PDF《圆柱形红外硫系玻璃淬冷降温模型与实验分析鄢》

物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿源圆员苑 M圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠 摇 澡贼贼责院辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶 园愿源圆员苑鄄员 摇摇摇摇圆柱形红外硫系玻璃淬冷降温模型与实验分析鄢 宋宝安L 摇 戴世勋摇 徐铁峰摇 聂秋华摇 沈摇 祥摇 王训四摇 林常规 渊宁波大学信息科学与工程学院袁宁波摇 猿员缘圆员员冤 渊圆园员园 年 员园 月苑日收到曰圆园员员 年猿月员源 日收到修改稿冤 摇摇出炉温度和冷却速率是大尺寸硫系玻璃制备过程中的关键参数援 在热传导方程理论基础上袁运用最小二乘拟 合的方法建立计算圆柱形硫系玻璃冷却过程温度分布的理论模型援 利用该模型对硫系玻璃的出炉温度尧出炉后温 度分布以及冷却速率进行了仿真分析袁并将仿真分析结果与实验数据进行了比较援 研究表明院出炉后玻璃棒的温 度处于非稳态非均匀分布袁其表面降温最快袁且速率随时间呈现指数型下降曰玻璃棒温度从中心到边缘近似呈抛物 线型分布曰当以高于析晶温度 缘园要员园园 益袁表面热交换系数 员愿园 宰窑皂原圆运原员出炉时袁玻璃最不容易析晶援 在该理论 模型指导下袁实验上获得了直径为 员员园 皂皂袁高为 愿园 皂皂 的均匀透明圆柱形硫系玻璃援 该玻璃透射谱范围是 园郾 愿要 员苑 滋皂袁在 愿要员圆 滋皂 的区域内袁圆 皂皂 厚平片的平均透过率高于 远缘豫 援 关键词院 红外硫系玻璃袁 淬冷降温模型袁 析晶 孕粤悦杂院 源圆援 苑园援 运皂袁 源源援 员园援垣 蚤 鄢国家自然科学基金渊批准号院远园愿苑愿园源圆袁远园怨苑愿园缘愿冤尧浙江省杰出青年基金渊 批准号院砸员员园员圆远猿冤尧浙江省高等学校科研计划渊 批准号院 再圆园园怨园苑远缘源冤尧宁波市科技创新团队计划渊批准号院圆园园怨月圆员园园苑冤尧宁波市自然科学基金渊批准号院圆园员员粤远员园员愿苑冤尧宁波大学王宽诚幸福基 金和宁波大学人才工程渊批准号院园员园园员员圆园员冤资助的课题援 L 耘鄄皂葬蚤造院 泽燥灶早遭葬燥葬灶岳 灶遭怎援 藻凿怎援 糟灶 员郾 引言硫系玻璃是一种以遇 粤 族元素 杂袁杂藻袁栽藻 为主 要组分的红外光学材料援 它具有较小的热差系数袁 宽光谱透过性和优良的化学稳定性等特点袁适合运 用精密模压的方法批量制备各种红外镜片袁且制作 成本较单晶或多晶材料低廉援 更重要的是袁杂袁杂藻 及 栽藻 可与其他元素形成化学计量或非化学计量组成 的玻璃袁使其性能具有连续可调的优势咱员袁圆暂 援 因此袁 自 圆园 世纪 缘园 年代制备成功以来袁硫系玻璃已在红 外光学系统中被相继采用援 随着焦平面阵列以及非 冷却式探测器技术的发展袁硫系玻璃已成为可与 锗尧硫化锌和硒化锌等晶体共同应用于红外热像仪 开发的优良候选材料袁在枪瞄尧导航尧星际生命探测 以及车载夜视等领域具有广阔的应用前景咱猿袁源暂 援尽管如此袁大尺寸红外硫系玻璃的性能在很大程度上 却受到了制备工艺的制约援 与传统的氧化物光学玻 璃相比袁硫系玻璃制备工艺具有很强的特殊性袁它 需要在真空密封的圆柱形无氧石英安瓿中进行熔 制袁且无法进行搅拌袁待石英安瓿出炉后才可以对 其进行淬冷及退火袁其中装有硫系玻璃熔液的石 英安瓿出炉工艺渊即出炉温度和冷却速率等冤对材 料的红外透过特性尧玻璃液固化后表面的结构具 有至关重要的影响援 目前袁国内外学者在硫系玻璃 制备工艺方面袁鲜有尝试借助理论建模分析玻璃 出炉的热效应咱缘袁远暂 袁文献咱苑袁愿暂 是对浮法玻璃以及 非晶合金温度场进行的模拟计算援 另外袁借助于工 艺经验来确定出炉温度及冷却速率袁在研制新组 分且不同直径的硫系玻璃时需要反复摸索工艺袁 开发周期较长援 本文是在 员员园 皂皂 口径大尺寸硫系玻璃制备实 践和热传导方程理论的基础上袁运用最小二乘拟合 方法构建圆柱形硫系玻璃冷却过程温度分布的理 论模型援 利用该模型对硫系玻璃出炉温度尧出炉后 的温度分布以及冷却速率进行了仿真计算袁并与实 验数据进行了比对援 圆郾 淬冷降温模型的建立 硫系玻璃出炉时袁全面考虑热辐射尧石英安瓿 边界条件以及玻璃熔融体的晃动等袁将使得理论建 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿源圆员苑 园愿源圆员苑鄄 圆摇摇摇摇模非常复杂袁几乎无法获得解析解袁即使数值求解 有时能获得一些精确数据袁但是其物理意义已不 明确援 这样既不利于对物理问题的理解袁也不利于 工艺流程的改善援 仿照在激光器中工作物质的温 度建模咱怨袁员园暂 袁首先简化边界条件袁因石英安瓿的热 扩散率远大于硫系玻璃袁故忽略其对硫系玻璃温 度分布的影响援 另外袁由于圆柱形石英安瓿是均匀 轴对称分布袁且两端绝热袁可视为无限长圆棒的冷 却问题袁故硫系玻璃出炉后袁其淬冷降温的热传导 方程为咱员员暂 鄣栽渊则袁贼冤 鄣贼 越噪糟籽 鄣栽圆 渊则袁贼冤 鄣则圆 垣员则鄣栽渊则袁贼冤 鄣则 ( ) 摇 渊园 臆则约砸袁贼 跃 园冤袁 渊员葬冤 栽渊则袁园冤 越 栽园 摇 渊园 臆则约砸袁 贼越园冤袁 渊员遭冤 鄣栽渊砸袁贼冤 鄣则 越原匀栽渊砸袁贼冤摇 渊则 越 砸袁 贼跃园冤援渊员糟冤 这里 栽园 是玻璃出炉温度袁 噪 是玻璃热传导系数袁 匀 是玻璃棒表面热交换系数渊匀 越澡辕噪袁澡 是棒表面对 流热交换系数冤袁 糟和籽分别是玻璃比热容和密度袁 则 是玻璃棒径向位置袁 贼 是时间袁 砸 是玻璃棒半径援 本 文为了计算方便袁初始温度取为 园 益援 用分离变量 法求解方程渊员冤可得 栽渊则袁贼冤 越圆砸圆 鄱肄皂越员藻原葬茁圆 皂贼 茁圆 皂 允园 渊茁皂则冤 渊茁圆 皂垣匀圆 冤允圆 园 渊茁皂 砸冤 伊乙砸园则栽渊则袁园冤允园 渊茁皂则冤凿则援 渊圆冤 由于 栽渊则袁园冤 越 栽园 袁所以渊圆冤式可以简化为 栽渊则袁贼冤 越 圆栽园 砸鄱肄皂越员藻原葬茁圆 皂贼 茁皂 允园 渊茁皂 则冤允员 渊茁皂 砸冤 渊茁圆 皂垣匀圆 冤允圆 园 渊茁皂砸冤 越 圆匀栽园 砸鄱肄皂越员藻原葬茁圆 皂贼 允园 渊茁皂 则冤 渊茁圆 皂垣匀圆 冤允园 渊茁皂 砸冤 援渊猿冤 这里 茁皂 是本征方程 茁皂 允员 渊茁皂 砸冤 越 匀允园 渊茁皂 砸冤 第皂个根曰 允园 袁允员 分别是零阶和一阶贝塞尔函数援 推导渊猿冤式时袁忽略了热辐射的影响援 实际上袁 由于硫系玻璃红外透过率较高袁处于高温的玻璃棒 端面和内部热量可以通过电磁辐射的方式释放出 来援 根据黑体辐射规律袁温度处于 圆园园要远园园 益 的硫 系玻璃辐射电磁波为 猿要员远 滋皂援 辐射换热相对比 较均匀袁仅影响降温的速率袁不影响温度的分布援 通 过理论计算结果和实验数据的比对袁可以修正热辐 射对降温速率的影响援 利用渊猿冤式理论计算得出的 硫系玻璃出炉后温度下降到一半时所需的时间 贼贼澡员 辕圆尧实验中实际测量得到的温度下降到一半时所 需时间 贼藻曾责员 辕圆以及玻璃棒半径 砸 一并列于表 员援 理论 计算过程中所使用的参量取值列于表 圆袁表中 琢是硫系玻璃的热扩散系数援 表 员摇 冷却到出炉温度的一半时所需时间 砸辕皂皂 贼藻曾责员 辕圆辕皂蚤灶 贼贼澡员 辕圆辕皂蚤灶 猿园 猿郾 缘 猿郾 缘 缘园 缘郾 园 远郾 园 愿园 苑郾 缘 员员郾 缘表圆摇 郧藻圆愿 杂遭员圆 杂藻远园 硫系玻璃的一些参量在计算中的取值 参量 噪辕 宰窑皂原员运原员澡辕 宰窑皂原圆运原员栽园 辕益糟辕 允窑早原员运原员砸辕皂籽辕 噪早 窑皂原猿琢辕 员园 原远皂圆 窑泽原员取值 园郾 缘 员愿园 远园园 园郾 缘远 园郾 园圆 源远苑园 园郾 员怨员 摇摇由表 员 中的数据可知袁当玻璃棒的半径为 猿园袁 缘园 和 愿园 皂皂 时袁理论计算所得的数据要大于实验测 量值援 根据表 员 中的数据袁通过最小二乘拟合的方 法可以得到热辐射的修正函数 枣渊砸冤 越原园郾 圆圆砸圆 垣 园郾 愿圆砸 垣 园郾 苑猿 援 渊源冤 由渊猿冤和渊源冤式可得硫系玻璃淬冷降温的修正模型 如下院 栽渊则袁贼冤 越 圆枣渊砸冤匀栽园 砸鄱肄皂越员藻原葬茁圆 皂贼 允园 渊茁皂 则冤 渊茁圆 皂垣匀圆 冤允园 渊茁皂砸冤 越原园郾 源源砸 垣 员郾 远源 垣 员郾 源远 砸()伊匀栽园 鄱肄皂越员藻原葬茁圆 皂贼 允园 渊茁皂 则冤 渊茁圆 皂垣匀圆 冤允园 渊茁皂砸冤 援渊缘冤 猿郾 实验实验中硫系玻璃组分为 郧藻圆愿 杂遭员圆 杂藻远园 袁采用熔融 急冷法制备援 样品的制备须经过石英安瓿的预处 理尧原料的称量尧真空封接尧熔制尧退火尧切割尧抛光 等过程援 玻璃在特制摇摆熔炉中熔制袁 在 怨缘园 益下熔制 员缘 澡袁确保玻璃液体均匀熔化后袁使其降温并从 摇摆炉中取出安瓿瓶袁再用压缩空气流进行急冷袁 使熔融液降温凝固成玻璃态物质援 温度下降至约为 出炉温度的 员辕圆时袁将安瓿瓶放入退火炉中进行退 火援 急冷时间采用秒表记录袁出炉温度从摇摆炉中 读取并记录袁急冷后玻璃的温度用手持式红外测温 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿源圆员苑 园愿源圆员苑鄄猿 摇摇摇摇仪记录援 硫系玻璃棒经过切片尧粗磨尧精抛后采用美 国尼高力公司生产的 猿愿园 型傅里叶红外光谱仪测量 红外透射谱援 硫系玻璃从摇摆炉中取出时的温度及压缩空 气流的急冷速率决定了其冷却所需时间袁同时也会 影响玻璃的均匀性以及红外透过特性援 本文主要目 的是从理论上建立硫系玻璃出炉后的淬冷降温模 型袁用以指导不同直径的硫系玻璃棒的制备袁以期 获得具有良好性能的大尺寸硫系玻璃援 图 员摇 硫系玻璃棒出炉后温度 栽 随时间 贼 和径向位置 则 的变化 摇 渊葬冤砸 越 圆园 皂皂袁渊遭冤砸 越 猿园 皂皂袁渊糟冤砸 越 缘园 皂皂袁 渊凿冤砸 越 愿园 皂皂 源郾 结果分析 源郾 员郾 温度分布 由理论模型计算可得袁硫系玻璃棒冷却时袁温 度栽随时间 贼 和径向位置 则 的变化如图 员 所示袁由图 员 可知袁玻璃棒出炉后袁其表面降温速率最快且随时 间呈现指数型下降袁玻璃棒温度从中心到边缘近似 呈抛物线型分布援 随着玻璃棒半径的增大袁玻璃棒 中心降温速率逐渐变慢袁冷却所需时间逐渐变长援 理论上袁当玻璃棒的半径大于 愿园 皂皂 时袁棒中心将 析晶失透援 源郾 圆郾 出炉温度与析晶时间 硫系玻璃的析晶区域是 源园园要缘缘园 益袁利用模型 仿真分析了半径为 圆园 皂皂 的玻璃棒中心冲过析晶 区所需时间 贼 与出炉温度 栽园 之间的关系袁结果如图 圆 所示援 从图 圆 可以看出袁在初始阶段袁出炉温度的 升高可以显著降低冲过析晶区域的时间袁但是当硫 系玻璃棒以高于析晶温度 员缘园 益 以上出炉时袁冲过 析晶区所需时间 贼 与出炉温度 栽园 的关系曲线变化 就比较平缓援 玻璃刚出炉时袁由于玻璃棒整体温度 相等袁故棒中心的温度保持不变援 当玻璃棒侧面对 流换热使其形成一定的温度梯度后袁棒中心开始 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿源圆员苑 园愿源圆员苑鄄 源摇摇摇摇降温援 由此可知袁当高于析晶温度约 缘园要员园园 益出炉袁玻璃最不容易析晶袁温度过高或过低均不利于 获得均匀透明的硫系玻璃棒援 玻璃棒刚出炉时袁棒 中心温度高于析晶温度袁当中心温度处于析晶区 域时袁玻璃棒中心降温加快袁故以高于析晶温度 缘园要员园园 益出炉时袁易获得均匀透明的硫系玻璃棒援 图 圆摇 玻璃棒中心冲过析晶区所需时间 贼 与出炉温度 栽园 的关系 图 猿摇 硫系玻璃出炉后温度下降一半所需时间 贼 与半径 砸 的关系 源郾 猿郾 辐射换热的影响 采用渊猿冤式计算所得和实验测得的硫系玻璃出 炉后温度下降一半所需时间 贼 与半径 砸 之间的关系 如图 猿 所示援 从图 猿 可以看出袁随着半径的增大袁理 论计算值将大于实验测量值援 这是因为随着玻璃棒 半径的增大袁端面热辐射所占比例随之增大援 玻璃 棒出炉时袁玻璃管上方是真空袁下方为绝热材料袁由 对流引起的玻璃两端的热交换可以忽略袁但是端面 热辐射引起的热交换会随着玻璃棒半径的增大而 增大援 玻璃棒侧面采取冷空气对流急冷的方法使其 冷却袁温度下降较快援 由于辐射换热速率近似与温 度的 源 次方成正比袁所以玻璃棒侧面辐射换热随着 温度降低而迅速减小袁与对流换热相比几乎可以忽 略援 由此可知袁辐射换热主要发生在玻璃棒的两个 端面袁并且随着玻璃棒半径的增大袁端面辐射换热 所占比例增大袁结果如表猿 所列援 表猿 中匝是总的热 流量袁匝员 是对流热流量袁匝圆 是辐射热流量袁浊 是 匝圆 与匝之比袁表中数据是在表面对流热交换系数 澡越员愿园 宰窑皂原圆运原员尧出炉温度 栽园 越 远园园 益 时获得的援 表 猿摇 热辐射所占比例 砸辕皂皂 匝辕 宰 匝员 辕宰匝圆 辕宰浊辕 豫 猿园 圆源园 圆猿员 怨 猿郾 苑缘 缘园 圆愿园 圆猿员 源怨 员苑郾 缘 愿园 缘远园 源猿猿 员圆苑 圆圆郾 苑 源郾 源郾 红外透过特性 在该理论模型指导下袁成功制备了直径为 员员园 皂皂 的大口径均匀透明 郧藻圆愿 硫系玻璃袁该玻璃与德 国 灾蚤贼则燥灶 公司生产的 陨郧缘 玻璃组分相近援 我们对比 测量了厚度为 圆 皂皂 的 郧藻圆愿 玻璃和 陨郧缘 玻璃平行 平片的红外透射谱袁结果如图 源 所示援 从图 源 可以 看出袁在 猿要员缘 滋皂 区域透射谱线比较平坦袁郧藻圆愿 玻 璃相对于 陨郧缘 玻璃在 员圆郾 愿 滋皂 处的 郧藻要韵 吸收峰 较小袁在 源郾 缘 滋皂 处的 杂藻要匀 吸收峰较大援 通过采用 特殊的工艺可以进一步减小杂质元素 匀和韵的含 量袁进而减小 郧藻要韵 和 杂藻要匀 吸收峰的影响援 郧藻圆愿 玻璃在 员园郾 远 滋皂 的折射率是 圆郾 远园袁圆 皂皂 厚的平片 在 愿要员圆 滋皂 区域内的平均透过率高于 远缘豫 袁镀膜 后平均透过率可达 怨愿豫 袁温度为 圆园 益 时袁热差系数 约为缘园 伊 员园 原远益原员袁该玻璃能较好地应用在枪瞄尧 导航尧星际生命探测和车载夜视等领域援 图 源摇 硫系玻璃的红外透射谱 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 愿 渊圆园员员冤摇 园愿源圆员苑 园愿源圆员苑鄄缘 摇摇摇摇缘郾 结论通过理论推导与实验比对的方法袁构建了硫 系玻璃棒出炉后淬冷降温理论模型袁并利用该模 型.

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