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防光晕玻璃:洞穿黑夜的“眼睛”

2024-06-11 14:00:23
来源:科技日报 作者:孙 瑜 评论:0

  想象一下,在乌云密布、没有光亮的夜晚,我们该如何看清道路、分辨物体?在中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称中国建材总院)就有这样一种材料——防光晕玻璃,凭借它,人们可以在伸手不见五指的暗室中清晰看见屋子里的环境与物体。

  防光晕玻璃中间部分透明,边缘呈黑色,俗称“牛眼窗”,是微光夜视仪光学输入窗口的主要材料。它的性能对微光夜视器件的光电转化量子效率、成像品质、工作寿命等具有十分重要的影响。

  近日,中国建材总院多年研发攻关的“防光晕玻璃系列产品”入选工业和信息化部第八批制造业单项冠军产品名单。中国建材总院北京分公司总经理贾金升告诉科技日报记者:“防光晕玻璃团队不断突破,推动了我国微光夜视及相关微弱信号探测技术发展。”

  攻克难题改善成像水平

  日前,记者来到中国建材总院防光晕玻璃生产线现场。只见工人们正在机器设备的帮助下,井然有序地对防光晕玻璃进行打磨、抛光、检验等工作。

  防光晕玻璃面积不大,直径在25毫米至90毫米之间,做起来却很难。中国建材总院北京分公司研发中心副主任刘辉告诉记者,这片小小的玻璃,历经了20多年的研发历程,其间取得的一项重要成果就是玻璃黑化技术。

  “20世纪90年代,微光夜视器件主要光学输入窗口材料从透光率较低的光纤面板材料向高透光率的玻璃材料发展。但高透光率的玻璃材料伴有难以消除的杂散光问题。”刘辉介绍,窗口材料的“台阶”式结构加剧了杂散光难题的复杂性,严重影响了整体成像质量,而玻璃黑化技术则能有效解决杂散光难题。

  防光晕玻璃有透明中心区域和黑色外部区域两个明显分区。为消除杂散光,一开始,项目团队最先想到的是“分再合”的做法。他们借鉴较成熟的特种光纤拉制技术,将透明玻璃和黑玻璃分别做成玻璃棒和玻璃管,再在高温下进行熔合。但实验一段时间后,团队发现玻璃的消杂光等能力明显不足。对此,团队调整研发思路,从“合再分”的角度出发重新进行设计研发,即在一块玻璃上,让不同区域呈现不同颜色,从而具备相应功能。

  刘辉介绍,项目团队按照“合再分”的思路,对玻璃配方、熔制成型、二次处理等方面进行了系统研究,最终用100多天发明了玻璃黑化技术。“玻璃黑化技术好比对整块玻璃实施黑白转变‘魔法’,通过调整玻璃的微观结构和相关工艺控制,最终形成外部分区为黑色,中心区域纯净透明的玻璃。”刘辉表示,玻璃黑化技术实现了同一玻璃基底上不同区域位置分别具备高透过率和高吸收率的性能特点。

  此外,项目团队还配套研发了玻璃熔制炉,通过反复试验、寻找规律等方式确定了相关工艺参数,攻克了高黏度玻璃高品质均匀熔制成型等技术。

  2003年,防光晕玻璃项目团队成功交付第一批产品。与传统的防光晕技术相比,玻璃黑化技术打造的防光晕玻璃具有更高的光电转化量子效率和成像品质,为我国微光夜视器件的发展注入了新动力。

  打通堵点提升生产线质量

  2012年,防光晕玻璃的市场需求快速增加。同时,用户对防光晕玻璃的性能要求也大幅提高,但防光晕玻璃生产线的产能却严重不足。造成这个问题的主要原因在于产线效率不稳定。

  生产线的工艺技术不高,各工序的生产操作极不稳定,导致良品率较低。2014年,法国客户订购防光晕玻璃产品2000片。但检测产品后大部分产品都出现了划伤、崩边现象,最终客户只拿走了400件。

  对此,项目团队在总工艺师的带领下“扎根”车间,攻克一道又一道工序的堵点、卡点,进行生产工艺革新和优化,千方百计把产品性能指标提上去。

  以抛光问题为例。项目团队在选材上严格把关,测试了市面上几乎所有厂家的抛光粉,重新调配加工。“抛光粉硬了容易造成抛光划伤,软了又抛不动,我们就对抛光粉进行泡、煮、静置等多项工艺流程。”刘辉说,团队最后研发出一种水热工艺,提高了抛光粉的分散性和均匀性,优化了抛光粉的硬度和颗粒度,解决了防光晕玻璃表面光洁度问题。

  按照“精益求精”的工艺控制要求,项目团队先后突破了异型光学元件精密加工、性能评价等系列关键核心技术。同时,团队在生产过程中加大自动化、智能化生产技术和设备的投入,使防光晕玻璃产品性能大幅提升,产能满足了用户单位的需求。刘辉介绍:“2023年防光晕玻璃年产能达到50万片,较2012年提升了70倍,并推动国内外客户入司按AQL抽检标准进行产品检验,产品合格率达到了99.98%以上,接近‘免检’水平。”

  2023年6月,中国光学工程学会组织对防光晕玻璃技术和产品进行了成果评价,专家组一致认为其技术成果难度大、创新性强,具有自主知识产权,核心技术自主可控,解决了关键材料“卡脖子”问题,整体技术达到国内领先、国际先进水平。

  20多年来,中国建材总院防光晕玻璃团队实现了防光晕玻璃在材料设计、关键技术和成套装备等方面的突破和产业化。防光晕玻璃获国家授权发明专利20余项,建筑材料科学技术奖科技进步二等奖、中国材料研究学会科技进步二等奖等多项科技奖励。

  “未来,防光晕玻璃在医学诊疗、信息显示、智能穿戴、紫外探测、高能物理等领域将发挥越来越重要的作用。”贾金升说,“我们将持续推动防光晕玻璃等玻璃功能材料的研发和产业化,用材料创造更美好世界。”

(责任编辑:韩梦晨)

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