用于確定玻璃或玻璃陶瓷的溫度依賴或應(yīng)力依賴的物理量的時間延遲變化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及制造或提供玻璃或玻璃陶瓷制品。更具體而言，本發(fā)明涉及一種 使得可以基于精確定義的熱機(jī)械性能而表征、生產(chǎn)和/或選擇玻璃和玻璃陶瓷制品的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以定制方式開發(fā)和制造的用于特定應(yīng)用的特種玻璃和玻璃陶瓷制品設(shè)置有非常 不同的要求，由于特定應(yīng)用對諸如熱膨脹和結(jié)構(gòu)松弛的熱機(jī)械量的不同要求，所制造的玻 璃或玻璃陶瓷部件必須滿足所述要求。這樣的定制產(chǎn)品的示例包括望遠(yuǎn)鏡反射鏡基底和玻 璃陶瓷制成的用于顯微光刻的部件。
[0003] 玻璃陶瓷在取決于產(chǎn)品的不同應(yīng)用溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較低的熱膨脹。例如 ZER0DUR是專門為在室溫范圍內(nèi)的超低熱膨脹而開發(fā)的。其它玻璃陶瓷、例如CERAN，在更 寬的溫度范圍顯示出較低的熱膨脹。
[0004]ZER0DUR和其它玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)（CTE)被指定為0°C-50°c的溫度范圍的 平均CTE，并且被分類成幾個膨脹類。但是更嚴(yán)格地，該分類僅適用于具有精確觀測的溫度 速率和溫度保持時間的預(yù)定義的測量方法。該規(guī)定對于大多數(shù)應(yīng)用是足夠的，但是在細(xì)節(jié) 上給出了材料的不準(zhǔn)確的圖象。首先，膨脹系數(shù)在〇°C-50°C的整個溫度范圍內(nèi)不是恒定 的，而是溫度的函數(shù)。而且，膨脹行為還是時間的函數(shù)，被稱為滯后行為。CTE的溫度依賴 性和時間依賴性不是ZER0DUR的特定屬性，而是所有玻璃陶瓷的內(nèi)在特征。當(dāng)在諸如用于 ZER0DUR的應(yīng)用中指定玻璃陶瓷時，迄今無法說明滯后行為，因?yàn)槿狈τ糜谥付ê皖A(yù)測它們 的合適方法。
[0005] 當(dāng)玻璃陶瓷經(jīng)受機(jī)械載荷時，也不可以指定所發(fā)生的延遲的彈性。一個隨之而來 的問題是結(jié)構(gòu)和應(yīng)力松弛的計算僅在玻璃轉(zhuǎn)化范圍內(nèi)是已知的，而對于定制要求，應(yīng)當(dāng)基 于其在室溫下的熱機(jī)械性能來選擇玻璃陶瓷。因此，有必要確定作為溫度和時間的函數(shù)的 玻璃或玻璃陶瓷材料的行為、和/或作為應(yīng)力和時間的函數(shù)的延遲的彈性，并且能夠在其 基礎(chǔ)上生產(chǎn)或選擇玻璃或玻璃陶瓷制品。
[0006] 在對于ZER0DUR的最近的潛在的應(yīng)用、諸如巨型望遠(yuǎn)鏡TMT(三十米望遠(yuǎn)鏡）或 ES0的E-ELT(兩者均為"極大型望遠(yuǎn)鏡";ELTs)中，不僅指定CTE(0°C-50°C)，而且也指定 例如材料在望遠(yuǎn)鏡的未來安裝地點(diǎn)處的使用條件下的行為。這包括-13°C至+27°C的定義 的溫度范圍，其與〇°C至50°C的常見范圍顯著不同。此外，操作期間溫度變化速率的范圍為 〈0. 17K/h，因此與36K/h的典型測量速率相比小得多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是使得可以提供具有非常精確地表征的熱機(jī)械性能的玻璃或玻璃 陶瓷制品。該目的是通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中闡釋了優(yōu)選實(shí) 施例和進(jìn)一步的變型。
[0008] 本文中所介紹的本發(fā)明是基于適當(dāng)?shù)姆椒ê湍Ｐ偷拈_發(fā)，考慮到典型的玻璃轉(zhuǎn)化 之下的松弛現(xiàn)象，所述方法和模型使得可以高度精確地表征玻璃和玻璃陶瓷的熱機(jī)械性 能。在下文中，術(shù)語"玻璃轉(zhuǎn)化之下"（根據(jù)ISO7884-8定義的轉(zhuǎn)化溫度Tg)是指Tg減去 100K以下的溫度范圍，其中松弛現(xiàn)象不能由玻璃轉(zhuǎn)化物理現(xiàn)象的模型和技術(shù)來表示。在玻 璃陶瓷的情況下，溫度Tg是殘留的玻璃相的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
[0009] 以前的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力松弛的模型僅可以模擬在玻璃轉(zhuǎn)化范圍內(nèi)的松弛過程。顯著較 低溫度下的松弛過程的存在是已知的并且可以測量。雖然已經(jīng)開發(fā)了提高測量精確度的方 法，但是在評估和表征所影響材料性能中卻忽視了松弛現(xiàn)象。其結(jié)果是，對于材料性能的足 夠好的量化，在測量中需要表示精確的應(yīng)用條件（如溫度-時間歷史）。由于計量原因和由 于缺少時間，在許多情況下這是不可能的。尚不存在用于上述松弛現(xiàn)象的合適的模型。
[0010] 因此，測量條件和使用條件之間的差別產(chǎn)生與基于測量的不確定性所可以假定的 相比顯著更大的誤差。特別是，松弛現(xiàn)象如何在不同的溫度范圍內(nèi)相互影響是不確定的。
[0011] 考慮到熱歷史和可自由選擇的熱使用條件和相關(guān)的松弛現(xiàn)象，本發(fā)明還提供了用 于預(yù)測T〈Tg-100K時的熱膨脹的方法。
[0012] 到目前為止，已經(jīng)基于整個預(yù)定義的溫度范圍內(nèi)由測量技術(shù)測量的平均熱膨脹表 征了熱膨脹，使用的熱條件顯著不同于測量條件。當(dāng)前所述的預(yù)測熱膨脹的方法克服了該 問題，即所使用的實(shí)際測量方法可以很好地表征材料的行為，使得獲得顯著更高的預(yù)測精 度。
[0013] 考慮到熱機(jī)械歷史和可自由選擇的熱機(jī)械使用條件和相關(guān)的松弛現(xiàn)象，這同樣適 用于在玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下的溫度下預(yù)測延遲彈性。
[0014] 為此，本發(fā)明提供了用于確定玻璃或玻璃陶瓷的溫度依賴的或應(yīng)力依賴的物理量 的時間延遲的變化的方法，在上限為不高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下100K的溫度范圍內(nèi)（即玻璃 轉(zhuǎn)化溫度之下100K或小于玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下100K)進(jìn)行所述確定，其中，以溫度或機(jī)械應(yīng) 力的不同變化速率，將所述玻璃或玻璃陶瓷材料的變形作為時間的函數(shù)測量至少兩次，也 在不高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下100K的溫度下進(jìn)行所述測量，以及其中，確定基準(zhǔn)溫度的玻璃 或玻璃陶瓷材料的多個松弛時間，以及確定加權(quán)因子，其表示在玻璃或玻璃陶瓷的松弛中 的松弛時間的加權(quán)。之后這些松弛時間和加權(quán)因子使得可以作為預(yù)定義的溫度變化或應(yīng)力 變化的函數(shù)計算溫度依賴的或應(yīng)力依賴的物理量的時間延遲的變化。
[0015] 本發(fā)明意義上的術(shù)語"時間延遲的變化"指的是物理量的變化，其不會即刻發(fā)生， 而是在溫度或機(jī)械應(yīng)力已經(jīng)變化之后發(fā)生。優(yōu)選地，在溫度或機(jī)械應(yīng)力變化之后，計算至少 10秒、優(yōu)選至少10分鐘的時間或周期。
[0016] 所述方法特別適用于預(yù)測玻璃或玻璃陶瓷的熱或機(jī)械變形形式的物理量。但是， 其它物理量也受到玻璃或玻璃陶瓷材料的松弛的影響。這些包括熱容以及折射率。
[0017] 本發(fā)明通常適用于計算以下時間延遲的變化：
[0018]-長度的變化；
[0019] -體積的變化；
[0020] -折射率的變化；
[0021] -熱容的變化；
[0022]-剪切模量的變化；
[0023]-體積模量的變化；
[0024]-扭轉(zhuǎn)模量的變化；
[0025] -楊氏模量的變化。
[0026] 這使得不僅可以計算和預(yù)測時間延遲的變化，也可以計算和預(yù)測作為溫度或機(jī)械 應(yīng)力的變化的函數(shù)的這些量的相應(yīng)絕對值。
[0027] 可以使用材料的一個或多個時間依賴的變形的參數(shù)來表征物理量的時間延遲的 變形，所述參數(shù)描述在玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下至少l〇〇K(即不高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度之下100K)的 溫度下的玻璃或玻璃陶瓷的變形。然后可基于所確定的松弛時間來確定這些參數(shù)的時間依 賴性。對于更大的溫度偏差，除了松弛時間和加權(quán)因子還可以確定熱位移函數(shù)，其中對于所 述溫度偏差，計算物理量的時間依賴性、諸如如前所述的時間延遲的變形。位移函數(shù)規(guī)定了 玻璃或玻璃陶瓷材料的松弛如何作為溫度的函數(shù)而變化。位移函數(shù)不僅描述由于溫度變 化而變形的該依賴性，而且也更普遍地描述其它依賴于玻璃或玻璃陶瓷的松弛狀態(tài)的物理 量、如折射率、剪切或扭轉(zhuǎn)模量和熱容的該依賴性。
[0028] 時間依賴的變形的參數(shù)是指依賴于時間依賴的量影響材料的機(jī)械性能或機(jī)械狀 態(tài)的物理量。機(jī)械狀態(tài)還包括由特別是玻璃或玻璃陶瓷材料制成的制品的幾何形狀。例如