秦思遠(yuǎn)，楊曉京，謝啟明，李剛，董力

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)；2.650500 云南省 昆明市 云南北方馳宏光電有限公司）

0 引言

六面折射轉(zhuǎn)鼓是紅外熱像儀的重要組成部分，轉(zhuǎn)鼓鍍膜的質(zhì)量直接影響到紅外熱像儀的成像質(zhì)量，膜層光學(xué)性能差會出現(xiàn)模糊、無法遠(yuǎn)距離觀察的情況[1]。Ge 是8～12 μm 波段紅外系統(tǒng)最常用的材料，它的機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，是制造紅外熱像儀窗口和六面折射轉(zhuǎn)鼓的主要材料[2]。由于紅外熱像儀的工作環(huán)境復(fù)雜且多變，所以，在六面折射轉(zhuǎn)鼓鍍膜階段要充分考慮膜層的機(jī)械性能和光學(xué)性能，要對六面折射轉(zhuǎn)鼓夾具的結(jié)構(gòu)在特定工況溫度下進(jìn)行分析，以驗證六面折射轉(zhuǎn)鼓熱結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力。

本文以六面折射轉(zhuǎn)鼓在紅外熱像儀中的應(yīng)用為研究背景，采用對于有較寬紅外透明區(qū)域的材料Ge，利用ANSYS 有限元軟件對光學(xué)夾具進(jìn)行仿真，以鍍膜后陪鍍片在8～12μm波段透過率為評價標(biāo)準(zhǔn)，分析了鍍膜過程中熱變形量及熱應(yīng)力對六面折射轉(zhuǎn)鼓膜層質(zhì)量的影響。

1 光學(xué)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，六面折射轉(zhuǎn)鼓是為鍺單晶制成的斜六面體[3]。轉(zhuǎn)鼓的6 個面分別相對A 基準(zhǔn)的面傾角為αn（n=1，…，6），面傾角誤差為20″，6 個面中相鄰面的中心角為60°，中心角角度誤差為20″[4]；相對面是平行的，即1 面與4 面，2 面與5 面，3 面與6 面平行，平行度誤差15″[5]。

圖1 六面折射轉(zhuǎn)鼓示意圖Fig.1 Schematic diagram of 6-face rotating drum

結(jié)合六面折射轉(zhuǎn)鼓材料特性以及真空鍍膜加工的技術(shù)要求，光學(xué)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足如下2個條件：（1）裝夾方便、對光學(xué)元件作用力小、公差設(shè)計合理；（2）光學(xué)夾具設(shè)計4 組轉(zhuǎn)鼓同時鍍膜，工作溫度為160 ℃。

根據(jù)以上要求，所設(shè)計的光真空鍍膜夾具的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。下裝夾塊和上裝夾塊的凹槽與六面折射轉(zhuǎn)鼓凸臺配合，將待鍍膜的轉(zhuǎn)鼓固定并通過鎖緊鐵絲將上下夾塊連接，確定了轉(zhuǎn)鼓在加工中的軸向位置。夾具結(jié)構(gòu)選用屈服應(yīng)力較低的不銹鋼材質(zhì)，以避免因為溫度變形過度擠壓轉(zhuǎn)鼓。夾具與工裝之間通過錐齒輪傳動，瞬時傳動比恒定，可以在鍍膜過程中保證較高的平穩(wěn)性。公轉(zhuǎn)盤邊緣均勻分布4 組夾具，每組夾具的周向角度為 90°。公轉(zhuǎn)軸與鍍膜機(jī)齒輪組配合，為光學(xué)夾具提供動力。

圖2 光學(xué)夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fixture

2 鍍膜溫度場理論模型

在實際工作過程中，由于在軌運行中各位置受蒸發(fā)源輻射熱不同，造成光學(xué)夾具及元件溫度水平不均勻，產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，因而產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱應(yīng)變，使各節(jié)點發(fā)生空間熱位移不同，導(dǎo)致光學(xué)夾具產(chǎn)生熱變形，影響其形面精度，從而影響夾具上光學(xué)元件的成像質(zhì)量[6]，因此對在工作中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱變形的仿真是必不可少的。

由于鍍膜過程會達(dá)到7.2×10-3Pa的真空度，所以主要通過熱輻射換熱的方式來傳遞蒸發(fā)源與光學(xué)元件的熱量。在加熱蒸發(fā)時，蒸發(fā)源需要的熱量包括膜材在加熱時需要的熱量，以及在加熱的過程中熱輻射損失掉的熱量[7]，因此蒸發(fā)源需要的熱量就是蒸發(fā)源工作室的總功率。設(shè)蒸發(fā)源需要的總熱量為Q，則有

式中:Q1——蒸發(fā)時需要的熱量；Q2——蒸發(fā)時熱輻射損失的熱量。

設(shè)定分子質(zhì)量為μ、質(zhì)量為W（g）的膜層材料從室溫升至工作溫度T0，并且蒸發(fā)，蒸發(fā)膜層材料時所需要的熱量為Q1，即

式中：CS——固態(tài)膜層材料的比熱容；C1——液態(tài)膜層材料的比熱容；Tsm——膜層材料熔化溫度；qsm——膜層材料的摩爾熔解熱；qv——膜層材料的摩爾蒸發(fā)熱。

設(shè)定熱輻射損失的熱量為Q2，蒸發(fā)源的溫度為T1，熱輻射系數(shù)為ε1，輻射面積為A；光學(xué)夾具部件溫度為T2，熱輻射系數(shù)為ε2，即

式中：σ=5.67×10-12W/(cm2·K4)——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。

3 有限元分析

熱應(yīng)力數(shù)值模擬的過程是熱-結(jié)構(gòu)耦合的計算過程。首先利用ANSYS 軟件采用Hex Dominant 和Tetrahedrons 的方法對光學(xué)工裝及夾具進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖3 所示）。建立夾具的有限元模型，該模型單元數(shù)為418 392，節(jié)點數(shù)為700 471。材料屬性見表1。

表1 光學(xué)夾具及轉(zhuǎn)鼓材料參數(shù)表Tab.1 Material parameters of optical fixture and 6-face rotating drum

圖3 紅外窗口的有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model of optical fixture

3.1 施加邊界條件

氣相沉積薄膜過程中，折射轉(zhuǎn)鼓及夾具置于真空室內(nèi)，根據(jù)鍍膜工藝需要進(jìn)行整體升溫和降溫處理[8]。定義溫度載荷為初始溫度25℃，升溫至160℃后，恒溫保持，鍍膜溫度變化如圖4 所示。加載重力加速度慣性載荷至轉(zhuǎn)鼓及光學(xué)夾具，值為9.806 m/s2，方向為垂直于公轉(zhuǎn)盤豎直向下，對公轉(zhuǎn)盤下底面與大錐齒輪底面施加軸向位移約束。鍍膜過程中結(jié)構(gòu)載荷還包括離心力。離心力是一種慣性力，是以一種旋轉(zhuǎn)速度的方式施加在4 組上下夾裝塊及折射轉(zhuǎn)鼓上，旋轉(zhuǎn)方向為順時針，大小為1 rad/s?，F(xiàn)在對工作溫度條件下光學(xué)夾具及六面折射轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行仿真，分析溫度變化對上下夾裝塊及六面折射轉(zhuǎn)鼓變形的影響。

圖4 真空鍍膜室溫度變化示意圖Fig.4 Diagram of temperature change in coating machine

3.2 仿真結(jié)果分析

如圖5 所示，在160 ℃的情況下，六面折射轉(zhuǎn)鼓的最大熱變形量為0.14 mm，最大應(yīng)力為10.28 MPa，最大應(yīng)力小于材料鍺的屈服極限60 MPa[9-10]。所有的變形都呈中心對稱，符合實際情況。4 組六面折射轉(zhuǎn)鼓變形規(guī)律相同，故確定左上角轉(zhuǎn)鼓為分析對象。沿X 軸最大熱變形量為0.11 mm，沿Y 軸最大熱變形量為0.001 mm，沿Z 軸最大熱變形量為0.06 mm。光學(xué)熱變形量越遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心越大，這是一個變形累積的結(jié)果，所以，最大熱變形發(fā)生在下夾裝塊表面，大小為0.17 mm。如圖6 所示，光學(xué)夾具最大等效應(yīng)力為24.16 MPa，出現(xiàn)在下夾裝塊凹槽處，這是凹槽處幾何突變造成的。六面折射轉(zhuǎn)鼓及光學(xué)夾具在鍍膜過程中滿足應(yīng)力條件，表明光學(xué)夾具設(shè)計參數(shù)較合理[11]。

圖5 光學(xué)夾具及轉(zhuǎn)鼓變形分布云圖Fig.5 Displacement cloud diagram of optical fixture and 6-face rotating drum

圖6 光學(xué)夾具及轉(zhuǎn)鼓等效應(yīng)力分布云圖Fig.6 Thermal stress cloud diagram of optical fixture and 6-face rotating drum

4 真空鍍膜實驗

本實驗采用的高精度六面折射轉(zhuǎn)鼓，通過單點金剛石車削加工制備，其表面光潔度Ⅳ級，表面粗糙度（RMS）為7 nm。真空鍍膜實驗在天星TXX1100-Ⅱ型真空鍍膜機(jī)上進(jìn)行。由于BRUKER TENSOR27 傅里葉紅外光譜儀可測量的基底直徑在Φ30 mm 左右，且轉(zhuǎn)鼓為斜六面體不便測量，故采用同一夾具上的陪鍍片進(jìn)行測量，同一工藝流程所鍍出的膜層性能可認(rèn)為是相同的，陪鍍片規(guī)格為Φ25×2 mm。六面折射轉(zhuǎn)鼓的的膜系為5 層非規(guī)整膜系，該膜系結(jié)構(gòu)為

式 中：H——Ge；M——ZnS；L——YbF3；Sub——Ge 基底；Air——空氣；k1～k5——每層膜的系數(shù)。

鍍膜前，先用3∶1 的酒精乙醚混合液將襯底反復(fù)擦拭干凈，然后烘干后裝入光學(xué)夾具，關(guān)閉真空室門進(jìn)行抽真空。為保證實驗結(jié)果的可靠性，將所有樣品的沉積溫度均設(shè)定為160 ℃。當(dāng)真空達(dá)到2.0×10-3Pa 時，通過氣體質(zhì)量流量計充入氬氣使工作真空度保持在7.0×10-3Pa，然后打開電子槍，調(diào)節(jié)束流大小開始鍍膜。鍍膜后的六面折射轉(zhuǎn)鼓及陪鍍片如圖7 所示。

圖7 鍍膜后的轉(zhuǎn)鼓及陪鍍片F(xiàn)ig.7 6-face rotating drum and accompanying film after coating

使用BRUKER TENSOR27 傅里葉紅外光譜儀測得真空鍍膜實驗后陪鍍片8～12 μm 的透過率，同時對未鍍膜Ge 基底在8～12 μm 波段透過率進(jìn)行測量，以排除Ge 基底透過率對實驗的影響，提高實驗準(zhǔn)確性，如圖8 所示[12]。通過透過率曲線可知，在10～12 μm 波段實際透過率曲線低于理論仿真通過率曲線，這是因為完成鍍膜的Ge 基底吸收了一部分紅外光[13]。通過傅里葉紅外光譜儀測得陪鍍片8～12 μm 波段透過率平均為94.5%，滿足8～12 μm 透過率93%的技術(shù)要求。

圖8 仿真及實驗透過率曲線Fig.8 Simulation and experiment transmittance curve

5 結(jié)論

本文針對以往真空鍍膜實驗中光學(xué)夾具熱變形導(dǎo)致膜層出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，運用ANSYS 軟件建立了光學(xué)夾具在特定工況溫度條件下的靜力學(xué)模型，模擬計算了熱彈性形變量及熱應(yīng)力。分析結(jié)果表明，光學(xué)夾具夾持的六面折射轉(zhuǎn)鼓在特定工況下的最大熱彈性形變量0.14 mm，最大等效應(yīng)力為10.28 MPa。真空鍍膜實驗測得陪鍍片在8～12 μm 波段的透過率為94.5%，滿足透過率93%的要求。