文创用光纤面板及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202311656545.3 | 申请日 | 2023-12-05 | 公开(公告)号 | CN117700114A | 公开(公告)日 | 2024-03-15 |
| 申请人 | 中国建筑材料科学研究总院有限公司; | 发明人 | 黄永刚; 焦朋; 贾金升; 王云; 王久旺; 付杨; 独雅婕; | ||||
| 摘要 | 本 发明 是关于一种文创用光纤面板及其制备方法和应用。所述光纤面板包括阵列排布的多数条光学 纤维 ，所述光学纤维包括纤芯和包层；纤芯，折射率为1.66～1.68；包层，包覆于纤芯外侧；所述包层的折射率为1.50～1.52，所述包层的膨胀系数低于纤芯的2～5*10‑7(1/℃)；该方法包括：取折射率为1.66～1.68的玻璃棒作为芯料，在其外部嵌套膨胀系数低于芯料玻璃2～5*10‑7(1/℃)且与芯料棒直径配合的玻璃管作为皮料，热熔，得预制棒；将预制棒经 拉丝 和排列，得复丝棒；将复丝棒经 捆 扎 、拉板、 机械加工 及光学加工，得到光纤面板。所要解决的技术问题是使所述光纤面板的内部不存在直径为150μm以上的暗点 缺陷 ；无长度超过2mm的鸡丝缺陷；剪切畸变小于等于100μm；蛇形畸变小于等于100μm；像位移小于等于280μm。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种文创用光纤面板，包括阵列排布的多数条光学纤维，其特征在于，所述的光学纤维包括纤芯和包层； |
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| 说明书全文 | 文创用光纤面板及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于文创玻璃材料制造技术领域，特别是涉及一种文创用光纤面板及其制备方法和应用。 背景技术[0002] 光纤面板是由数千万乃至数亿根微米级的玻璃光导纤维规则排列后熔压而成，可以实现图像的高保真、高分辨、高清晰和高对比度的传输。光纤面板主要用于制备微光夜视仪、粒子探测用光电倍增器件，已广泛应用于微光夜视、电子、航天航空、核诊断等许多领域，尤其是在国防军事领域中的夜间作战、制导、预警、光电对抗等方面发挥了至关重要的作用。光纤面板作为一种高科技新材料，具有自然界中其他天然材料无法具备的独特性能，能够将底面的文字或图案清晰的传输至上表面，其中蕴含着深刻的物理学原理。近年来，光纤面板因独特的性质，被制成新材料印章、教具等文创产品，在文创领域被广泛应用，取得了积极的反响。其中，光纤面板印章的材料与玉石质地类似，晶莹通透，具有极好的触感；同时，光纤面板印章可以将底面篆刻的印文清晰的等比例传输至上表面，改变了传统印章拓印前需要反复确认方向的弊病是高科技新材料与传统文化艺术的碰撞与融合。光纤面板的传像原理是基于光的全反射，制成的光纤面板教具可以利用可视化方法科普光纤传输信息的方式，对于初高中物理光学部分的教育具有重要的意义。然而，光纤面板大范围的应用和推广受到其制备成本的限制，降低成本是一个亟待解决的问题。 [0003] 目前的光纤面板主要用于制备微光夜视仪、粒子探测用光电倍增器件，对其数值孔径、分辨率等指标具有极高的要求。数值孔径要求大于等于1.0，可以收集到180°范围内的光线；选用的光纤面板的芯料折射率为1.81，包层玻璃料的折射率为1.51，高折射率的纤芯材料价格高昂。同时分辨率指标超过125lp/mm，要求光纤面板的传像单元的丝径低于6μm，需要经历三次高温拉丝过程，人力成本高，且纤维合格率大大降低。光纤面板制备工艺复杂，涉及上百道工序，造成加工成本居高不下。若以当前的材料体系和制备方案，光纤面板文创产品难以得到有效推广。 发明内容[0004] 本发明的主要目的在于提供一种文创用光纤面板及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是使所述光纤面板的内部不存在直径为150μm以上的暗点缺陷；无长度超过2mm的鸡丝缺陷；剪切畸变小于等于100μm；蛇形畸变小于等于100μm；像位移小于等于280μm，以在有效的控制制备过程成本的同时能满足光纤面板在文创领域的应用需求。 [0005] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种文创用光纤面板，包括阵列排布的数亿根光学纤维，所述的光学纤维包括纤芯和包层； [0006] 纤芯，其折射率介于1.66～1.68之间； [0007] 包层，其包覆于所述纤芯的外侧；所述包层的折射率介于1.50～1.52之间，所述包‑7层的膨胀系数低于纤芯的2～5*10 (1/℃)。 [0008] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 [0009] 优选的，前述的文创用光纤面板，其中所述纤芯含有以下质量份数的原料：二氧化硅(SiO2)35‑45％；氧化硼(B2O3)15‑25％；氧化铝(Al2O3)5‑10％；氧化锌(ZnO)5‑10％；氧化钙(CaO)4‑7％；氧化锂(Li2O)2‑5％；氧化钛(TiO2)5‑8％；氧化锆(ZrO2)6‑9％；氧化镧(LaO)0‑2％；氧化铋(Bi2O3)5‑10％；以上各组分的质量份数之和为100％。 [0010] 优选的，前述的文创用光纤面板，其中所述包层含有以下质量份数的原料：二氧化硅(SiO2)70～74％；氧化铝(Al2O3)0～3％；氧化钙(CaO)6～12％；氧化钠和氧化钾(Na2O+K2O)12～17％，以上各组分的质量份数之和为100％。 [0011] 优选的，前述的文创用光纤面板，其中所述光纤面板的数值孔径为0.69～0.73。 [0012] 优选的，前述的文创用光纤面板，其中所述光纤面板的内部不存在直径为150μm以上的暗点缺陷；无长度超过2mm的鸡丝缺陷；剪切畸变小于等于100μm；蛇形畸变小于等于100μm；像位移小于等于280μm。 [0013] 优选的，前述的文创用光纤面板，其中所述光纤面板的像元直径为10～50μm。 [0014] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种文创用光纤面板的制备方法，其包括以下步骤： [0015] S1.预制棒制备：取折射率介于1.66～1.68之间的玻璃棒作为芯料，在其外部嵌套‑7膨胀系数低于芯料玻璃2～5*10 (1/℃)且与芯料棒直径配合的玻璃管作为皮料，热熔，得预制棒；所述玻璃管的折射率介于1.50～1.52之间； [0016] S2.纤维拉制：将所述预制棒经拉丝和排列，得到复丝棒； [0018] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 [0019] 优选的，前述的制备方法，其中步骤S1中，所述作为芯料的玻璃棒通过以下步骤制得： [0020] 按照质量份数分别称取二氧化硅35‑45％、氧化硼15‑25％、氧化铝5‑10％、氧化锌5‑10％、氧化钙4‑7％、氧化锂2‑5％、氧化钛5‑8％、氧化锆6‑9％、氧化镧0‑2％及氧化铋5‑ 10％，混合，加热到1400～1550℃，使各组分充分熔融，熔融过程保温5～6小时，且在保温过程中不断搅拌，搅拌速度为8～9rpm，使得各组分充分混合均匀，以得到均匀的熔融玻璃液，在1500～1550℃时将熔融玻璃液通过漏料成型制得直径为30mm的玻璃棒，然后在500～600℃下保温2～3h进行退火得到芯料玻璃棒。 [0021] 优选的，前述的制备方法，其中步骤S1中，所述作为皮料的玻璃管通过以下步骤制得： [0022] 按照质量份数称取二氧化硅70～74％、氧化铝0～3％、氧化钙6～12％、氧化钠和氧化钾12～17％，充分混合，将得到的混合料加热至1350‑1600℃，保温6～7小时，保温过程中转速为10～12rpm，使得各组分充分混合均匀，以得到均匀的熔融玻璃液，在1450～1600℃时拉制成与芯棒直径配合的玻璃管，玻璃管内径为31.0～31.5mm，玻璃管的壁厚为4～5mm，将拉制的玻璃管置入退火炉中加热至540～600℃后保温2‑3h后自然冷却至80℃以下完成退火，以得到皮料管。 [0023] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种印章用光纤面板，所述印章用光纤面板采用如前述的光纤面板。 [0024] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种篆刻用光纤面板，所述篆刻用光纤面板采用如前述的光纤面板。 [0025] 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种镇纸用光纤面板，所述镇纸用光纤面板采用如前述的光纤面板。 [0026] 借由上述技术方案，本发明提出的一种文创用光纤面板及其制备方法和应用至少具有下列优点： [0027] 1、本发明所述的文创用光纤面板，其内部不存在直径为150μm以上的暗点缺陷；无长度超过2mm的鸡丝缺陷；剪切畸变小于等于100μm；蛇形畸变小于等于100μm；像位移小于等于280μm，以在有效的控制制备过程成本的同时能满足光纤面板在文创领域的应用需求，文创用光纤面板的合格率提升至98％以上； [0028] 2、本发明制备得到分辨率不低于11.2lp/mm的光纤面板，可以清晰传输毫米量级尺寸的图像，制备成本仅为常规光纤面板的1/3，可以有效适用于文创领域的推广和科普教具的普及； [0029] 3、本发明的制备工艺相较于常规光纤面板制备过程减少了一次拉丝过程，对应减少一次排棒工序、一次排板工序，两次捆扎工序、一次热压工序。因此，上述制备工序中的人力成本和设备成本可以去掉；同时，经历的工序减少，玻璃纤维在操作过程中的磨损和浪费减少，有效提高玻璃纤维的利用率，降低了生产成本；传像单元的直径增大后，对于内部传像纤维的拉制精度要求降低，因此纤维的良品率提高。 附图说明[0031] 图1是本发明提出的文创用光纤面板的制备工艺流程图； [0032] 图2是本发明提出的篆刻用光纤面板的示意图； 具体实施方式[0033] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种文创用光纤面板及其制备方法和应用，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。 [0034] 若无特殊说明，以下所涉及的材料、试剂等均为本领域技术人员熟知的市售商品；若无特殊说明，所述方法均为本领域公知的方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。以下未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。 [0035] 根据本发明的一些实施例提供了一种文创用光纤面板，包括阵列排布的数亿根光学纤维，所述的光学纤维包括纤芯和包层； [0036] 纤芯，其折射率介于1.66～1.68之间； [0037] 包层，其包覆于所述纤芯的外侧；所述包层的折射率介于1.50～1.52之间，所述包‑7层的膨胀系数低于纤芯，可以保证包层更好的包覆在纤芯上，最优差值为2～5*10 (1/℃)之间。 [0038] 在所述文创用光纤面板的芯玻璃成分设计过程中，折射率受到其内部离子的极化率和玻璃的密度共同影响，玻璃内部各离子的极化率(即变形性)和密度越大，该玻璃的折射率越高。TiO2、ZrO2、Bi2O3、LaO等原料的密度高，离子极化率相对较高，是影响玻璃的折射率主要因素。相较于氧化硅和氧化硼，这些成分的价格相对较高，适当降低其含量，可以降低玻璃的折射率，同时达到节约原材料成本的目的。因此，在一些实施例的所述光纤面板中，纤芯由芯料玻璃制成，芯料玻璃含有以下质量份数的原料：二氧化硅(SiO2)35‑45％；氧化硼(B2O3)15‑25％；氧化铝(Al2O3)5‑10％；氧化锌(ZnO)5‑10％；氧化钙(CaO)4‑7％；氧化锂(Li2O)2‑5％；氧化钛(TiO2)5‑8％；氧化锆(ZrO2)6‑9％；氧化镧(LaO)0‑2％；氧化铋(Bi2O3)5‑10％；以上各组分的质量份数之和为100％；所述芯料玻璃(也称芯料)的折射率为1.66～1.68，与纤芯折射率相同。 [0039] 二氧化硅(SiO2)，是玻璃形成的主要原料，能单独生成玻璃，在玻璃中能形成特有的网络体系。光学玻璃的耐腐蚀性主要决定于硅氧和碱金属化合物的含量。硅氧含量愈多即硅氧四面体[SiO4]互相连接程度愈大，玻璃的化学稳定性、熔点愈高，折射率降低。SiO2含量高于45wt％时，芯玻璃的折射率会低于1.66，软化点升高，导致拉丝成型温度不匹配；低于35wt％时又会导致膨胀系数过高，会增大板段加工过程的崩炸概率。因此，本发明中选择芯玻璃含量在35‑45wt％之间。 [0040] 氧化硼(B2O3)，是光学玻璃的重要组分之一。它的作用比较特殊，和SiO2一样能单独生成玻璃。它既能提高玻璃的稳定性，又能增加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽，又有良好的助熔性，加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。在不同条件下硼可能以三角体[BO3]或四面体[BO4]存在，在高温熔制条件下，一般难于形成硼氧四面体，而只能以硼氧三角体存在，若B2O3的含量低于15wt％，则玻璃高温粘度较高，且较容易析晶；若B2O3的含量高于25wt％，则会导致芯、皮玻璃材料的粘度匹配性变差，拉丝精度无法控制，因此将B2O3的含量控制在15‑25wt％范围内。 [0041] 氧化铝(A12O3)，属于中间体氧化物，加入5‑10wt％的Al2O3时，A13+位于铝氧四面体[A1O4]中，对硅氧网络起补网作用，组成统一的网络，能降低玻璃的析晶倾向，大大提高其化学稳定性，若含量低于5wt％，无法有效补网，增大了二氧化硅的析晶可能性；如果含量大于10wt％，A12O3含量过高，则[A1O4]四面体体积大于[SiO4]四面体的体积，使网络紧密程度下降，会降低玻璃热稳定性并且增大光学色散，降低了光纤传像元件的热学性能和光学性能，因此引入A12O3含量控制在5～10wt％之间。 [0042] 氧化锌(ZnO)，ZnO是中间体氧化物，Zn有两种存在形式，疏松的八面体配位[ZnO]和致密的四面体配位[ZnO]，ZnO能提高玻璃的化学稳定性和折射率，但是若ZnO的含量大于10wt％，ZnO用量过多将增大玻璃的析晶倾向，一般ZnO不超过10wt％，芯玻璃折射率较高； 若ZnO的含量小于5wt％，则玻璃材料的化学稳定性和折射率无法满足应用需求。 [0043] 氧化钙(CaO)，离子不参加网络，属二价的网络外体离子，离子在结构中活动性很小，一般不易从玻璃中析出，在高温时活动性较大，可降低玻璃高温粘度，提高玻璃化学稳定性，在该体系中，若CaO含量低于4wt％，则无法起到降低玻璃粘度目的，增大玻璃成型难度；但若CaO含量大于7wt％，则CaO含量过多，使玻璃的耐化学稳定性降低，析晶倾向增大，因此选择CaO的含量在4～7wt％之间。 [0044] 氧化锂(Li2O)，Li2O也是网络外体氧化物，含量为2‑5wt％时可提高玻璃的抗水性，降低玻璃的熔制温度，提高玻璃的产量和质量；若Li2O的含量大于5wt％，易使结晶倾向增加，因此一般不超过5wt％；若Li2O的含量低于2wt％，则Li2O含量太少，难以有效降低熔制温度，导致玻璃熔制温度过高，增加芯玻璃棒的制备难度，所以不低于2wt％。 [0045] 氧化钛(TiO2)中间体氧化物，在硅酸盐玻璃中，一部分TiO2以钛氧四面体[TiO4]进入结构网中，一部分以[TiO6]八面体处于结构之外，TiO2可以提高玻璃的折射率和化学稳定性，增加吸收X射线和紫外线的能力。在含有Al2O3、B2O3、MgO的硅酸盐玻璃中，TiO2含量高于8wt％时容易引起玻璃失透，降低光学性能。TiO2低于5wt％时玻璃的折射率降低，数值孔径无法满足介于0.69‑0.73之间，故将TiO2的含量控制在5～8wt％之间。 [0046] 氧化锆(ZrO2)，只有立方体[ZrO8]一种配位，ZrO2含量高于6wt％时能显著改善玻璃的热稳定性和化学稳定性，提高折射率，若低于6wt％玻璃耐碱性明显变差，在抛光、清洗过程中会导致表面形成腐蚀痕迹，降低传光性能；当含量超过9wt％，容易导致玻璃析晶，分相，降低棒管的合格率，增加成本，因此选择ZrO2的含量在6～9wt％之间。 [0047] 氧化镧(LaO)主要用于提高纤芯玻璃的折射率，降低玻璃色散系数，提高玻璃的抗化学腐蚀性。但是氧化镧价格高昂，考虑到文创用低成本光纤面板的成本控制，将氧化镧含量控制在0‑2wt％的范围，继续增加氧化镧含量，超过2wt％会导致芯玻璃成本增加。 [0048] 氧化秘(BiO3)，由于其阳离子易极化变形，较易插入玻璃网络空间，起到玻璃形成体的作用，可提高玻璃的化学稳定性及折射率。若BiO3的含量低于5wt％时，芯玻璃中温稳定性会变差，导致芯玻璃在熔压过程中变形严重，无法保持圆形，降低结构稳定性，导致网格缺陷加剧；当BiO3含量高于10wt％时，又会导致芯、皮玻璃材料高温下粘弹性匹配度降低，增加热应力，引起崩炸；因此选择BiO3的含量在5～10wt％之间。 [0049] 所述文创用光纤面板需要充分考虑材料的安全性和环保性，避免添加铅等重金属元素。另外，还要充分考虑芯料成分与皮料的物理相容性，比如膨胀系数、粘度和软化点等，对于其他材料的相应含量也需要进行精确的调整，从而可以实现光纤面板的制板过程简化。常规光纤面板制备用玻璃管料的折射率为1.50，相应的，为匹配文创用光纤面板芯玻璃的物理性能，对与之配合使用的皮玻璃材料进行设计，保持文创用光纤面板皮玻璃的折射率在1.50～1.52之间，去掉贵重稀土氧化物添加，同时设计的皮玻璃的膨胀系数要低于芯‑7玻璃2～5*10 (1/℃)，避免拉丝过程崩炸现象。因此，所述光纤面板中，包层由皮料玻璃制成；所述皮料玻璃含有以下质量份数的原料：二氧化硅(SiO2)70～74％；氧化铝(Al2O3)0～ 3％；氧化钙(CaO)6～12％；氧化钠和氧化钾(Na2O+K2O)12～17％，以上各组分的质量份数之和为100％；所述皮料玻璃(也称皮料)的折射率介于1.50～1.52之间，与包层的折射率相同；所述皮料为圆管状，也可以叫做皮料管。 [0050] 二氧化硅(SiO2)，是玻璃形成的主要原料，能单独生成玻璃，在玻璃中能形成特有的网络体系。光学玻璃的耐腐蚀性主要决定于硅氧和碱金属化合物的含量，硅氧含量愈多即硅氧四面体[SiO4]互相连接程度愈大，玻璃的化学稳定性愈高。二氧化硅原料的价格较低，本发明提出一种文创用低成本光纤面板，需要选用低成本的原材料；同时，皮料玻璃的折射率主要在1.50‑1.52之间，当SiO2含量低于70wt％时，会导致皮料玻璃折射率高于1.52，且成本会增加，不满足使用要求；SiO2含量低于74wt％时，玻璃的膨胀系数会降低，与芯棒材料膨胀系数无法匹配，导致在拉丝过程中出现炸裂现象，不满足需求。 [0051] 氧化铝(A12O3)，属于中间体氧化物，本发明中Al2O3的含量在0‑3wt％之间，A13+位于铝氧四面体[A1O4]中，对硅氧网络起补网作用，组成统一的网络，该玻璃组分中A12O3含量为0时，玻璃稳定性差，容易导致光纤面板出现腐蚀缺陷，随着A12O3含量升高至1wt％时，补网效果显著增加，能降低玻璃的析晶倾向，大大提高其化学稳定性；但如果其含量大于3wt％，A12O3的含量过高，则[A1O4]四面体体积大于[SiO4]四面体的体积，使网络紧密程度下降，导致光学玻璃的化学稳定性也随之下降，因此引入A12O3的含量控制在0～3wt％之间，且不为0。 [0052] 氧化钙(CaO)，Ca2+离子不参加网络，属二价的网络外体离子，离子在结构中活动性很小，一般不易从玻璃中析出，在高温时活动性较大，可降低玻璃的高温粘度、提高玻璃透明度和热学稳定性。CaO含量在6‑12wt％之间能够替换碱金属，有效提高玻璃化学稳定性。在该玻璃组分中，若CaO的含量低于6wt％，则玻璃的热学稳定性较差，会引起拉丝过程中纤维圆形度较差，影响良品率；若CaO的含量大于12wt％，则使玻璃耐化学稳定性降低，析晶倾向增大，一般CaO的含量不超过12wt％。 [0053] 氧化钠+氧化钾(Na2O+K2O)，Na2O、K2O配合使用能大大降低玻璃液的粘度，是制造玻璃的助熔剂。本发明中SiO2含量较高，玻璃融制温度高，若Na2O+K2O的含量低于12wt％，玻璃熔制温度高于1600℃，粘度大，皮玻璃管成型精度降低，难度加大；但Na2O+K2O的含量过多超过17wt％时，则会使玻璃的化学稳定性、热稳定性以及机械强度大大降低。在Na2O、K2O配合过程中，适当增加K2O会提高玻璃的化学稳定性。 [0054] 在一些实施例中，本发明通过调整ZnO2、ZrO2、Bi2O3、LaO等原料的含量将芯料的折射率降低至1.66，使得制备的光纤面板的数值孔径达到0.7。对于所述文创用光纤面板，需要保证其独特的性能，能够将底部的图案与文字清晰地传输至上表面即可。在此基础上，本发明在具体实施时将光纤面板的数值孔径调整为0.69～0.73，即输入端面上入射角小于45°范围内的光线均可掠入光纤面板内，已经满足文创产品应用的需求。 [0055] 具体地，所述的光学纤维中，包层厚度与纤芯直径的比值控制在1:7.8～1:8.2之间，当比值高于1:7.8时，包层占光纤面板的总体比例过大，导致光纤面板的有效透过率比较低，影响传光效果；而当比值低于1:8.2时，包层厚度太小引起传像光纤漏光现象加重，导致光纤面板的分辨率降低；综上，将光纤面板的包层厚度与纤芯直径比值设置在1:78‑1:8.2范围较为合适；纤维包层间熔接为整体，形成光纤面板阵列。 [0056] 另，所述文创用光纤面板传输的图像尺寸为毫米量级，对于光纤面板的像元尺寸要求降低。而单个传像单元的尺寸大小和内部质量标准对于光纤面板的制备工艺复杂程度和其成品率有重要关系。对于文创用光纤面板来说，其应用场景为人眼直接观测识别。在不影响成像效果和美观的要求下，本发明在实施时将光纤面板的像元直径设计为10～50μm，其原因在于人眼的极限分辨率为100μm，50μm丝径的光纤面板已经完全满足文创产品的成像性能的需求，能实现毫米量级图像或文字的高清晰传输，不影响使用者对目标物的观感。且随着丝径的继续减小，光纤面板的制备工艺会更加复杂，会产生更多的成像缺陷，低于10μm时其良品率显著降低，而在文创应用方面不同丝径的光纤面板的实用性能并无差别，反而导致文创用光纤面板的成本升高，限制了其推广应用。因此将其丝径控制在10～50μm的范围内最为合适。 [0057] 经测试，所述光纤面板的内部不存在直径为150μm以上的暗点缺陷；无长度超过2mm的鸡丝缺陷；剪切畸变小于等于100μm；蛇形畸变小于等于100μm；像位移小于等于280μm，这些是基于常规光纤面板的性能指标要求，结合对文创用光纤面板的应用场景进行分析得到的。符合上述性能指标要求就能满足光纤面板在文创领域的应用需求，对于光纤面板来说，性能要求适当降低，可以有效地控制制备过程的成本。 [0058] 所述光纤面板中的每根光学纤维为微米级，若干根光学纤维熔合为直径数十毫米的光纤面板；再经过切割机切割为厚度在10‑50mm之间的坯板，是较为适合文创产品使用的范围；若低于10mm难以抓握，高于50mm则单价提高，产品竞争力下降。利用双面抛光机对端面抛光3‑4h，在前期实验中，发现低于3h时，样品粗糙度高于40nm，样品表面缺陷较多，抛光合格率低，抛光时长为4h时，所有样品均符合使用要求，继续延长时间只会增加成本。抛光后端面的粗糙度低于40nm视为抛光完成。过程中若粗糙度高于40nm，表面容易存在划伤、纹路等缺陷，影响成像效果，当粗糙度处于20‑40nm范围就能满足实际使用需求，当继续抛光使其粗糙度低于20nm，对于应用性能没有明显提高，却显著增加了时间成本；抛光完成即可得到文创用光纤面板。 [0059] 经测试，所述光纤面板的抗弯强度可以达到110～130MPa。 [0060] 所述光纤面板的厚度优选为10～50mm，用户可以根据实际使用需求选择。 [0061] 所述的光纤面板对于波长380～760nm的光线的透过率大于55％。 [0062] 本发明还提出了一种文创用光纤面板的制备方法，其包括以下步骤： [0063] S1.预制棒制备：取折射率介于1.66～1.68之间的玻璃棒作为芯料，折射率低于1.66时，在与包层玻璃配合后数值孔径小于0.69，无法保证文创用光纤面板的成像质量；折射率高于1.68时，芯玻璃原材料的成本会增加，降低光线面板的合格率。在其外部嵌套膨胀‑7 系数低于芯料玻璃2～5*10 (1/℃)且与芯棒直径适配、折射率介于1.50～1.52之间的玻璃‑7 管作为皮料，得预制棒，该过程中，膨胀系数差值小于2*10 (1/℃)时，皮料管无法完全包覆‑7 芯玻璃棒，导致光纤面板出现漏气等缺陷，若膨胀系数差值高于5*10 (1/℃)，膨胀系数差过大引起应力增加，导致棒管配合拉丝时出现崩炸现象；该膨胀系数差异范围可以保证包层玻璃能够较好的包覆于纤芯玻璃上，且不引起崩炸现象，具有较合适的成丝匹配性能； [0064] S2.纤维拉制：将所述预制棒经拉丝和排列，得到对边尺寸为60‑80mm的复丝棒，若低于60mm，为保证足够的拉伸比条件下后续拉制完成的板段尺寸过小，不满足使用要求；当高于80mm时，板段拉制时需要增加保温时间，会加重轴心处纤维结构与边缘的差异性；所述拉丝温度为770‑790℃，拉丝温度低于770℃时，温度过低，皮玻璃无法完全包覆纤芯，拉丝温度高于790℃时，玻璃软化速度过快，纤维成形精度和圆形度低；所述排列为本领域的常规技术，在此不再赘述； [0065] S3.采用钢丝将所述复丝棒进行捆扎，而后放入高温拉丝炉中升温至770‑790℃，然后待板段下端开始软化下垂时利用牵引论开始拉制板段，拉制温度低于770℃时芯皮玻璃较硬，拉制板段速度较慢，生产效率极低，温度高于790℃时，板段流延速度太快，板段容易变形，尺寸无法精确控制；拉板完成后板材对边尺寸为30‑50mm，低于30mm时，应用范围较少，一般不选择，大于50mm的制备难度大，合格率较低；再将板段切割为长度为10‑50mm的段，是目前较为常用的长度范围，经过滚圆步骤和表面抛光，得到光纤面板。 [0066] 在上述的步骤S1中，所述作为芯料的玻璃棒通过以下步骤制得： [0067] 按照质量份数分别称取二氧化硅35‑45％、氧化硼15‑25％、氧化铝5‑10％、氧化锌5‑10％、氧化钙4‑7％、氧化锂2‑5％、氧化钛5‑8％、氧化锆6‑9％、氧化镧0‑2％及氧化铋5‑ 10％，混合并放入铂金坩埚中，将铂金坩埚加热到1400～1550℃，使各组分充分熔融，温度低于1400℃时，粉料熔融不充分，玻璃结石缺陷多，高于1550℃时，粉料蒸发速率升高，成分配比准确度降低；熔融过程保温5～6小时，低于5小时，玻璃液无法完全澄清，气泡较多，继续保温至6小时以上，气泡含量基本不再降低，增加了成本，本发明中不采取；且在保温过程中不断缓慢搅拌，搅拌速度设置为8～9rpm，使得各组分充分混合均匀，以得到均匀的熔融玻璃液，该组分玻璃液粘度较高，搅拌速度小于8rpm，气泡排除效率低，搅拌不够充分，若搅拌速度高于9rpm，搅拌桨容易受损；待保温完成，再将熔融玻璃液通过漏料成型得到直径为 30±1.0mm的玻璃棒，目前设备常用工艺中采用30mm直径的芯玻璃棒，然后在500～600℃进行退火得到芯料玻璃棒，根据芯玻璃棒的转变点温度，退火温度设置在500‑600℃，应力去除效果最佳，若低于500℃或高于600℃，棒管残余应力较高。步骤S1中，所述作为皮料的玻璃管通过以下步骤制得： [0068] 按照质量份数称取二氧化硅70～74％、氧化铝0～3％、氧化钙6～12％、氧化钠和氧化钾12～17％，通过混料机充分混合后放入铂金坩埚中，将得到的混合料加热至1350～1600℃，熔制温度低于1350℃，石英砂无法完全熔化，则无法拉制玻璃管；高于1600℃已完全熔化，无须继续升温；保温6～7小时，低于6小时，玻璃液内气泡无法完全排出，大于7小时，气泡含量未见降低，但玻璃成分挥发现象加重保温过程中搅拌桨的转速优选为10～ 12rpm，使得各组分充分混合均匀，以得到均匀的熔融玻璃液，低于10rpm时，搅拌不均匀，玻璃条纹较多；高于12rpm时，玻璃液易溅出，不符合要求；在1450～1600℃利用机械手拉制成与芯棒直径配合的玻璃管，低于1450℃时粘度较大，不易成型；高于1600℃时，成型精度降低；玻璃管内径为31.0～31.5mm，主要是与芯玻璃棒匹配，低于31.0mm无法实用，高于 31.5mm导致后续制板精度降低，影响成像效果；将拉制的玻璃管置入退火炉中加热至540～ 600℃后保温2‑3h后，根据皮玻璃管的转变点温度进行设计，该温度范围和时常区间退火后残余应力最低，棒管炸损率最低，然后自然冷却至80℃以下完成退火，大于80℃时取出时皮管炸损现象严重，可以直接取出得到皮料管。所述皮料管的管壁厚度为4‑5mm，低于4mm时，后续拉制玻璃纤维后包层厚度太小，导致分辨率较低；高于5mm时，光纤面板内包层占总面板的比值太高，导致有效面积比太低，透过率不符合要求。 [0069] 在上述的步骤S2中，将所述预制棒置于拉丝机中，待升温至770‑790℃，拉制温度低于770℃时芯皮玻璃较硬，拉制板段速度较慢，生产效率极低；温度高于790℃时，板段流延速度过快，板段变形量大，尺寸无法精确控制；然后将预制棒拉成一次单丝，拉丝的过程控制单丝的直径为1.5±0.1mm之间，适当降低单丝的尺寸精度，提高单丝的利用率。该过程中单丝的直径尺寸设计的较小，这样有利于板面的规整及在拉板工艺中受力均匀，丝与丝之间紧密结合。 [0070] 此外，步骤S2中，所述纤维拉制时，需要控制每一次拉丝的缩径比不能太大，以减小芯料和皮料之间的扩散程度。因此，需要通过多次拉丝和排列才能将预制棒拉制为尺寸适宜的光学纤维丝。文创用光纤面板的像元直径增大至10～50μm时，其制备工艺需要相应进行调整优化，只需要两次拉丝工艺即可得到目标像元直径，取消压板成型工序，采用拉板直接成型过程，具体的制备过程如图1所示。该制备工艺相较于常规光纤面板制备过程减少了一次拉丝过程，对应减少一次排棒工序、一次排板工序，两次捆扎工序、一次热压工序。 [0071] 在上述的步骤S3中，将多根单丝按照六方最密方式排列成复合纤维束，捆扎后放入拉丝机中，升温至770‑790℃进行拉制，该过程中的拉制温度低于770℃时芯皮玻璃较硬，拉制板段的速度较慢，生产效率低；温度高于790℃时，板段的流延速度过快，板段变形量大，尺寸无法精确控制；然后保温15‑20min后施加45‑60N的拉力，该过程中，保温时间低于15min，则板段的轴心位置难以完全软化，拉制完成后成像畸变大；保温时间大于20min时，光纤芯、皮界面处成分扩散现象加重，恶化了成像分辨率，同时，施加拉力若小于45N，拉板速率过慢；大于60N时，容易产生断裂，选择45‑60N范围比较合适；待复合纤维束的前端进入拉丝轮后，靠拉丝轮15‑25rpm的旋转速度拉制成板，拉丝轮旋转速度小于15rpm时，拉丝效率过低，增加成本；大于25rpm时，拉丝精度较低，纤维直径波动范围增大。拉制坯板的对边尺寸为10～60mm，具体根据所需文创产品的尺寸进行相应的调整，该过程使得内部单纤维的直径可以在10～50μm之间，制出不同丝径的面板只需在拉板过程中调节尺寸即可。拉制的板段根据文创产品的尺寸需求进行定长切割，长度的优选范围为10～50mm，具体可根据使用需求进行调整，得到相应的毛坯。对文创用光纤面板的外形进行设计，例如圆柱体、正方体或者正六棱柱等形状，然后基于设计的外形开展后续的成型、光学抛光等加工工序，其中：圆柱形坯体需要进行滚圆操作，正方体坯体需要利用磨床进行操作，正六棱柱与拉制成的坯板外形相同，仅需要研磨即可。具体还涉及利用切割机将较长的板切成10～50mm的板段，然后采用铣磨机将板段的6个棱铣磨去除完成滚圆工序，将六方形板段滚成圆柱形，圆柱形板段的直径比六方形板段对边尺寸小1‑2mm，该步骤中，若小于1mm，容易导致滚圆不完全，边缘不平整，影响使用；若大于2mm，去除量较大，容易浪费板材，降低了利用率。再将滚圆后的板段放置于双面抛光机上并对两个端面进行抛光，抛光后表面粗糙度控制在20‑ 40nm的范围，以得到所述文创用光纤面板，该过程中，若粗糙度高于40nm，表面容易存在划伤、纹路等缺陷，影响成像效果，当粗糙度处于20‑40nm的范围就能满足实际使用需求，当继续抛光使其粗糙度低于20nm，对于的应用性能没有明显提高，却显著增加了时间成本。 [0072] 下面通过更为具体的实施例作进一步详细说明。 [0073] 1、低折射率、低成本芯玻璃棒和皮玻璃管的制备 [0074] 为了得到低成本，折射率为1.66，且能够与现有皮玻璃管匹配使用的芯料棒，本发明中共提出9种芯料玻璃的成分设计(即实施例1‑9)，具体配比见表1。 [0075] 表1.实施例1‑9的芯玻璃的组分质量比(wt％) [0076] [0077] 表2.实施例1‑9的皮玻璃的组分质量比(wt％) [0078] [0079] 上述实施例1‑9中所述的用于光纤面板的芯料玻璃棒和皮料玻璃管的制备方法，包括以下步骤： [0080] 按照表1所示的质量份数称取二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锌、氧化钙、氧化锂、氧化钛、氧化锆、氧化镧及氧化铋粉料，混合并放入铂金坩埚中，将铂金坩埚加热到1500℃，使各组分充分熔融，熔融过程保温6小时，且在保温过程中不断缓慢搅拌，搅拌速度为9rpm，使得各组分充分混合均匀，将熔融玻璃液通过漏料口漏料成型制成直径为30mm的玻璃棒，然后在600℃下保温2h后，关闭电源使其自然冷却至80℃后，完成退火得到芯料玻璃棒。 [0081] 按照表1所示的重量份数称取二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钠和氧化钾粉料；通过混料机充分混合后放入铂金坩埚中，将得到的混合料加热至1550℃，保温7小时，保温过程中搅拌桨的转速优选为12rpm，使得各组分充分混合均匀，以得到均匀的熔融玻璃液，在1550℃时利用机械手拉制成与芯棒直径配合的玻璃管，玻璃管内径为31.0mm，将拉制的玻璃管置入退火炉中加热至580℃，保温3h后自然冷却至80℃以下实现退火，以得到皮料管。 所述皮料管的管壁厚度为4.5mm，外径为35.5mm。 [0082] 分别对芯玻璃和皮玻璃进行制样，制成Ф6*60mm的玻璃柱，采用耐驰膨胀仪，分别测量其膨胀系数和软化温度；制成Ф30*0.5mm的玻璃片，采用棱镜耦合仪分别测量其折射率。不同成分芯玻璃的相关性能如表3所示。不同成分的皮玻璃相关性能如表4所示。按照芯玻璃棒、皮玻璃管的设计要求，以及制备光纤面板的光学性能和热力学性能要求，在设计的范围内，理论上可以成功制备出性能优异的光纤面板。芯玻璃材料的实施例中，实施例1到9‑7 ‑7的膨胀系数最大值为95.6*10 (1/℃)、最小值为91.8*10 (1/℃)，皮玻璃材料实施例1到9‑7 ‑7 中膨胀系数最高值为90.9*10 (1/℃)，最低值为88.2×10 (1/℃)，由此可见：在膨胀系数性能方面，任意芯玻璃棒均能找到一种或多种皮玻璃材料与之匹配。芯玻璃实施例1‑9中，实施例1的软化点温度最高，为706.6℃，实施例6的软化点温度最低，为696.5℃；皮玻璃实施例1‑9中，实施例3的软化点温度最高，为658.2℃，实施例1的软化点温度最低，为636.6℃；由此可见：在软化点温度性能方面，芯皮玻璃间的最高差值为70℃，任意芯玻璃均能找到与之匹配的皮玻璃。在折射率性能方面，芯玻璃实施例1‑9中的折射率分布在1.66‑1.68之间，皮玻璃实施例1‑9的折射率分布在1.50‑1.52之间，均符合之前的设计目标。基于膨胀系数、软化点温度和折射率等性能参数的匹配需求，芯玻璃棒的膨胀系数比皮玻璃的膨胀‑7 系数高2‑5*10 (1/℃)，芯玻璃的软化点温度比皮玻璃的软化点温度高50‑100℃；芯玻璃与皮玻璃的数值孔径在0.69‑0.73的范围内。基于此对芯玻璃和皮玻璃进行优选组合，选出匹配性更加的4组匹配进行下一步制备，第一组匹配为：芯玻璃实施例1和皮玻璃实施例2；第二组匹配为：芯玻璃实施例2和皮玻璃实施例7；第三组匹配为：芯玻璃实施例4和皮玻璃实施例6；第四组匹配为：芯玻璃实施例8和皮玻璃实施例9。 [0083] 表3.实施例1‑9的芯玻璃的相关性能 [0084] [0085] 表4.实施例1‑9的皮玻璃的相关性能 [0086] [0087] [0088] 2、低成本光纤面板制备 [0089] 1)将上述实施例4制得的芯料玻璃棒放入实施例4制得的皮料玻璃管中置入拉丝机中，待升温至780℃；然后利用拉丝轮牵引棒管前端并拉制成一次单丝，拉丝的过程控制单丝的直径在1.5±0.1mm之间时，判定为合格纤维，可以继续实用，适当降低单丝的尺寸精度，提高单丝的利用率。该过程中单丝的直径尺寸设计的较小，这样有利于板面的规整及在拉板工艺中受力均匀，丝与丝之间紧密结合。 [0090] 2)然后将多根单丝按照六方最密方式排列成复合纤维束，得到对边尺寸为40mm的复丝棒，采用钢丝将所述复丝棒进行捆扎，而后放入高温拉丝炉中升温至780℃，然后保温20min后施加50N的拉力，待复合纤维束的前端进入拉丝轮后，靠拉丝轮20rpm的速度旋转拉制成板。拉板完成后板材的对边尺寸为30mm，再将板段切割为长度为35mm的段，经过利用铣磨机将六方形的板段的六个棱铣磨去除，完成滚圆步骤，然后再将板段固定在双面抛光机上利用氧化铈抛光粉(氧化铈含量＞99.5wt％)进行表面抛光，抛光时间为3小时，抛光端面的表面粗糙度达到35nm以内，即可得到光纤面板。内部单纤维的直径控制为50μm，制出不同丝径的面板，只需在拉板过程中调节尺寸即可。同时与内部纤维直径为6μm的对比样品1进行比较，详细数据见表5。 [0091] 3)拉制的板段根据文创产品的尺寸需求进行定长切割，本发明中制备直径为30mm，高度分为35mm的圆柱形印章坯板，对比样品1的直径和高度相同。 [0092] 对制成的文创用光纤面板的内部质量进行检测，得到相关的参数如表5所示，样品1、2、3、4的传像单元直径均为50μm，其中样品2的最大暗点直径值最大，为140μm，满足低于 150μm的使用要求，因此其他样品该指标符合要求；样品2内的鸡丝长度最大，为1.9mm，符合本发明所需的标准；样品1的剪切畸变值最高，为95μm，均低于100μm的要求；样品3的蛇形畸变值最大为94μm，低于100μm的要求；样品4的像位移缺陷值最大，为270μm，低于280μm的要求；样品2的分辨率值最低，为11.2lp/mm。综上，所得的4个样品和1个对比样品均符合文创用光纤面板的性能要求。对比样品1的传像单元丝径为6μm，分辨率96lp/mm，印章坯板样品1～4的丝径为50μm，分辨率最低为11.2lp/mm，均满足应用需求。剪切畸变和蛇形畸变均小于 100μm；最大暗点尺寸均小于150μm；鸡丝长度均小于2mm，像位移小于280μm。但是，丝径为6μm的对比样品1的合格率仅为65％，而丝径为50μm的样品合格率超过95％以上，合格率提升了30％，对于文创用光纤面板的推广应用具有重要的作用。 [0093] 表5.文创用光纤面板的内部质量检测表 [0094] [0095] 4)基于文创用光纤面板的光学特性，拓展光纤面板产品在不同文创产品应用场景，如光纤面板印章篆刻和镇纸边款加工等，如图2展示的是低成本光纤面板印章文创产品。 [0096] 在此过程中，上述5种光纤面板样品传像单元的丝径增大至50μm，增大至50μm后只需要两次拉丝工艺即可实现坯板的全部制备过程，纤芯玻璃棒和皮玻璃管配合后的直径为35.0‑36.5mm，制备的光纤面板样品传像单元直径为50μm，相当于缩小了约700倍，可以通过两次拉丝工艺达到该缩小倍率，第一次拉制过程缩小24倍左右，第二次拉制过程传向单元缩小30倍即可达到目的；若光纤面板的传像单元直径缩小至10μm以下，相当于其缩小倍率达到约3500倍，通过2次拉丝工艺无法达到该放缩倍率，具体的工艺流程详见图1。同时，作为文创用光纤面板，对于光纤面板的丝径精度、相位移、扭转角、暗点、网格等缺陷的要求降低，文创用光纤面板的合格率提升至98％以上。生产合格率提高后，其生产成本自然降低。 基于上述原因，相较于传像单元直径为6μm的光纤面板制备过程，传像单元直径为50μm的光纤面板制备过程由3次拉丝过程优化为2次合格率由65％提升至了98％，因此导致传像单元直径为50μm的光纤面板制备过程的人力和设备等成本降低了2/3；对于光纤面板等高科技新材料在文创领域的推广和应用具有重要的意义。 |
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