玻璃纤维用玻璃光学性能测试技术综述.docx

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1、随着玻璃纤维在光学领域的应用越来越多，玻璃纤维的光学参数也越来越重要。在现有玻璃光学性能测试技术中，难以测定玻璃在玻璃纤维形态下的光学参数，一般情况下均是以同种配方玻璃的光学参数来表征玻璃纤维的光学性能。本文综述玻璃纤维行业用玻璃的常用光学性能测试技术。在可见光波段（波长范围为380780nm）,玻璃纤维用玻璃常用的光学参数包含折射率及色散性能、透光性能及玻璃颜色等。同时，本文以玻璃纤维行业典型玻璃配方为例，应用上述测试技术，进行性能对比分析。当光入射到玻璃表面时，部分反射（反射率），部分透射（透射率7）,部分吸收（吸光率力），满足式（1）：H+T+4=l%（1）透射光线产生折射，其特征用玻璃

2、的折射率。表示。反射率取决于玻璃表面的光滑程度、光的入射角、玻璃的折射率和入射光的频率。当入射角为90。时，反射率可用折射率估算：1折射率及色散性能（1）折射率玻璃折射率是玻璃纤维产品的必要参数，高折射率玻璃纤维及特定折射率玻璃纤维产品已经成为行业需求。玻璃折射率是指光在真空中的传播速度（C）与光在玻璃中的传播速度（P）之比，反映了玻璃对光的折射能力:sinA(3)vsi11式中：A真空中光线的入射角；B光线在介质中的折射角。式（3）中，第一个等号的意义为玻璃折射率的定义，第二个等号的意义为折射率的测试应用。如无特殊说明，玻璃的折射率是指相对于标准空气的折射率（折射率为LOoO272）。目前常

3、用测定玻璃折射率的方法及测试原理、测试精度如表1所示。表1玻璃折射率常用测试方测试方法测试原理精度阿贝折射仪法全反射临界角10一油浸法贝克线识别与浸液折射率差1O3最小偏向角法棱镜折射IOYV棱镜法V块折射IOY表1中，阿贝折射仪法和油浸法对样品的加工要求不高，具有更好的适用性，但是其测试精度较低；最小偏向角法与V棱镜法的测试精度较高，且可测定多种波长进而可测色散，但是其加工要求较高。在玻璃折射率测试技术中，一般用V棱镜法来标定阿贝折射仪法与油浸法的折射率测试精度。本文也应用V棱镜法测定玻璃的折射率，相比于最小偏向角法，V棱镜法测试制样更简单。（2）色散性能玻璃的折射率与入射光的波长有关，因此

4、规定玻璃的折射率为入射波长589nm时的折射率，测试时使用钠黄光源，折射率符号为加，不特殊说明一般简写成必可见光中波长越大，样品的折射率越小，即光产生了色散。为了表征这种色散，引入平均色散和色散系数Y。平均色散为（Fm）,其中F为氢浅蓝色光源在486nm时玻璃的折射率，江为氢红光源在656nm时玻璃的折射率；色散系数也叫阿贝数，计算见式（4）,其中d为氢光源在588nm时玻璃的折射率。色散系数越大，色散越小。色散系数是光学系统设计中消色差%Td=经常使用的参数。Ve（4）2透光性能及玻璃颜色玻璃透光性能和玻璃颜色在理论研究和应用方面都有重要意义，它不仅关系到各种特定透光玻璃的生产，而且由于离子

5、的电价、配位、极化，影响到玻璃的透光性能及光谱特性，故可通过玻璃透光性能偏差来研究玻璃的结构与成分、玻璃的物理化学处理工艺等参数的变化。在应用时，基于玻璃的光谱曲线读取或者计算玻璃光谱透射比（人）、可见光透射比（T80V80nm）、颜色参数及色差。（1）光谱透射比r（）按照步骤：关闭或遮挡照明光源时，采集各波长下的光度响应值7o（人）；测量光路中无样品时，采集各波长下的光度响应值71。（入）；将样品置于测量光路中，采集各波长下的光度响应值Z（）;按式（5）计算得出样品的光谱透射比值I()-Iq(2)r()=；r()owo)-0(5)由于在测试时，关闭照明光源时，380780nm可见光波长范围内

6、各波长下光度响应值为0,即o(入)为0。因此，此时光谱透射比r(入)的含义等同波长为1时玻璃的透光率7()o(2)可见光透射比7380-780nm可见光透射比也称为可见光透光率，按照式(6)(a)计算。由于测试时无法选用可见光波段的每一点，因此用式(6)(b)近似替代。 100%T()Sfdf7w,nmSdtunXO-7WI nm,皿9)W7X() IwnXa380 IMM 100%(6)(3)(4) 1.ab颜色参数及色差AE为了科学地表述颜色特点，保证商品玻璃颜色的一致性，国际照明委员会创立了ClE系统，应用、a.6值表征玻璃的颜色。如图1所示。1.=100白1.=O黑图1CIE劭颜色空间

7、颜色空间中，用于表示亮度，取值范围是0,100,表示从纯黑到纯白；a表示从红色到绿色的范围，一般取值为127,T28,正值为红色；6表示从黄色到蓝色的范围，一般取值为127,-128,正值为黄色。颜色参数/副均是基于各波长的透光率数据计算得出。当然，颜色系统不仅仅有血系统，也有RGB等颜色系统，本文应用的是*颜色系统。3测试对比测试用分光光度计的型号为ThermoSCIENTIFICEvolution201紫外-可见光分光光度计。设备原理如图2所示。光阑光源准直透镜图2分光光度计原理图积分球光电探测器光谱分光装置信号采集处理玻璃测试所用试样厚为（191）mm的长方体玻璃试块，需保证两测试面平行

8、，且表面粗糙度论0.025。测试时，选取玻璃块上均匀分布的9个点，取平均值，精确到0.01mm,且9点的偏差不超过0.10mm,以此控制玻璃厚度偏差，否则需对样品再加工。所用2种玻璃纤维典型无碱玻璃（E玻璃），成分为：El和E2玻璃中主体质量成分Si2为53.OO%,B2O3为6.50%,AI2O3为14.50%,CaO为24.10%,碱金属R2（即Na2O+K2O）为0.60%,不同之处在于：El玻璃的着色成分Tio2、FeO、Fe2O3含量分别为0.30%.0.29%、0.18%；E2玻璃的着色成分TiO2、FeO.Fe2O3含量分别为0.24%.0.11%0.13%,其他成分均为MgO和

9、F2。配料时选用玻璃纤维用玻璃常用玻璃原料，即叶腊石、高岭土、石灰石、石英、硼酸等，配料后混合为均匀配合料；配合料在1560C时熔制3h；玻璃液浇注成厚为（191）mm的长方体玻璃试块；透光性能符合样品要求时可直接测试，不符合要求时进行加工处理；退火工艺为650C保温90min；切割和抛光达到样品尺寸和光滑度要求，其中折射率测试要求边长为15mm的立方体或具有不少于一个准确直角的其他几何体，两通光面要求表面粗糙度危0.025,成角要求90o10,o浇注出的El和E2玻璃冷却后均呈黄绿色，且E2玻璃的黄绿色更浅，这与玻璃的成分特征相匹配。玻璃处理后，测试透光性能T如图3所示，测试折射率n、计算反

10、射率和吸光率力数据见表2,根据图3数据计算颜色参数L、a、力如表3所示。图3中，E2玻璃在可见光波段的透光率均高于El玻璃，在589rnn波长下，El玻璃的透光率为55.18%,E2玻璃的透光率为29.87%o波长2/nm图3玻璃可见光透光性能测试表2玻璃光学性能参数几A(589nm)测试计算配方nR%77%A%El1.54914.6429.8765.49E21.54454.5855.1840.24表3玻璃光学性能参数人a、6测试计算配方LabEEl63.13-17.3520.3619.26E279.36-13.2910.82表2中，玻璃的光学参数均为589nm波长下的参数，R数据根据公式（2

11、）计算，A数据根据公式（1）计算。El和E2玻璃成分的主要差别是TiO2、FeO、Fe2O3着色成分的偏差，且偏差均在0.2%以内，这少量的着色成分偏差对玻璃的折射率影响在0.005左右，因此对反射率R的影响较小。而这少量的着色成分偏差对玻璃的透光率影响较大。表3中，E2玻璃相比于El玻璃，亮度更高，绿值更小，黄值更小，这也与E2玻璃相比于El玻璃外观黄绿色更浅相匹配；El和E2玻璃的达到了19.26,这一级别的色差在人眼观察外观方面截然不同。由此可见，少量的着色成分偏差对玻璃的色差影响较大。4结语通过测试玻璃纤维行业典型无碱玻璃的常用光学性能，可知：主体成分相同或者近似的无碱玻璃中，Tio2、Fe0、Fe2O3等着色成分的微小差异，对玻璃的透光率、吸光率以及玻璃颜色等光学性能参数影响较大。在玻璃纤维生产过程中，由于玻璃纤维的特殊形状，玻璃成分对玻璃光学性能尤其是玻璃的颜色的影响表观差异被减小，两种着色成分差异的玻璃纤维表观几乎一致，在玻璃纤维应用时，由于纤维累积，颜色差异会被放大，因此着色成分的差异会导致玻璃纤维应用产品存在色差。因此，在玻璃纤维生产过程中，尤其是对光学性能要求较高的玻璃，需严格控制玻璃成分中的着色元素含量，保证玻璃纤维性能。