光学部件及其制造方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201280015519.6 | 申请日 | 2012-09-28 | 公开(公告)号 | CN103443658B | 公开(公告)日 | 2016-05-11 |
| 申请人 | 住友电气工业株式会社; 住友电工硬质合金株式会社; | 发明人 | 吉田克仁; 栗巢贤一; 京谷达也; | ||||
| 摘要 | 本 发明 的光学部件由ZnSe多晶体构成，所述ZnSe多晶体由晶粒构成，所述晶粒具有50μm以上且1mm以下的平均粒径，且所述ZnSe多晶体具有99%以上的相对 密度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制造光学部件的方法，所述光学部件由ZnSe多晶体构成，所述ZnSe多晶体由晶粒构成，所述晶粒具有50μm以上且1mm以下的平均粒径，且所述ZnSe多晶体具有99％以上的相对密度，所述方法包括： |
||||||
| 说明书全文 | 光学部件及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及光学部件及其制造方法。 背景技术[0002] ZnSe(硒化锌)在透射红外光的特性方面优异。因此，将硒化锌用于光学部件如用于切割加工、金属板加工的二氧化碳气体激光器的窗口材料和透镜材料等中。通过CVD法(也称作化学气相沉积法、化学气相生长法等)合成材料并然后对材料应用机械加工如研磨和抛光，将用于这种光学部件中的ZnSe形成为具有各种部件形状。 [0003] 这种光学部件的制造成本主要由材料成本和机械加工成本决定。降低这些成本对于由ZnSe制成的光学部件的广泛使用是重要的。诸如研磨和抛光的机械加工不仅耗时而且由于从大块材料切出部件形状而以机械加工碎屑的形式造成或多或少的材料浪费，从而导致制造成本升高。 [0004] 作为以更廉价方式制造由ZnSe制成的光学部件的方法，已经提出了以最小程度应用机械加工的方法。例如，WO2003/055826(专利文献1)提出使用加压/加热压制以实施网状变形而从原料粉末得到最终形状的方法。此外，日本特开平05-043359号公报(专利文献2)提出对由细晶体构成的多晶体进行压制成型的方法。 [0005] 引用列表 [0006] 专利文献 [0007] 专利文献1：WO03/055826 [0008] 专利文献2：日本特开平05-043359号公报 发明内容[0009] 技术问题 [0010] 根据专利文献1中公开的方法，对原料粉末进行成形并烧结以制造具有高于或等于55%且低于或等于80%的相对密度的烧结体，然后在高温条件下对烧结体进行压制以变形为最终形状。该方法不使用机械加工，而是使用粉末形式的原料，且在烧结的同时将原料粉末变形为部件形状。因此，杂质的并入是不可避免的，且担心对透光性造成不利影响。 [0011] 根据专利文献2中公开的方法，通过在1300～1500℃的温度下对具有小于或等于3μm平均粒径的烧结体(多晶体)进行压制成形而制造成型制品。由于该方法利用多晶体的蠕变变形，所以需要使用晶粒径小的烧结体，从而造成晶粒间界滑动并有助于蠕变变形。因此，尽管该方法不使用机械加工，但是在具有大晶粒径的多晶体中会由于蠕变变形速率低且烧结体的强度低而发生裂纹和破坏。由于通过CVD法合成的ZnSe多晶体通常具有大于或等于10μm的晶粒径，所以不能应用专利文献2的方法。 [0012] 因此，尽管通过CVD法合成的ZnSe多晶体在从可见范围到红外范围的光的宽波长范围内有利地具有高透射率，但是不能使用不使用机械加工的上述常规方法，从而使得制造成本的下降困难。因此，需要开发使用通过CVD法合成的ZnSe多晶体在不使用机械加工的条件下以廉价方式制造光学部件的方法。 [0013] 鉴于上述目前的状况，完成了本发明，且本发明的目的是提供一种能够使用通过CVD法合成的ZnSe多晶体并在不使用机械加工的条件下以廉价方式制造的光学部件。 [0014] 解决问题的手段 [0015] 为了解决上述问题，本发明人进行了勤奋地研究。尽管认为具有相对大晶粒径并通过CVD法合成的ZnSe多晶体仅能够通过机械加工成形为部件形状，但是本发明人发现，通过在采用特定条件的情况下使用压制成型法能够将这种ZnSe多晶体成形为具有部件形状。本发明人还发现，在这种条件下加工的ZnSe多晶体具有特殊的特性，并根据该发现进行了进一步研究，从而实现了本发明。 [0016] 具体地，本发明的光学部件由ZnSe多晶体构成，所述ZnSe多晶体由晶粒构成，所述晶粒具有50μm以上且1mm以下的平均粒径，且所述ZnSe多晶体具有99%以上的相对密度。 [0017] 本发明还涉及一种制造上述光学部件的方法。所述方法包括：通过CVD法合成ZnSe多晶体的第一步骤；以及对在所述第一步骤中合成的ZnSe多晶体进行压制成型的第二步骤。在如下条件下实施所述第二步骤：在920℃以上且1030℃以下的温度和20MPa以上且60MPa以下的压力下，在惰性气氛中施加负荷并持续至少5分钟。 [0019] 有益效果 [0020] 本发明的有益效果在于，本发明的光学部件具有能够以廉价方式制造的有利优点。 具体实施方式[0021] 下文中，将对本发明进行更详细的说明。 [0022] <光学部件> [0023] 本发明的光学部件由ZnSe多晶体构成，所述ZnSe多晶体由晶粒构成，所述晶粒具有50μm以上且1mm以下的平均粒径，且所述ZnSe多晶体具有99%以上的相对密度。 [0024] 本文中，平均粒径是通过如下得到的平均值：利用盐酸对光学部件(ZnSe多晶体)进行腐蚀；使用光学显微镜在20倍放大倍率下照相；在照片上画五条60mm的直线；并对存在于各直线上的晶粒的晶粒间界之间的距离进行测量。 [0025] 当平均粒径小于50μm时，吸收速率由于晶粒间界散射而在可见范围内不利地下降。当平均粒径大于1mm时，在成型阶段期间破损的危险性高。该平均粒径优选为50μm以上且300μm以下。 [0026] 此外，相对密度是相对于ZnSe的理论密度(5.27g/cm3)的相对比。通过将通过阿基米德法测得的比重除以理论密度能够计算相对密度。相对密度低于99%是指，存在不可忽略数量的孔，从而由于存在孔而造成光的散射大，使得ZnSe不能用于光学部件。由于优选将相对密度的上限设定得尽可能高，且理想的相对密度是100%，所以不需要特别限制相对密度的上限。相对密度更优选为99.8%以上。 [0027] 本发明的这种光学部件是并入到利用红外光等的各种装置中以提供光学功能的部件，并包括例如用于切割加工和/或金属板加工的二氧化碳气体激光器的窗口材料和透镜材料。 [0028] 通过下述制造方法制造本发明的这种光学部件。换言之，通过下述制造方法制造的光学部件展示上述特性。因此，本发明展示如下优异效果：能够在不使用诸如研磨和抛光的机械加工的条件下以廉价方式制造光学部件。 [0029] <制造方法> [0030] 通过下述制造方法制造本发明的光学部件。具体地，制造方法包括：通过CVD法合成ZnSe多晶体的第一步骤；以及对在所述第一步骤中合成的ZnSe多晶体进行压制成型的第二步骤。在如下条件下实施所述第二步骤：在920℃以上且1030℃以下的温度和20MPa以上且60MPa以下的压力下，在惰性气氛中施加负荷并持续至少5分钟。换言之，本发明的制造方法展示了如下效果：能够在不使用诸如研磨和抛光的机械加工的条件下使用通过CVD法合成的具有相对大晶粒径的ZnSe多晶体以廉价方式制造光学部件。 [0031] 本文中，优选地，在将所述ZnSe多晶体设置在压制成型模具中的条件下实施所述第二步骤，且所述压制成型模具由玻璃质碳或碳化硅烧结体制成。 [0032] 作为对关于通过CVD法合成的ZnSe多晶体在高温条件下的特性进行研究的结果，本发明人发现，该多晶体在高于或等于920℃的温度下软化并在施加负荷的条件下发生弹性变形。提供弹性变形的温度越高，越有助于变形。然而，在惰性气氛中在超过1030℃的温度下ZnSe开始分解。因此发现，应在920℃以上且1030℃以下的温度下实施成型。更优选的温度为950℃以上且1020℃以下。 [0033] 在防止ZnSe的氧化方面，在加热下造成弹性变形的气氛要求在压力低于或等于1×10-3Pa的真空中加热或在惰性气体如Ar或氮气的气氛中加热。然而，由于在真空中加热的情况中在超过950℃温度时ZnSe开始分解，所以优选在惰性气氛中实施加热。 [0034] 另一方面，在将透镜成型为光学部件时，由于透镜通常具有凹入形状或凸起形状并在成型阶段中伴随有变形，所以在成型阶段中的加压面积随变形而变化并且不恒定。例如，由于成型模具与材料(ZnSe多晶体)之间的接触面积随变形而增大，所以难以保持施加恒定的压力，且并不总是需要保持恒定的压力。 [0035] 至于在成型阶段中的这种压力，在成型模具与材料之间的接触面积变得更大的变形结束阶段期间施加的压力是重要的。因此，基于通过将施加的负荷除以变形之后的接触面积(换言之，光学部件的表面积)而计算的压力，成型压力优选使用20MPa以上且60MPa以下的压力。当压力低于20MPa时，存在变形不足的情况。当压力高于60MPa时，存在在多晶体中可能发生诸如裂纹的破损的情况。更优选地，所述范围为25MPa以上且50MPa以下。 [0036] 此外，作为压制方法，随时间逐渐提高负荷的方法能够补偿模具与材料之间的接触面积的增大。提高负荷的速率优选慢。然而，速率的限制与生产率有关。通常，速率优选高-4于或等于0.2MPa/秒并低于或等于0.5MPa/秒。在该阶段的变形速率展示了约3×10 /秒～1×10-3/秒的值。本文中所述的变形速率是通过将材料的变形体积(ΔL)除以材料的原始尺寸(L)和变形所需要的时间(T)而计算的值(ΔL/L/T)。 [0037] 在经历这种加工之后，通过使用上述条件的压制成型(第二步骤)将通过CVD法合成的ZnSe多晶体(在第一步骤中合成的ZnSe多晶体)成型为光学部件。在压制成型期间的加热和加压造成该ZnSe多晶体的变形和再结晶而使得晶粒生长。晶粒的生长取决于加热温度和加热时间。为了对光学部件的最终形状进行精整，应实施加压和加热并持续至少5分钟。换言之，在第二步骤中应施加负荷并持续至少5分钟。 [0038] 在压制成型阶段中，由压力造成的变形造成扭曲，且扭曲量根据变形速率而变得更大。因此，为了减少扭曲，优选在长时间周期内在逐渐变形的条件下实施加压变形。另一方面，对加压变形花费过长时间由于粒子生长而使得晶粒变大，由此劣化变形之后的形状精度。实现具有较少扭曲和较高精度的形状的成型时间根据温度而不同。因此，成型时间不能一概地设定。然而，如上所述，时间应为至少5分钟，更优选长于或等于5分钟并短于或等于30分钟。 [0039] 此外，当时间长于30分钟时，形状精度会由于粒子的过度生长而劣化，并且在最差情况中会造成不利的破损。 [0040] 如上所述，在将所述ZnSe多晶体设置压制成型模具中的条件下实施所述第二步骤。所述压制成型模具优选由玻璃质碳或碳化硅烧结体制成。这是因为：在约1000℃的高温下保持强度；对ZnSe的反应性低；且热膨胀系数小。本文中，玻璃质碳是处于具有0(零)空气电容率的玻璃形式的碳。 [0041] 通过CVD法合成ZnSe多晶体的第一步骤的条件可以包括常规已知的条件，且没有特别限制。例如，使得Zn和H2Se在550～800℃的衬底温度和100～2000Pa的压力的条件下反应能够合成ZnSe多晶体。 [0042] 通过这种CVD法合成的ZnSe多晶体由通常具有大于或等于10μm的平均粒径的晶粒构成。根据本发明，优选使用平均粒径为约5～25μm的晶粒。这是因为，过大的粒子会在成型阶段期间造成破损。为了具有这种平均粒径，在上述条件下优选将衬底温度设置为550～650℃的特定温度。 [0043] 如上所述，根据本发明的制造方法不需要诸如研磨和抛光的机械加工。本文中所述的机械加工是指为了将最终的光学部件成型并将影响制造成本的机械加工碎屑排出而实施的加工。因此，对在第一步骤中合成的ZnSe多晶体进行成型以设置在用于第二步骤中的压制成型模具中的初步加工和在初步加工期间实施的镜面抛光加工等不包括在本文中所述的机械加工中，且不排除这种初步加工和镜面抛光加工。 [0044] 实施例 [0045] 下文中，将对本发明的实施例进行详细说明。然而，本发明不限于这些实施例。 [0046] <实施例1～16和比较例1～4> [0047] 首先，在下述条件下，通过CVD法合成ZnSe多晶体(第一步骤)。具体地，在650℃的衬底温度和2000Pa的压力的条件下，使得Zn与H2Se反应以合成ZnSe多晶体。 [0048] 在进行随后的第二步骤之前，对以这种方式合成的ZnSe多晶体进行加工以具有直径10mm和厚度6mm的盘状形状。通过阿基米德法对该阶段中ZnSe多晶体的密度进行测量，且3 测得的密度为5.27g/cm 。以与测量光学部件的方法类似的方法测量平均粒径，且测得的平均粒径为约20～30μm。 [0049] 接下来，对按上述加工成具有盘状形状的ZnSe多晶体进行压制成型以制造光学部件(第二步骤)。 [0050] 具体地，在对按上述加工成具有盘状形状的ZnSe多晶体的表面进行镜面抛光之后，将ZnSe多晶体设置在由玻璃质碳制成的压制成型模具中。该模具由一对上模和下模以及包围模具外周的环状圆筒构成。一个模具是镜面抛光的平面模具，且另一个模具具有曲率半径为19.89mm的凸起形镜面抛光表面。 [0051] 在将一套具有放入其中的ZnSe多晶体的模具设置在压制成型机(产品名称：“GMP-207”，由东芝机械株式会社(Toshiba Machine Co.,Ltd)制造)中之后，对试样室提供真空状态，并实施加热，直至温度为450℃。其后，封入氮气以作为惰性气体，从而产生惰性气氛，然后进行加热，直至表1中所示的成型温度。 [0052] 接下来，在温度达到成型温度之后，在0.02kN/秒的速率下实施压制，并施加负荷以达到表1中所示的最大负荷。将最大负荷保持5分钟以制造光学部件(透镜)。将由最大负荷和模具(光学部件)的表面积计算的压力(最大表面接触压力)显示为表1中的成型压力。 [0053] 使用三维形状测量设备(产品名称：“UA3P”，由Panasonic Corporation制造)，对以上述方式得到的光学部件(透镜)的凸起形状的曲率半径(R值)进行测量。将光学部件(透镜)的测量结果(R值)与各实施例和比较例的模具的曲率半径(19.89mm)之差ΔR(R值与模具的曲率半径之差由相对于模具的曲率半径的比例(%)表示)示于表1中。以ΔR在±1%内为合格品的方式设定评价标准。 [0054] 在利用盐酸对以上述方式得到的光学部件进行腐蚀之后，通过上述方法计算晶粒的平均粒径和ZnSe多晶体的相对密度。将结果示于下表1中。 [0055] 表1 [0056] |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈