【doc】投影仪玻璃透镜的使用寿命

【doc】投影仪玻璃透镜的使用寿命 投影仪玻璃透镜的使用寿命 中国玻璃1994~-第5期 投影仪玻璃透镜的使用寿命 [) ,业430070)7-7'(武汉工业大学湖北f1【J'f. 摘要:拳文用断裂力学的观点分析玻璃逢镜的热蚱裂原因,对玻璃透镜使用寿 命的有关问题作一些探讨. 关键词:堡曼垡,些苎堡垡,使用妻全. usingfracturemnehnnicsanddiscussedtheservieelifeofglass Key~ords:proiee~or,ghumlens.servieelife. 自80年代以来,各种投影仪器相继推向 国内市场.由于投影仪能给教学.科研,学 术交流,各种刑事案件的侦破等工作带来极 大的方便,因而受到各界人士的关注.现在 投影仪已是人们经常使用的现代工具之一. 玻璃透镜是投影仪光路系统中的关键性 零件,一旦损坏就不能工作.近年来.许多 用户的投影仪都出现玻璃透镜的炸裂问题, 由于在经销商那里买不到透镜,投影仪也就 变成了一堆废铁,令人头痛:为此,第一要 切实提高玻璃透镜的制造质量,第二是改进 投影仪的设计,第三要给经销商提供配件或 建立维修服务点. 1玻璃透镜的炸裂 1.1玻璃透镜的炸裂特点 投影仪的玻璃透镜炸裂具有一定的规律 性.1993年冬,我们的投影仪透镜炸裂,由 于买不到配件,只好用其它报废仪器上的几 块透镜来代替,但使用不长的时间也都炸裂 了.这些透镜炸裂的图案基本一样,图l所 示的是其中几块透镜的炸裂图案. 1.2玻璃透镜的炸裂分析 玻璃透镜的多次炸裂引起了我们的注意. 我们用平板玻璃在投影仪上进行了多次模拟 实验,得到如下的几点结论[1]: (1)投影仪用的玻璃透镜,其炸裂属 于热炸裂.这是因为投影仪工作时,光源灯 泡是加热玻璃透镜的热源.由于灯泡的尺寸 比玻璃透院的尺寸小得多,灯丝对透镜的加 热是不均匀的,玻璃透镜的中部温度较高, 边缘温度铰低,这导致透镜的边缘产生较大 的张应力..当所产生的张应力超过其抗张强 度时.玻璃透镜就发生炸裂; (2}透镜边缘只研磨不抛光,因此边 缘端面存在不少微裂纹,其强度最低,所以 破裂的开始点必然在透镜的边缘: 资料,1994年4月 _ 作者简介 李云芝:原湖南省建材工业局局长兼湖 南省建精桑团总,厶\司总经理,现曲湖南省建 材工业集团总公司巡视员,高级工程师= 黎玉美:湖南省建材工业集团总公司副 处长,工程师. 5期中国玻璃31 \, , ... 一一一./ / , A / —........j....一,, B , ? C f , t ^ / 图1玻璃透镜的炸裂图案 (3)当室温较低时,正对冷却风机的 透镜边缘温度最低,产生的温度张应力最大, 所以破裂开始点在这一侧. 以上结论是否可信,可以用断裂力学的 观点进行检验 查看断面是断裂力学研究玻璃炸裂的一 种重要手段.通过断面的观察,可以获得断 裂原因与起源的有用资料=因热应力而炸裂 D / 的玻璃断面上有3个明显的区域:第一个区 域是与所施加的张应力垂直的光滑破裂面, 常称为"破裂镜面".破裂镜面是玻璃断裂 的第一阶段所形成的光滑断面第二个区域 是有点状痕迹,粗糙,围绕破裂镜面的弧形 面.这是裂纹在高应力下扩展时.能量释放 的速度增加而产生的一个较粗糙的断裂面 第三个区域是一个条纹严重的区域.这些条 中匡玻璃:曲 纹足从断裂源肇辐射状伸展出来的.它的^ 向硅示出断裂斯的进行方向: 图l中相应运镜左边裂块的断面图案如 图2所示.从这些断面可以看出其"破裂镜 面"在边缘这说明透镜的炸裂是从边部开 始然后向中心扩展的. 2提高玻璃透镜使用寿命的几 种途径 根据以上结论,欲延长玻璃透镜的使用 寿命一可以从以下几个方面入手. 2.1透镜边缘端面抛光 玻璃透镜的强度不仅与玻璃的组成(亦 即玻璃的化学键能量)有关,而且在很大稃 度上=与制品表面的状态和玻璃中存在的缺陷 f如气泡,结石和条纹等)有关. 在透镜的冷加工过程中,在其表面会形 成有裂纹缺陷的薄层.表面微裂纹是降低玻 璃强度的主要原因.玻璃透镜的边缘一般只 细磨而不抛光,边缘的端面是玻璃透镜的一 个薄弱面,因此玻璃透镜的热炸裂都是从边 缘开始的.通过对玻璃透镜进行多次精细的 加工,可以将玻璃表面的微裂纹数目降至最 低,使透镜的强度得到大幅度的提高.原苏 联光学玻璃(K8)的表面加工情况对玻璃强 度的影响如表1所示曙].这些数据说明,对 于透镜的抛光表面,使用中所产生的热应力 是不足以使之炸裂的.如果对玻璃透镜的边 缘也进行一定程度的抛光,就可提高玻璃透 镜的使用寿命. 表l表面加工情况对光学玻璃(K8)强度 的影响 再次拽表面状态压制表面研磨表面抛光表面 光表殖 ^ ×】0一 (Pa11141 鲤 B 图2玻璃透镜断裂面的形状 2.2透镜边缘加压 对于圆形玻璃制品,为了制止边缘微裂 纹的扩张,可以通过在圆周上加一适当的力? 使其端面产生一个压应力来达到.方法是在 玻璃圆板的周围套一加热的金属环.金属环 冷却之后就有一个压力作用在圆周上舷窗 玻璃就是用这种方法制造的.近来在市场 出现的搪瓷电火锅,其锅盖也采用这种结构 如果玻璃透镜的边缘不抛光而采用套金属环 的措施相信也有助于提高透镜的使用寿命. 2.3物理钢化 将玻璃热到稍低于软化点的温度.然 用气流进行骤冷.昕获得的产品称为"钢 5期中国玻璃 化玻璃",这种生产工艺称为"物理钢化" 或"热钢化"工艺: 钢化玻璃的历史可以追朔到l7世纪,但 在本世纪30年代才得到工业应用.现在,钢 化玻璃的应用十分广泛.例如,由于钢化玻 璃的机械强度大,被广泛用做玻璃门,商店 橱窗,军舰舷窗,球场后挡,隔板等.钢化 玻璃强度高,破裂碎片小,具有安全性,因 此是镶嵌汽车等交通工具的门和窗的优良材 料:钢化玻璃的另一个优良特性是耐热冲击 和耐热梯度,把它放在家庭的饭桌上也不会 披烫裂.工业上用锕化玻璃做炉门的观察窗 辐射式气体加热器,弧光灯和洗涤器等. 用钢化玻璃做透镜已约有50年的历史. 本世t_~40年代,为了保护在有飞屑或飞石的 危险环境中工作人员的眼睛不受伤害,就开 始使用钢化玻璃做护目镜的透镜.现在,如 果用物理锕化的透镜安装在投影仪中,就不 怕投影仪在开或关时产生的温差大约为300 .C的热或冷的冲击,一定会收到良好的效果 24化学钢化 化学锕化的方法很多,也不便对其下一 个定义.通常认为,除了淬火方法之外,任 何能使玻璃表面产生压应力的方法,都可以 称为化学锕化法.常用的化学钢化法是离子 交换法. 化学锕化玻璃的强度要比物理锕化玻璃 高得多,而且在锕化过程中制品不会变形, 这可以使透镜的锕化变得比较容易. 也许有人担心,锕化玻璃是通过将玻璃 加热后急冷,使玻璃的表面产生较大的压应 力而提高玻璃的强度的.在投影仪工作时, 锕化玻璃透镜的温度将升高至3.0.C左右,这 会不会使钢化玻璃的应力消失?对这个问题 可以讨论一下. 钢化玻璃在钢化之后,在常温下钢化作 业中所产生的应力是不会消失的,应力显着 消除的时间需要几百万年.但在较高的温度 下使用时,钢化玻璃的应力就会逐渐消除, 其速度取决于所使用的温度,在玻璃的退火 点温度附近,几分钟就可能全部消除,那么, 用钢化玻璃做投影仪的透镜是否可行?我 认为是可以的.投影仪工作时,透镜的平均 温度是300.C左右,远低于应变点,据Fred M.Ernsberger介绍,对于物理锕化玻璃. 利用应力松驰图能够计算其使用温度.例如, 当要求玻璃的使用寿命为1年,最小中部张 应力为800Dill/cm时,最高使用温度为 325.c左右,这对一台投影仪来说已经足够 了.对于化学锕化玻璃,选择合适的玻璃系 统与相应的锕化方法也能达到要求.例如, 根据HarmonM.Garfinke1.钾交换的 铝硅酸盐玻璃,在400?下加热600h,其强 度也不下降.对于铯或铷交换的锂玻璃,其 耐热疲劳性还要好.所以,如果用这些化学 钢化玻璃来做投影仪的透镜,应当是没有问 题的. 2.5投影仪结构与功能的改进 笔者不懂投影仪的设计,因此对众多的 投影仪进行评价力不从心,也不合适.下面 只是就我们所用的投影仪谈一点自己的想法, 以求得行家们的指教. (1)关于投影仪的冷却问题 在投影仪内设置冷却系统是需要的.我 们所用的投影仪,光源灯泡是12V,300W. 工作时散发的热量较大,如果没有冷却风, 就会烧坏透镜上方的有机玻璃板.但是,冷 却风对透镜炸裂是有影响的.从我们用平板 玻璃所做的模拟实验的结果来看,处于转轮 型风机这一例的玻璃温度最低,产生的边缘 张应力就最大,这是平板玻璃和透镜的热炸 裂都从这一侧的边缘开始的原因.特别是在 冬季使用投影仪时,由于冷却风的温度太低, 增加了透镜边缘与中心的温度差,从而导致 中国玻璃l994年第5期 【J}玻璃最佳选雾77/ 关键词:芝苎堡耋,堡墨?主韭+最佳堡垦 能耗成为硅酸盐工业生产的中心问题归 因于两个主要因素,一是能源价格显着上涨. 二是热能利用率不高,浪费较大.例如玻璃 熔窑的散热面积太,外表面温度高,窑体散 热量占总热耗的25%,30%,有的高达50% 因此,加强窑体保温,减少砌体向外界的散 热量是提高热效率,降低燃耗的有效措施之 一 .窑体保温不仅可以大大减少窑体向外界 的散热,增大窑体的热容量,更好地保持窑 内温度的稳定性,而且有利于提高玻璃 液本身的实际温度,提高熔化率,提高玻璃 质量,降低燃料消耗.窑体保温后,一般可 节省燃耗】5%,20《,窑内空间温度提高2o , 30?. 但应指出的是,窑体采用何种材料保温 以及保温层厚度如何确定,应进行技术经济 指标比较,以期获得由于窑体保温而达到的 节能在经济上有所收益.从生产工艺上讲,对 窑体部位保温应有所选择,本着"能保即傈" 的原则,对于不适宜保温的窑体部位,不要 勉强进行,否则将缩短窑期,影响生产. 1保温材料的选用和最佳厚度 的确定 ..???..??..???....?....???..OO???..o.?????....???....?.c 透镜的热炸裂.我们的投影仪就是在室温低 于10.C时使用才使几块透镜发生热炸裂的. 那么,能否将冷却风机的旋转速度设为 高低两档,在夏季使用投影仪时开高速档以 加强投影仪的狰却,而冬季使用时则开低速 档以减小投影仪的冷却强度?笔者认为这样 傲是有益的. (2)关于灯泡与透镜的相对位置 我们使用的投影仪,光源灯泡的直径约 为25mm,长度约为22mm,而透镜的直 径约为9omm,透镜与灯泡的距离约为8 mm.这样的相对直径和安装位置,必然造 成透镜的极不均匀加热.如果在满足光学要 求的基础上进行一些调整,也许能使透镜的 受热均匀一些. 参考文献 【1】伍宏标等着,玻璃透镜热炸裂的 研究,武汉工业大学,1994,(3): 【2】(苏)JI.I/I.捷姆金娜主编, 李荣生等译,光学玻璃生产的物理化学原理, 科学出版杜,1983.190,192. 【3】(美)亚历克西斯6.平卡斯等 编,张玉智等译,玻璃的退火和钢化,中国 建筑工业出版杜,1989. 【4】(美)D.R.乌尔曼等编,玻 璃的弹性与强度,轻工业出版社,1988 收稿日期:1994—_08—1O