一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法

技术领域

本发明涉及透镜制备技术领域，特别涉及一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法。

背景技术

在制造技术的飞速发展下，工业上出现了多种制备自由曲面透镜的方法，包括传统固态烧结、火花等离子烧结、闪光烧结和激光烧结等烧结方法。传统固态烧结可以降低加工温度，但需要数小时的热处理才能获得致密的二氧化硅玻璃。火花等离子烧结(SPS)可以在短烧结时间(2–10分钟)和低温范围(1073–1883K)内获得致密玻璃；然而，火花等离子烧结需要设备同时提供机械压力(6–100MPa)和高脉冲直流电，这对于许多商业产品来说可能是昂贵的。闪光烧结是另一种快速烧结技术，由于玻璃粉末压块的高电阻率，需要高电场(高达3000V/cm)；此外，尽管在闪光烧结工艺过程中，玻璃粉末的致密化在几秒内发生，但玻璃粉末通常需要在常规炉中进行长时间预热，这大大增加了整体处理时间。激光烧结可以快速加热二氧化硅前体；然而，烧结速率受输出功率、扫描速度(1mm/s)和光斑尺寸(直径≈1mm)的影响，烧结多孔结构导致低透明度。

然而，目前的制造方法都有各自的缺陷。尤其要解决预处理麻烦和烧结时间长的问题，针对以上问题，迫切需要开发出一种新的自由曲面透镜制备方法，满足低成本、制备速度快的特点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法，能够解决预处理麻烦和烧结时间长的问题，大幅提升制造效率、节约制造成本，并且能够得到性能优异的自由曲面透镜。

根据本发明实施例的基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，将原材料粉末放入压制模具中进行压制，得到透镜形状的紧实结构；

步骤S2，在惰性气氛中，将步骤S1压制好的紧实结构放置于碳加热体中，采用耦合电流对所述碳加热体进行加热，以对紧实结构进行烧结，调控耦合电流的输出参数，以对烧结温度控制，烧结结束后，收集固化成型的半成品透镜；

步骤S3，将步骤S2烧结得到的固化成型的半成品透镜进行表面后处理，最终得到成品透镜。

在可选或优选的实施例中，步骤S2利用焦耳热超快高温烧结装置进行实现，所述焦耳热超快高温烧结装置包括输出耦合电流的电流输出模块、与所述电流输出模块电连接并实现电热转换的碳加热器模块以及对所述电流输出模块进行输出参数调控的温控模块，所述碳加热器模块包括所述碳加热体和导电连接件，所述碳加热体的两端通过所述导电连接件与所述电流输出模块电连接，以利用所述碳加热体自身的电阻快速产生焦耳热，对放置在所述碳加热体的紧实结构进行烧结。

在可选或优选的实施例中，所述碳加热体为碳条、碳布、碳纸、碳板以及碳柱中的一种。

在可选或优选的实施例中，所述导电连接件包括导电铜片以及鳄鱼夹电源线，所述鳄鱼夹电源线与所述电流输出模块电连接，所述碳加热体的两端分别连接所述导电铜片和所述鳄鱼夹电源线，并由所述导电铜片和所述鳄鱼夹电源线固定连接在一陶瓷底板上。

在可选或优选的实施例中，所述电流输出模块的电源功率范围为2000-8000W、电流量程是50-80A；在步骤S2中，所述电流输出模块对所述碳加热器模块施加的电流大小控制在10-30A，烧结时间为10-25s，烧结温度为1500-1700K。

在可选或优选的实施例中，所述温控模块为非接触式测温装置，包括红外测温装置、激光测温装置、热成像测温装置中的一种或几种。

在可选或优选的实施例中，步骤S2中，惰性气氛采用氩气、氮气、氦气中的一种或几种进行营造，所述碳加热体位于惰性气氛中。

在可选或优选的实施例中，步骤S1中，原材料粉末采用氟化钙、氟化镁、硅、锗、二氧化硅以及硒化锌的一种或几种。

在可选或优选的实施例中，所述压制模具采用不锈钢材料或树脂材料制作，所述压制模具的压制压力为40MPa-100MPa、压制时间为30s-5min；其中，通过改变所述压制模具的模腔形状，以压制出对应透镜形状的紧实结构，最后制备出成品透镜，成品透镜为平光镜、单面凸/凹透镜、双面凸/凹透镜的其中一种。

在可选或优选的实施例中，步骤S3中，表面后处理的技术采用磨削、切削、研磨中的一种或多种。

基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：上述技术方案，通过将原材料粉末在特定曲面的压制模具中进行压制，从而得到具有特定曲面形状的紧实结构，在惰性气氛下，再将紧实结构置于碳加热体进行烧结，通过调控耦合电流的输出参数，烧结得到固化成型的半成品透镜，最后进行表面后处理得到成品透镜。采用焦耳热超快高温烧结工艺来制备透镜，由于该工艺能够瞬时产生大量焦耳热，对原材料结构进行快速烧结，在约10秒内可以完成烧结，如此可以提高透镜烧结速率，减少烧结时间；由于该发明方法可以实现对压制好的紧实结构直接烧结成型，并且仅需要在惰性气氛下对碳加热体通电即可实现烧结，大大节省了工业现有技术中的高成本。本发明实现了自由曲面透镜的超快速、低成本合成，和工业上常用的工艺相比，节省了复杂的设置过程以及高昂的制作成本，工艺流程简单，制备出的产品性能优异，为快速制备自由曲面透镜开辟了一条新途径。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1是本发明实施例为制造单面凸透镜的压制模具的剖面图；

图2是本发明实施例为制造平面透镜的压制模具的剖面图；

图3是本发明实施例为制造单面凹透镜的压制模具的剖面图；

图4是本发明实施例的制造工艺流程图；

图5是本发明实施例中步骤S1的工艺流程示意图；

图6是本发明实施例中步骤S2的工艺流程示意图；

图7是本发明实施例中步骤S3的工艺流程示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参照图1至图7，描述了一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法。

下面参照图6，描述了一种焦耳热超快高温烧结装置，可以应用于上述基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法中。具体的，焦耳热超快高温烧结装置包括输出耦合电流的电流输出模块32、与电流输出模块32电连接并实现电热转换的碳加热器模块31以及对电流输出模块32进行输出参数调控的温控模块33。其中，碳加热器模块31包括碳加热体311和导电连接件312，碳加热体311的两端通过导电连接件312与电流输出模块32电连接，碳加热体311利用自身的电阻快速产生焦耳热，可以对被烧结物进行热冲击，和传统技术相比，焦耳热超快高温烧结装置具有均匀的温度分布、高加热和高冷却速率以及高烧结温度的特点。

一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，参照图5，将原材料粉末11放入压制模具21中进行压制，得到透镜形状的紧实结构12。

具体而言，原材料粉末采用氟化钙、氟化镁、硅、锗、二氧化硅以及硒化锌的一种或几种。在应用中，原材料粉末优选二氧化硅，二氧化硅宜采用纯度为99％以上、粒径为10nm-40nm。

在其中的一些实施例中，压制模具21采用不锈钢材料或树脂材料制作，压制模具21的压制压力为40MPa-100MPa、压制时间为30s-5min；其中，通过改变压制模具21的模腔形状，以压制出对应透镜形状的紧实结构，最后制备出成品透镜，成品透镜为平光镜、单面凸/凹透镜、双面凸/凹透镜的其中一种。

步骤S2，参照图6，在惰性气氛中，将步骤S1压制好的紧实结构12放置于碳加热体311中，采用耦合电流对碳加热体311进行加热，以对紧实结构12进行烧结，调控耦合电流的输出参数，以对烧结温度控制，烧结结束后，收集固化成型的半成品透镜13。

该步骤是利用焦耳热超快高温烧结装置进行实现，是利用碳加热体311自身的电阻快速产生焦耳热，对放置在碳加热体311的紧实结构12进行烧结。

具体的，碳加热器模块中，碳加热体311为碳条、碳布、碳纸、碳板以及碳柱中的一种；导电连接件312包括导电铜片以及鳄鱼夹电源线，鳄鱼夹电源线与电流输出模块32电连接，碳加热体311的两端分别连接导电铜片和鳄鱼夹电源线，并由导电铜片和鳄鱼夹电源线固定连接在一陶瓷底板上。

电流输出模块中，电流输出模块32的电源功率范围为2000-8000W、电流量程是50-80A；在步骤S2中，电流输出模块32对碳加热器模块31施加的电流大小控制在10-30A，烧结时间为10-25s，烧结温度为1500-1700K。

温控模块33为非接触式测温装置，包括红外测温装置、激光测温装置、热成像测温装置中的一种或几种。温控模块通过探测紧实结构的烧结温度，来调控电流输出模块的输出参数，温控模块的各种测温装置都是现有技术，具体与电流输出模块的电源连接方式不再赘述。

另外，惰性气氛采用氩气、氮气、氦气中的一种或几种进行营造，碳加热体311位于惰性气氛中。

步骤S3，参照图7，将步骤S2烧结得到的固化成型的半成品透镜13进行表面后处理，最终得到成品透镜14。表面后处理的技术采用磨削、切削、研磨中的一种或多种。

可以理解的是，目前自由曲面透镜的制备方法，烧结速率低，烧结过程中，成本太高、工艺繁琐。本发明通过将原材料粉末在特定曲面的压制模具中进行压制，从而得到具有特定曲面形状的紧实结构，在惰性气氛下，再将紧实结构置于碳加热体进行烧结，通过调控耦合电流的输出参数，烧结得到固化成型的半成品透镜，最后进行表面后处理得到成品透镜。

采用焦耳热超快高温烧结工艺来制备透镜，由于该工艺能够瞬时产生大量焦耳热，对原材料结构进行快速烧结，在约10秒内可以完成烧结，如此可以提高透镜烧结速率，减少烧结时间。由于该发明方法可以实现对压制好的紧实结构直接烧结成型，并且仅需要在惰性气氛下对碳加热体通电即可实现烧结，大大节省了工业现有技术中的高成本。采用本方法制备透镜，能够大幅提升制造效率、节约制造成本，并且能够得到性能优异的透镜。

以下出示三个实施例，来进一步阐述基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法的应用。

实施例一

一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的凸透镜制备方法，采用以下步骤：

步骤S1，制备紧实结构：选择Sigma-Aldrich公司粒径约为11nm的二氧化硅粉末作为原材料粉末来进行压制，使用不锈钢材质的压制模具将二氧化硅粉末压制成型，压制模具的模腔形状采用采用长半轴为11mm，短半轴为4mm的半椭球面，然后在40MPa的压力下，对原材料粉末进行冷等静压40s，获得凸透镜形状的紧实结构。本实施例的压制模具21可参照图1所示。

步骤S2，凸透镜制备：搭建焦耳热高温快速烧结装置，采用氩气作为保护气体，其中，焦耳热高温快速烧结装置包括手套箱，将手套箱作为提供氩气环境的外部结构，营造出惰性气氛；碳加热体位于惰性气氛中，其中，连接电流输出模块的鳄鱼夹电源线穿过手套箱连接到碳加热体。电流输出模块的电源功率采用4000W功率、可调电流的直流电源。温控模块采用红外测温装置，并设置好，然后将步骤S1中得到的凸透镜形状的紧实结构放置在碳加热体中，同时开启温控模块和电流输出模块，实现烧结温度控制，调控电流输出模块的输出参数，电流的大小调为20A，烧结结束后，收集到凸透镜形状的半成品透镜。整个过程烧结时间为20s，烧结温度为1700K。

步骤S3，后处理：对步骤S2得到的半成品透镜进行研磨抛光加工，最终得到表面光滑的成品透镜，即凸透镜。

实施例二

一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的平面镜制备方法，采用以下步骤：

步骤S1，制备紧实结构：选择Sigma-Aldrich公司粒径约为11nm的二氧化硅粉末作为原材料粉末来进行压制，使用直径为22mm的不锈钢材质的压制模具将二氧化硅粉末压制成型，在40MPa的压力下，对原材料粉末进行冷等静压40s，获得平面镜形状的紧实结构。本实施例的压制模具21可参照图2所示。

步骤S2，平面镜制备：搭建焦耳热高温快速烧结装置，采用氩气作为保护气体，其中，焦耳热高温快速烧结装置包括手套箱，将手套箱作为提供氩气环境的外部结构，营造出惰性气氛；碳加热体位于惰性气氛中，其中，连接电流输出模块的鳄鱼夹电源线穿过手套箱连接到碳加热体。电流输出模块的电源功率采用4000W功率、可调电流的直流电源。温控模块采用红外测温装置，并设置好，然后将步骤S1中得到的平面镜形状的紧实结构放置在碳加热体中，同时开启温控模块和电流输出模块，实现烧结温度控制，调控电流输出模块的输出参数，电流的大小调为20A，烧结结束后，收集到平面镜形状的半成品透镜。整个过程烧结时间为20s，烧结温度为1700K。

步骤S3，后处理：对步骤S2得到的半成品透镜进行研磨抛光加工，最终得到表面光滑的成品透镜，即平面镜。

实施例三

一种基于焦耳热超快高温烧结工艺的透镜制备方法，采用以下步骤：

步骤S1，制备紧实结构：选择Sigma-Aldrich公司粒径约为11nm的二氧化硅粉末作为原材料粉末来进行压制，其中，氯化钴(II)六水合物(CoCl

使用不锈钢材质的压制模具将二氧化硅粉末压制成型，压制模具的模腔形状采用长半轴为11mm，短半轴为4mm的半椭球面，然后在40MPa的压力下，对原材料粉末进行冷等静压40s，获得凸透镜形状的紧实结构；再将0.2wt％的CoCl

步骤S2，有色凸透透镜制备：搭建焦耳热高温快速烧结装置，采用氩气作为保护气体，其中，焦耳热高温快速烧结装置包括手套箱，将手套箱作为提供氩气环境的外部结构，营造出惰性气氛；碳加热体位于惰性气氛中，其中，连接电流输出模块的鳄鱼夹电源线穿过手套箱连接到碳加热体。电流输出模块的电源功率采用4000W功率、可调电流的直流电源。温控模块采用红外测温装置，并设置好，然后将步骤S1中得到的凸透镜形状的紧实结构放置在碳加热体中，同时开启温控模块和电流输出模块，实现烧结温度控制，调控电流输出模块的输出参数，电流的大小调为20A，烧结结束后，收集到凸透镜形状有色的半成品透镜。其中，掺杂氯化钴(II)六水合物(CoCl

步骤S3，后处理：对步骤S2得到的半成品透镜进行研磨抛光加工，最终得到表面光滑的成品透镜，即有色凸透镜。

上述实施例一和实施例二中，本领域技术人员可以参照进行单面凸透镜或双面凸透镜的制备；同理，可以改变压制模具的模腔形状，来制备出单面凹透镜或双面凹透镜，例如图3所示的压制模具，可以制备出单面凹透镜。

上述各实施例可以应用到在自由曲面透镜制造领域，将显著提升烧结速率并降低烧结成本，通过采用焦耳热超快高温烧结工艺能够提高烧结速率，并且使用不同的压制模具可以获得不同曲面的透镜。此外，再掺杂氯化铁(III)六水合物等材料，可以获得有色透镜。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。