較小的裂紋層深度，這一工序通過散粒磨料研磨完成；拋光 是要達到所要求的光學(xué)表面。銑削加工是采用固著磨料的金剛石磨具 研磨玻璃，與金屬的加工很相似。磨具表面上固著金剛石顆粒，具有 鋒利的棱角。在銑削加工中，磨具和工件的相對運動產(chǎn)生的切削力使 磨粒進入玻璃的深處破壞玻璃，形成互相交錯的裂紋；散粒磨料的破 壞機理是磨料在滾動過程中，由于沖擊作用，玻璃表面的凸出部分被 敲掉，即減小銑磨后留下的凸凹層。換句話說，裂紋的產(chǎn)生不可避免， 從光學(xué)加工的初始階段就己存在。如果在精磨過程中微裂紋層未被徹底去除，而在拋光之后微裂紋出現(xiàn)，就意味著要回到精磨工序，去除掉微裂紋層，再進行拋光，這 無疑增加了工藝周期和成本，還浪費了資源；如果微裂紋并未顯現(xiàn)，仍隱藏在玻璃表面，會給光學(xué)元件的使用埋下隱患。因為此時玻璃的亞表面層的脈絡(luò)己發(fā)生位錯，表面網(wǎng)絡(luò)層已遭到破壞，失去了能量平衡狀態(tài)、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和應(yīng)有的硬度、抗拉強度等玻璃的參數(shù)指標。即微裂紋有進一步生長的趨勢，對環(huán)境的改變極其敏感，極易生長并可致玻璃破裂。微裂紋的定義玻璃是典型的脆性材料，因此，磨具磨削的結(jié)果使玻璃表面出現(xiàn)起伏的凸凹層k;在凸凹層之下是裂紋層m，裂紋層和凸凹層共同構(gòu) 成了粗加工產(chǎn)生的破壞層n。而裂紋層又由介觀裂紋層和微觀裂紋層 構(gòu)成。凸凹層的高度大約是磨粒平均尺寸的1/4 1/3，裂紋層m的 深度比凸凹層k大1 3倍。也就是說破壞層大約是磨粒平均尺寸的 卜1,33倍。經(jīng)固著磨料粗加工后的玻璃表面布滿金剛石磨具磨削痕跡，此時 人手即可感覺到，這就是定義中的凸凹層，可用表面粗糙度定義其深 度；在凸凹層之下是介觀裂紋層，此時的裂紋在中高倍顯微鏡下可觀 察到；在介觀裂紋層之下就是微觀裂紋層，通俗的講，這一層就像是 介觀裂紋層隱藏起來的小尾巴，隨外部環(huán)境的改變而顯露不同的形 態(tài)，只有在將凸凹層和介觀裂紋層去除之后，在高倍顯微鏡下才能被 觀察到是否存在及其具體形態(tài)。而我們最關(guān)心的就是將凸凹層和介觀 裂紋層去除之后所余下的微觀裂紋層。對于微裂紋層的權(quán)威解釋是Kurkjian將表面的微裂紋分為本征 微裂紋，深度在幾個納米到幾十納米之間；結(jié)構(gòu)微裂紋在幾十納米到 幾百個納米之間；制造微裂紋在幾個微米之間，其中最重要的為 Griffith裂紋。關(guān)于Griffith裂紋的尺寸和分布，文獻上有不同報 道。有的認為深5um，有的則認為寬10 20nm，深度不小于100nm。 雖然對裂紋尺寸大小看法不一致，但均認為不是原子尺度，不是納觀 尺度，而是微觀或介觀裂紋。 微裂紋存在的危害玻璃的本征強度很高，可達10 14GPa，但玻璃的實際強度在 140MPa以下，比本征強度要低幾個數(shù)量級；而實際強度中，抗拉強 度也只有抗壓強度的1/8 1/10。究其原因是由于實際玻璃中存在很 多微觀和宏觀缺陷，特別是光學(xué)元件表面的微裂紋，使玻璃的實際強 度大為降低，并大大縮短了光學(xué)元件的使用壽命。當(dāng)光學(xué)元件表面的微裂紋層未被完全去除，在外界環(huán)境改變的情 況下，例如壓力、溫度、濕度等，微裂紋層首先產(chǎn)生亞臨界裂紋，此 時微裂紋層處于臨界狀態(tài)；由于外界條件的綜合作用，亞臨界裂紋生 長成微觀裂紋；此時微觀裂紋具有生長銳性，在裂紋尖端存在應(yīng)力集 中，當(dāng)達到臨界狀態(tài)時就發(fā)展成介觀裂紋，造成永久傷害，嚴重影響 光學(xué)元件的使用安全，這時就應(yīng)進行光學(xué)元件的退役或返修。 微裂紋的理論檢測方法結(jié)合微裂紋的理論深度，利用SEM(Scanning Electron Microscope) 掃描電子顯微鏡檢測。它的分辨率是2nm，測試深度是1.5um，可以用于光學(xué)元件表面微裂紋的檢測。但是由于它的測試范圍僅有40nm， 對于小口徑的光學(xué)元件加工還是有一定的作用價值，而對于稍大些口 徑的光學(xué)元件來講，想要在加工過程中，用SEM實時觀測表面微裂 紋的分布及控制表面磨削量，就要耗費大量的時間、人力及物力，顯 然這并不是理想的微裂紋加工過程檢驗方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的方法， 可以實時檢測和掌握微裂紋研磨時間、磨削量，節(jié)省工作量，降低工 藝成本，縮短工藝周期，提高拋光階段的效率。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服掃描電子顯微鏡的應(yīng)用局限 性，能夠在加工過程中實時監(jiān)測微裂紋，提供微裂紋完全去除的依據(jù)。 解決此問題的方案如下對于玻璃表面的侵蝕，Budd將侵蝕離子分為強的親質(zhì)子離子(如02—、 0H—)，中等的親質(zhì)子離子(如F—)，極強的親電子離子(如H+、 H30+)。我們主要是在玻璃毛坯進行粗加工后，對其進行表面酸(H+) 腐蝕。影響玻璃酸腐蝕的因素很多，如玻璃口徑和成分、酸的性質(zhì)和 濃度、侵蝕的條件，如溫度、時間等。侵蝕過程中，酸中的H+與玻璃中的堿離子發(fā)生互擴散，使玻璃中 的堿溶出，生成氟硅酸鹽類，此過程是活潑的溶解過程，其中H+的遷 移是主要的，即對酸腐蝕法起決定作用的是H+的濃度；酸蝕后表面生 成的ESf-Oi/進行聚合反應(yīng)，使可溶性硅酸變成不溶性硅氧，起保護 膜作用而阻止酸侵蝕玻璃過深，這種情況下可適當(dāng)延長侵蝕時間，保證玻璃表面侵蝕完全，但是當(dāng)玻璃中可溶性氧化物多時，二氧化硅的 含量就不夠，就會形成多孔的表面膜，玻璃還將受到深層的侵蝕，此 時要嚴格控制侵蝕的時間，即酸侵蝕法應(yīng)用時要考慮到所加工玻璃的 種類。一般強酸HC1、 H2S04、麗03對玻璃的侵蝕要比弱酸HAC、 H3S04嚴 重，硝酸和玻璃反應(yīng)形成的鹽比鹽酸、硫酸所形成的鹽更易被溶解。 而所有硅酸鹽玻璃都能被HF和熱的磷酸所侵蝕。綜合以上多種因素 考慮，在工藝加工酸腐蝕法中，主要采用HF (具有H+、 F—)。 HF酸的 濃度不宜過高，如49%濃HF侵蝕表面，由于產(chǎn)生大量的熱及不溶性 的氟硅酸鹽類，造成表面侵蝕速度不一致，形成粗糙的不透明的毛表 面，如果將侵蝕液稀釋10倍，侵蝕速率雖降低，但可避免不溶性鹽 的沉淀，只形成無光澤表面；如果再加入其他可溶解沉淀的酸類，如 硫酸、磷酸和硝酸，則效果更好，表面可均勻地去除。HF酸侵蝕法 的處理溫度一般為15 50度，最好為20 30度。提高溫度可以增加 侵蝕速度，縮短酸洗時間；但是溫度過高，酸液揮發(fā)大，表面侵蝕質(zhì) 量也不好。而且酸處理過程中HF的揮發(fā)，對環(huán)境造成污染，所以酸 洗槽上裝一個特殊的塑料罩，用氣封法防止HF的揮發(fā)。HF侵蝕機理是去除表面殘余的介觀裂紋層，在原有微裂紋層深 度不變的情況下，通過酸蝕，使微裂紋曲率半徑增加，裂紋尖端"變 鈍"，減少應(yīng)力集中，恢復(fù)原有強度，阻止精磨及拋光過程中微裂紋 的生長趨勢。HF中的H+和F將同時侵蝕玻璃中的氧原子，使玻璃生成無光澤表面。H+最先與微裂紋頂端開始反應(yīng)，生成硅氧保護膜，從而減緩了 HF在寬度方向上的侵蝕速度；在深度方向上，由于HF向微裂紋縫隙內(nèi)部的滲透，使微裂紋底端逐漸張開，微裂紋新表面逐漸暴露，反而加速了HF的腐蝕速度，直至微裂紋面的最底端；當(dāng)微裂紋底部完全腐蝕后，整個微裂紋表面被生成的硅氧保護膜覆蓋，阻礙侵蝕的 繼續(xù)進行。此時裂紋尖端的應(yīng)力集中被破壞，影響玻璃強度的影響因 素被減弱，微裂紋面被分開，裂紋通道被打開，著色劑分子已能夠滲 入。而且微裂紋底端己經(jīng)"變鈍"，不能再進一步生長。對酸蝕后的表面，我們涂抹分子著色劑，利用玻璃本身對水溶液 的親和性和著色劑的擴散性質(zhì)，使著色劑分子滲透進微裂紋通道內(nèi)部直至底端；用水沖洗掉表面的浮色，此時表面裂紋形態(tài)便可掌握。其 作用原理是粗加工后，如果微裂紋層存在了亞臨界裂紋或微裂紋，在酸蝕后，這些潛在的裂紋表面被張開，通道被打通，發(fā)展成微裂紋 或介觀裂紋，達到微觀或介觀尺寸，此時的著色劑分子完全可以擴散 到裂紋通道內(nèi)，顯示裂紋形態(tài)。而分子著色劑亦很方便，普通。例如普通的墨水、彩色水筆、畫 畫用的顏料等都可用作分子著色劑。我們在工藝過程中已成功使用彩 色水筆顯示裂紋形態(tài)，主要利用彩筆中的發(fā)色劑的顯色功能。本發(fā)明的積極效果利用HF腐蝕增強了玻璃表面化學(xué)及力學(xué)上 的性能；部分恢復(fù)了玻璃固有的高強特性；克服了微裂紋理論檢測方 法的局限性，簡化了工藝流程，節(jié)省了加工時間，降低了加工成本， 提高了工作效率和工藝質(zhì)量。


圖1加工流程圖。
具體實施方式
1、 粗加工后，清洗玻璃表面，除去表面吸附物質(zhì)，放置在干燥、通風(fēng)和隔振的平臺上，保持環(huán)境的清潔，先放置一段時間(24 48h)， 進行加工應(yīng)力的部分釋放。2、 應(yīng)力釋放完全后，進行HF表面侵蝕處理。其目的是對玻璃表 面進行化學(xué)增強，去除表面凸凹層，進一步去除應(yīng)力；在原有裂紋深 度不變的情況下通過酸蝕，使微裂紋曲率半徑增加，裂紋尖端變鈍， 減少應(yīng)力集中，增加強度；張開裂紋面，打開裂紋通道，使著色劑分 子能夠進入。HF酸一般用12% 15%的濃度，也可以添加適當(dāng)?shù)?H2S04(15% 60%)，減少鹽類沉淀物污濁玻璃表面。酸侵蝕表面的時間 視玻璃種類和口徑，酸的種類和濃度，及環(huán)境溫度等因素決定， 一般 為20--60min，加工大口徑(〉500mm)光學(xué)玻璃元件時，侵蝕時間一 般在2 5h之間。侵蝕溫度保持室溫。HF或HF混合劑裝在酸槽內(nèi)， 酸槽用聚苯乙烯、聚氯乙烯塑料制成，有塑料加蓋，防止酸揮發(fā)。3、 水清洗，除去玻璃表面的酸液。4、 散粒磨料的粗磨，使用粗砂進行順次研磨，去除凸凹層和介 觀裂紋層，具體磨削量由所使用金剛石磨具的磨粒粒度決定， 一般為 金剛石粒度的1 2.5倍。由于酸腐蝕已破壞了介觀裂紋層的生長趨 勢，裂紋不會繼續(xù)向內(nèi)部擴展。5、 溫水清洗玻璃表面，洗去磨料。6、 使用分子著色劑涂抹腐蝕表面，放置3 15min，如果此時存 在微裂紋，在經(jīng)過酸腐蝕之后，裂紋面已被分開，裂紋通道打通，屬 于微觀量級，著色劑分子便可以通過擴散方式滲透到裂紋的最底部。 整個裂紋形態(tài)便可用肉眼觀察到。7、 用溫水沖洗腐蝕表面，洗去表面的浮著分子著色劑。如果存 在微裂紋，由于著色劑的緣故，可以清晰地顯示出來其形態(tài)及深度， 為微裂紋的去除提供可靠的依據(jù)。8、 繼續(xù)用散粒磨料進行精磨，粒度號逐次降低，觀察著色劑的 變化，直至著色條紋徹底消失，記錄磨削量。
權(quán)利要求
1、用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的方法，其特征在于該檢測方法是在玻璃毛坯進行粗加工后，對其進行表面酸腐蝕，然后涂抹分子著色劑，使著色劑分子滲透進微裂紋通道內(nèi)部直至底端，用水沖洗掉表面的浮色，即可清晰地顯示出來微裂紋的形態(tài)及深度；具體方法步驟是(1)、玻璃粗加工完成后，放置在干燥、通風(fēng)和隔振的平臺上，為加工應(yīng)力的釋放而放置24～48h；(2)、應(yīng)力釋放完全后，進行玻璃酸侵蝕表面處理，根據(jù)玻璃種類和口徑，酸的種類和濃度，決定酸侵蝕的溫度和時間；，(3)、水清洗，除去玻璃表面的酸液；(4)、散粒磨料的粗磨，使用粗砂進行順次研磨，去除凸凹層和介觀裂紋層，具體磨削量由所使用金剛石磨具的磨粒粒度決定，為金剛石粒度的1～2.5倍；(5)、溫水清洗玻璃表面，洗去磨料；(6)、使用分子著色劑涂抹腐蝕表面，放置3～15min，著色劑分子通過擴散方式滲透到裂紋的最底部，整個裂紋形態(tài)便可用肉眼觀察到；(7)、用溫水沖洗腐蝕表面，洗去表面的浮著分子著色劑，如果存在微裂紋，由于著色劑的緣故，可以清晰地顯示出來其形態(tài)及深度，為微裂紋的去除提供可靠的依據(jù)；(8)、繼續(xù)用散粒磨料進行精磨，粒度號逐次降低，觀察著色劑的變化，多次反復(fù)直至著色條紋徹底消失，記錄磨削量。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的方法，其特征在于第(2)步玻璃酸侵蝕表面處理時，關(guān)于酸種類和濃度 的選擇，使用HF酸用濃度為12。/。 15%的冊酸；為了減少鹽類沉淀 物污濁玻璃表面，也可以添加H2SCV濃度為15% 60%;酸侵蝕法的處 理時間隨酸濃度的升高而縮短。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的 方法，其特征在于第(2)步酸侵蝕表面處理的時間視玻璃口徑 和成分，酸的種類和濃度，及環(huán)境溫度因素決定，對于中、小光學(xué)玻 璃元件，侵蝕時間為20-60min，加工口徑大于500mm的光學(xué)玻璃元 件時，侵蝕時間在2 5h之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的 方法，其特征在于第(2)步酸侵蝕表面處理的溫度HF酸侵蝕法 的處理溫度一般為15 50度，最好為20 30度，提高溫度可以增加 侵蝕速度，縮短酸洗時間。
全文摘要
本發(fā)明用分子著色劑檢測玻璃微裂紋的方法，屬于光學(xué)冷加工技術(shù)領(lǐng)域中實時檢測方法。在玻璃毛坯進行粗加工后，為了應(yīng)力釋放放置數(shù)十小時，再對其進行表面酸腐蝕，然后涂抹分子著色劑，放置數(shù)分鐘，利用玻璃本身對水溶液的親和性和著色劑的擴散性質(zhì)，使著色劑分子滲透進微裂紋通道內(nèi)部直至底端，用水沖洗掉表面的浮色，此時可以清晰地顯示出來微裂紋的形態(tài)及深度，為微裂紋的去除提供可靠的依據(jù)。本發(fā)明的積極效果利用HF腐蝕增強了玻璃表面化學(xué)及力學(xué)上的性能；部分恢復(fù)了玻璃固有的高強特性；克服了微裂紋理論檢測方法的局限性，簡化了工藝流程，節(jié)省了加工時間，降低了加工成本，提高了工作效率和工藝質(zhì)量。
文檔編號G01N21/91GK101403707SQ20081005143
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者斌 宣, 紅 張, 李俊峰, 朋 王, 陳曉蘋 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所