用于确定玻璃或玻璃陶瓷的温度依赖或应力依赖的物理量的时间延迟变化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及制造或提供玻璃或玻璃陶瓷制品。更具体而言，本发明涉及一种 使得可以基于精确定义的热机械性能而表征、生产和/或选择玻璃和玻璃陶瓷制品的方 法。
【背景技术】
[0002] 以定制方式开发和制造的用于特定应用的特种玻璃和玻璃陶瓷制品设置有非常 不同的要求，由于特定应用对诸如热膨胀和结构松弛的热机械量的不同要求，所制造的玻 璃或玻璃陶瓷部件必须满足所述要求。这样的定制产品的示例包括望远镜反射镜基底和玻 璃陶瓷制成的用于显微光刻的部件。
[0003] 玻璃陶瓷在取决于产品的不同应用温度范围内表现出较低的热膨胀。例如 ZER0DUR是专门为在室温范围内的超低热膨胀而开发的。其它玻璃陶瓷、例如CERAN，在更 宽的温度范围显示出较低的热膨胀。
[0004]ZER0DUR和其它玻璃陶瓷的热膨胀系数（CTE)被指定为0°C-50°c的温度范围的 平均CTE，并且被分类成几个膨胀类。但是更严格地，该分类仅适用于具有精确观测的温度 速率和温度保持时间的预定义的测量方法。该规定对于大多数应用是足够的，但是在细节 上给出了材料的不准确的图象。首先，膨胀系数在〇°C-50°C的整个温度范围内不是恒定 的，而是温度的函数。而且，膨胀行为还是时间的函数，被称为滞后行为。CTE的温度依赖 性和时间依赖性不是ZER0DUR的特定属性，而是所有玻璃陶瓷的内在特征。当在诸如用于 ZER0DUR的应用中指定玻璃陶瓷时，迄今无法说明滞后行为，因为缺乏用于指定和预测它们 的合适方法。
[0005] 当玻璃陶瓷经受机械载荷时，也不可以指定所发生的延迟的弹性。一个随之而来 的问题是结构和应力松弛的计算仅在玻璃转化范围内是已知的，而对于定制要求，应当基 于其在室温下的热机械性能来选择玻璃陶瓷。因此，有必要确定作为温度和时间的函数的 玻璃或玻璃陶瓷材料的行为、和/或作为应力和时间的函数的延迟的弹性，并且能够在其 基础上生产或选择玻璃或玻璃陶瓷制品。
[0006] 在对于ZER0DUR的最近的潜在的应用、诸如巨型望远镜TMT(三十米望远镜）或 ES0的E-ELT(两者均为"极大型望远镜";ELTs)中，不仅指定CTE(0°C-50°C)，而且也指定 例如材料在望远镜的未来安装地点处的使用条件下的行为。这包括-13°C至+27°C的定义 的温度范围，其与〇°C至50°C的常见范围显著不同。此外，操作期间温度变化速率的范围为 〈0. 17K/h，因此与36K/h的典型测量速率相比小得多。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是使得可以提供具有非常精确地表征的热机械性能的玻璃或玻璃 陶瓷制品。该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。在从属权利要求中阐释了优选实 施例和进一步的变型。
[0008] 本文中所介绍的本发明是基于适当的方法和模型的开发，考虑到典型的玻璃转化 之下的松弛现象，所述方法和模型使得可以高度精确地表征玻璃和玻璃陶瓷的热机械性 能。在下文中，术语"玻璃转化之下"（根据ISO7884-8定义的转化温度Tg)是指Tg减去 100K以下的温度范围，其中松弛现象不能由玻璃转化物理现象的模型和技术来表示。在玻 璃陶瓷的情况下，温度Tg是残留的玻璃相的玻璃转化温度。
[0009] 以前的结构和应力松弛的模型仅可以模拟在玻璃转化范围内的松弛过程。显著较 低温度下的松弛过程的存在是已知的并且可以测量。虽然已经开发了提高测量精确度的方 法，但是在评估和表征所影响材料性能中却忽视了松弛现象。其结果是，对于材料性能的足 够好的量化，在测量中需要表示精确的应用条件（如温度-时间历史）。由于计量原因和由 于缺少时间，在许多情况下这是不可能的。尚不存在用于上述松弛现象的合适的模型。
[0010] 因此，测量条件和使用条件之间的差别产生与基于测量的不确定性所可以假定的 相比显著更大的误差。特别是，松弛现象如何在不同的温度范围内相互影响是不确定的。
[0011] 考虑到热历史和可自由选择的热使用条件和相关的松弛现象，本发明还提供了用 于预测T〈Tg-100K时的热膨胀的方法。
[0012] 到目前为止，已经基于整个预定义的温度范围内由测量技术测量的平均热膨胀表 征了热膨胀，使用的热条件显著不同于测量条件。当前所述的预测热膨胀的方法克服了该 问题，即所使用的实际测量方法可以很好地表征材料的行为，使得获得显著更高的预测精 度。
[0013] 考虑到热机械历史和可自由选择的热机械使用条件和相关的松弛现象，这同样适 用于在玻璃转化温度之下的温度下预测延迟弹性。
[0014] 为此，本发明提供了用于确定玻璃或玻璃陶瓷的温度依赖的或应力依赖的物理量 的时间延迟的变化的方法，在上限为不高于玻璃转化温度之下100K的温度范围内（即玻璃 转化温度之下100K或小于玻璃转化温度之下100K)进行所述确定，其中，以温度或机械应 力的不同变化速率，将所述玻璃或玻璃陶瓷材料的变形作为时间的函数测量至少两次，也 在不高于玻璃转化温度之下100K的温度下进行所述测量，以及其中，确定基准温度的玻璃 或玻璃陶瓷材料的多个松弛时间，以及确定加权因子，其表示在玻璃或玻璃陶瓷的松弛中 的松弛时间的加权。之后这些松弛时间和加权因子使得可以作为预定义的温度变化或应力 变化的函数计算温度依赖的或应力依赖的物理量的时间延迟的变化。
[0015] 本发明意义上的术语"时间延迟的变化"指的是物理量的变化，其不会即刻发生， 而是在温度或机械应力已经变化之后发生。优选地，在温度或机械应力变化之后，计算至少 10秒、优选至少10分钟的时间或周期。
[0016] 所述方法特别适用于预测玻璃或玻璃陶瓷的热或机械变形形式的物理量。但是， 其它物理量也受到玻璃或玻璃陶瓷材料的松弛的影响。这些包括热容以及折射率。
[0017] 本发明通常适用于计算以下时间延迟的变化：
[0018]-长度的变化；
[0019] -体积的变化；
[0020] -折射率的变化；
[0021] -热容的变化；
[0022]-剪切模量的变化；
[0023]-体积模量的变化；
[0024]-扭转模量的变化；
[0025] -杨氏模量的变化。
[0026] 这使得不仅可以计算和预测时间延迟的变化，也可以计算和预测作为温度或机械 应力的变化的函数的这些量的相应绝对值。
[0027] 可以使用材料的一个或多个时间依赖的变形的参数来表征物理量的时间延迟的 变形，所述参数描述在玻璃转化温度之下至少l〇〇K(即不高于玻璃转化温度之下100K)的 温度下的玻璃或玻璃陶瓷的变形。然后可基于所确定的松弛时间来确定这些参数的时间依 赖性。对于更大的温度偏差，除了松弛时间和加权因子还可以确定热位移函数，其中对于所 述温度偏差，计算物理量的时间依赖性、诸如如前所述的时间延迟的变形。位移函数规定了 玻璃或玻璃陶瓷材料的松弛如何作为温度的函数而变化。位移函数不仅描述由于温度变 化而变形的该依赖性，而且也更普遍地描述其它依赖于玻璃或玻璃陶瓷的松弛状态的物理 量、如折射率、剪切或扭转模量和热容的该依赖性。
[0028] 时间依赖的变形的参数是指依赖于时间依赖的量影响材料的机械性能或机械状 态的物理量。机械状态还包括由特别是玻璃或玻璃陶瓷材料制成的制品的几何形状。例如