高性能氟化物玻璃的制备与关键工艺的数值模拟研究

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近年来,光纤技术在通讯、军事和电力等领域有着广泛地应用。目前的光纤大都是由石英玻璃制成,其工作波长在0.7μm到1.7μm内,并且该种光纤的实际损耗已经几乎接近于理论损耗极限。重金属氟化物玻璃,在0.2μm到7.5μm的波段内有着良好的透过率,并且其理论损耗可以低至10-3db/km。随着红外技术的发展,氟化物玻璃因此受到了科研人员的广泛关注。由于氟化物玻璃本身的导热系数低,以及在制备过程中易析晶与碎裂等问题,因而导致国内氟化物玻璃应用停滞不前。基于这些原因,本文对氟化物玻璃的制备工艺以玻璃性能进行了探索,论文主要研究工作如下:(1)研究了氟化物玻璃的制备工艺,其过程包括原料配方、熔制和退火。通过测量氟化氢铵的热分解率,从而得到氟化过程的保温时间以及温度。同时也给出了退火温度上下限的测量方法,以及玻璃退火各个阶段的升温与降温速率计算方法。(2)借助XRD衍射分析、DSC分析、Raman分析、FTIR分析等手段对制得的氟化物玻璃进行表征,研究氟化锌对结构,光学性质以及热稳定的影响。结果分析表明氟化锌的加入,会提高玻璃的透明度和其折射率,其热膨胀系数以及热光稳定性得到了良好的改善。但是加入过量的氟化锌会破坏玻璃的网络结构,从而提高玻璃析晶的可能性。(3)基于有限元的思想,对玻璃凝固过程中的温度场和应力场进行数值模拟,得到了这些物理场随时间变化的关系。在温度场数值模拟中,通过对模具外同一点的实际温度与模拟温度,验证数值模拟的正确性,分析误差来源;依据玻璃的成型理论,计算了临界冷却速率;研究了玻璃熔体初始温度、导热系数和模具尺寸对玻璃冷却速率的影响;最后预测了临界尺寸。在应力场的数值模拟中,主要探究了玻璃浇注的不同初始温度和玻璃成型形状对其应力场分布的影响。
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