专利名称：用于空间环境或极地区域的密封舱的玻璃的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于空间环境或极地区域的密封舱的玻璃，其处于极高的温度梯度作用下，特别是用作空间站、飞行器和在北极或在南极地区的极地站中的视窗。
背景技术：
对于作为宇宙大气条件分界的空间站或飞行器中的视窗，其材料需要特别的性能。
由于大气条件，例如阳光直射或背阴面，可产生ΔT≈370K(阳面+120℃，阴面-250℃)的巨大温度变化。在飞行器发射、着陆或飞行时的热或冷的废气流也可能存在高的温度负载。此外，由于例如旋转或快速温度变换的局部变化，在视窗上会产生高的温度梯度。因此由于不适当的材料选择会产生导致视窗破裂的应力。
同样由视窗所分界的例如空间站内部和宇宙的温度之间会出现温度梯度。在此，经过视窗厚度可以出现在空间站温度(20℃)和例如-250℃或+120℃的宇宙温度之间的温度梯度。
在北极或南极极地站的玻璃不会出现如此极端的温度梯度，但其仍然导致很高的玻璃热力学应力。
人们仍然继续对宇宙空间玻璃进行研究。
因为大气可能含有其它摩擦介质，例如沙、石或太空金属废料等，所以所用材料需要有足够的硬度和机械强度。
一般地，玻璃，视窗，必须能有不畸变的视野，并且易于清洁。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于空间环境或极地区域的密封舱的有效的玻璃，其处于极高的温度梯度作用下。
该目的通过一组玻璃片组成的玻璃达到，其中面向环境的外侧玻璃由玻璃陶瓷组成。
优选形成透明的玻璃陶瓷，从而可以将其作为有关舱的视窗。
玻璃陶瓷已表现出对出现的温度梯度和温度变化的耐受性。通常玻璃陶瓷作为炉膛的视窗玻璃在高达800℃下使用。还已知其作为阻燃玻璃的应用。然而对于在宇宙或在极地的情况，决定性的不是最高温度，而是玻璃陶瓷令人惊奇地对作用于材料上的温度波动范围和温度梯度的耐受性。
玻璃陶瓷有硬性表面，对飞行的磨蚀物质也表现出好的稳定性。如果该陶瓷玻璃遭损害，仅出现小凹坑、小片或小孔。如果出现破裂，玻璃片被裂成大的片，可被框架保持原位。在这种情况下，带热预应力的玻璃对周围的飞行碎片会提供安全风险。
根据本发明的玻璃一般不仅由单层板组成，而是由一组片组组成。在此保证了外玻璃陶瓷板可以容易地更换，而无需将整玻璃片组更换。玻璃片组可象绝缘玻璃或复合玻璃那样构成，从而具有隔热性或隔音性。
外面的玻璃陶瓷玻璃片按应用情况可以是平面的、变形的或弯曲的。
如果玻璃陶瓷含有TiO2作为成核剂，则玻璃陶瓷玻璃片可起UV-阻断作用，这对于确保宇航人员避免射线损伤是一个主要的优点。
优选玻璃陶瓷板具有不同的功能的涂层，例如—减少反射作用，—热反射作用，—可加热，—在原有的UV-阻挡不足时构成UV-滤片。
普通的玻璃陶瓷板通常具有较粗糙的表面，Ra为0.35μm-0.55μm。
由此存在较大的散射，它干扰无畸变的视野。此外，还使玻璃陶瓷板难以清洁。
根据本发明的结构，提供了一种无畸变的视野，并且由于玻璃陶瓷板表面没有小孔，使得清洁更容易。
可用增加费用的抛光玻璃陶瓷板表面的方法或用浮法玻璃陶瓷得到这种无孔的特征，根据本发明的实施方案优选由权利要求2的浮法玻璃陶瓷来实现。
这种浮法玻璃陶瓷具有特别低的粗糙度，平均粗糙度为Ra≤0.02μm，均方粗糙度为Rq≤0.01μm，从而具有极小的干扰散射行为以及很高的易清洁性。
在DIN4762中详细阐明了表面粗糙度的概念。平均粗糙度Ra是实际断面和平均断面之差的绝对值的数学平均值或与中心平面之绝对高度差的数学平均值。平均断面是这样确定的，即，通过实际断面在一参考长度内设一断面，以使上部实际断面的材料填充的面块总和与下部材料填充的面块总和相等。根据DIN 4762，用Weiβlich-干涉显微法(测量面0.6×0.5mm)确定的Rq＝平均粗糙度均方的平均值。它们用公式表示如下Ra=(|Z1|+|Z2|+|Z3|+...+|Zn|)N]]>Rq=(Z12+Z22+Z32+...+Zn2)N]]>用浮法制造的平板玻璃陶瓷体是公知的。
原则上可将任何已知的浮法玻璃陶瓷用于构成根据本发明的易清洁的玻璃陶瓷体。
为达到特别高的表面质量和相应的高的易清洁性，可采用浮法玻璃作为原料玻璃，通过将下列元素的含量限定为Pt小于约300ppb、Rh小于约3.0ppb和ZnO小于约1.5重量％以及SnO2小于约1重量％可避免在浮法生产中形成干扰性表面缺陷，同时该玻璃在熔融时无需使用常规的精炼剂氧化砷或氧化锑。
这种玻璃以组分为特征，该组份可避免浮法生产中形成干扰性表面缺陷。浮法生产线由常规的熔池和界面组成，在熔池中将玻璃熔化并精炼，界面保证从熔池的氧化气氛过渡到后继设备即浮法部分的还原气氛，在后继的设备中，在氮氢混合气还原气氛下，通过浇在液态金属——主要是Sn——上将玻璃成型。通过在Sn床上平滑流过并借助在玻璃表面上加力的所谓上辊进行玻璃的成型。在金属床上移动期间，玻璃冷却，在浮法生产设备的终点将玻璃取下，送入冷却炉中。
在玻璃表面成型并在浮床中移动期间，通过玻璃与浮床气氛或Sn床之间的相互影响可导致干扰的表面缺陷的形成。
当玻璃中含有的溶解形式的大于300ppb的Pt或大于30ppb的Rh时，在还原条件下在玻璃表面上会形成Rt颗粒或Rh颗粒的金属沉淀，作为大于等于100μm的高石英混晶的有效晶核，从而导致干扰性的表面结晶。这类材料特别用作电极、衬里、搅拌器、输送管道、阀门等。借助实施生产前述玻璃陶瓷的方法的设备时要尽可能避免Pt或Rh材料的引入，从而避免形成表面结晶，并且，通过用陶瓷材料替代或通过其在熔池或界面的设计使上述含量不超过限度。
ZnO的含量限制为1.5重量％。已经表明，在浮床的还原条件下，在玻璃上表面中的锌变少了。从而认为在玻璃上表面的锌被部分还原了，这是由于在浮床气氛中Zn的蒸汽压比Zn+2的高使Zn蒸发了。除在浮法生产中由于不希望的Zn的蒸发和较冷位置的析出外，Zn在玻璃中不均匀的分布参与了近表面处的结晶带的生成。由大的高石英混晶构成的结晶带在近表面处产生，那里玻璃中Zn含量又上升到近起始数值。因此，从开始保持小的起始值是适宜的。
玻璃的SnO2含量限制为小于1重量％。在浮法设备中还原条件的作用下，同样在玻璃表面的SnO2被部分还原。令人意外的是就在玻璃表面上生成了金属Sn的小球，虽然在冷却或洗涤时易于去除，但是在玻璃表面上留下了球形的孔洞，这对应用有严重的影响。
当SnO2的含量非常小时，可以避免这种小球的形成。
上述的原料玻璃无需使用用于Li2O-Al2O3-SiO2体系玻璃的常规精炼剂氧化砷和/或氧化锑来精炼。在浮法线的还原条件作用下，同样上述的精炼剂直接在玻璃表面上还原，并形成干扰性的、可见的金属覆盖物。通过打磨或抛光将这种干扰性的、毒性的覆盖物除去在经济上是不利的。为了避免覆盖物的形成，减少气泡数量，可使用其它的化学精炼剂，例如SnO2、CeO2、硫酸盐、氯化物，优选玻璃中加入0.2-0.6重量％的SnO2。或者可以对玻璃进行物理的、例如通过低压或＞1750℃的高温处理。从而通过可选择的精炼剂和/或可选择的处理方法可确保必须的气泡数量。
还要考虑到陶瓷化不会妨害浮法生产得到的低粗糙度，例如用垂直的陶瓷化或气体陶瓷化的方法，即，衬底与要陶瓷化的玻璃体没有接触。
基于下列氧化物的重量百分比组成的浮法陶瓷化铝硅酸盐玻璃使玻璃陶瓷表面粗糙度非常小是有突出优点的。
Li2O 3,2-5,0Na2O 0-1,5K2O0-1,5∑Na2O+K2O0,2-2,0MgO 0,1-2,2CaO 0-1,5SrO 0-1,5BaO 0-2,5ZnO 0-＜1,5Al2O319-25SiO255-69TiO21,0-5,0ZrO21,0-2,5SnO20-＜1,0∑TiO2+ZrO2+SnO22,5-5,0P2O50-3,0依照第二个实施方案中，特别优选的玻璃具有下列氧化物的重量百分比的组成
Li2O 3,5-4,5Na2O 0,2-1,0K2O0-0,8∑Na2O+K2O0,4-1,5MgO 0,3-2,0CaO 0-1,0SrO 0-1,0BaO 0-2,5ZnO 0-1,0Al2O319-24SiO260-68TiO21,0-2,0ZrO21,2-2,2SnO20-0,6∑TiO2+ZrO2+SnO23,0-4,5P2O50-2,0这种玻璃在生产根据本发明的玻璃陶瓷体的应用中具有特别的优点，因为其具有非常易于清洁的表面。
权利要求
1.一种用于空间环境或极地区域的密封舱的玻璃，其处于极高的温度梯度作用下，该玻璃由一组玻璃片组成，其中朝向环境的外侧玻璃由玻璃陶瓷组成。
2.根据权利要求1的玻璃，其特征在于，玻璃片组，包括外侧的玻璃陶瓷片是透明的。
3.根据权利要求1或2的玻璃，其特征在于，外侧的玻璃陶瓷片至少具有涂层。
4.根据权利要求3的玻璃，其特征在于，涂层由一种材料构成，该涂层具有减少反射的作用和/或热反射作用，和/或可加热和/或吸收UV辐射。
5.根据权利要求1-4任一项的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷片具有无孔的表面。
6.根据权利要求5的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷片具有磨光的表面。
7.根据权利要求5的玻璃，其特征在于，由可预加热应力的、浮法铝硅酸盐经玻璃陶瓷化形成浮法玻璃陶瓷，其表面的结构的粗糙度，即，平均粗糙度Ra≤0.02μm和/或均方粗糙度Rq≤0.01μm。
8.根据权利要求7的玻璃，由可浮法生产、可预加热应力的原料玻璃生产，并转变成有高石英混晶或热液石英混晶的玻璃陶瓷，其含有小于300ppb的Pt，小于30ppb的Rh，小于1.5重量％的ZnO和小于1重量％的SnO2，在熔融时无需使用常规的精炼剂氧化砷和/或氧化锑进行精炼，并通过在还原气氛下浇注在流动金属上成型。
9.根据权利要求8的玻璃，以浮法硅铝酸盐玻璃作为原料玻璃。
10.根据权利要求9的玻璃，其特征在于原料玻璃的组成(基于氧化物的重量百分比)为Li2O 3,2-5,0Na2O 0-1,5K2O 0-1,5∑Na2O+K2O 0,2-2,0MgO0,1-2,2CaO0-1,5SrO0-1,5BaO0-2,5ZnO0-＜1,5Al2O319-25SiO255-69TiO21,0-5,0ZrO21,0-2,5SnO20-＜1,0∑TiO2+ZrO2+SnO22,5-5,0P2O50-3,0如果需要，可添加染色成分，诸如V-、Cr-、Mn-、Fe-、Co-、Cu-、Ni-、Se-、Cl-化合物。
11.根据权利要求10的玻璃，其特征在于，原料玻璃的组成(基于氧化物的重量百分比)为Li2O 3,5-4,5Na2O 0,2-1,0K2O 0-0,8∑Na2O+K2O 0,4-1,5MgO0,3-2,0CaO0-1,0SrO0-1,0BaO0-2,5ZnO0-1,0Al2O319-24SiO260-68TiO21,0-2,0ZrO21,2-2,2SnO20-0,6∑TiO2+ZrO2+SnO23,0-4,5P2O50-2,0如果需要，可添加染色成分，诸如V-、Cr-、Mn-、Fe-、Co-、Cu-、Ni-、Se-、Cl-化合物。
12.根据权利要求9-11任一项的玻璃，其特征在于，为了避免浮法生产中产生有害的近表面的结晶带，对原料玻璃，式3.2×ZnO＋TiO2≤4.3(重量百分比)是重要的。
13.根据权利要求9-12任一项的玻璃，其特征在于，在原料玻璃中Fe2O3含量小于200ppb，TiO2的含量小于2.5重量％，以防止玻璃有害的染色，并实现在4mm厚度时的透光比＞89％、优选＞90％。
14.根据权利要求9-13任一项的玻璃，其特征在于，玻璃陶瓷的热膨胀系数α20/300为3.5-5.0×10-6/K，转化温度Tg为600-750℃，加工温度VA为1350℃。
15.根据权利要求9-14任一项的玻璃，其特征在于，热液石英混晶作为主结晶相的玻璃陶瓷的热膨胀系数小于1.5×10-6/K。
16.根据权利要求9-14任一项的玻璃，其特征在于，高石英混晶作为主结晶相的玻璃陶瓷的热膨胀系数为(0±0.3)×10-6/K，优选(0±0.15)×10-6/K，透光比大于80％。
全文摘要
本发明涉及在例如空间站、宇宙飞行器或极地站存在的极高温度梯度下使用的玻璃。为了保证高的耐温性,由玻璃片组组成玻璃,其朝向环境作用的外侧玻璃由玻璃陶瓷组成。玻璃陶瓷优选是基于浮法铝硅酸盐玻璃的浮法生产的玻璃陶瓷,其有非常小的表面粗糙度,从而可以实现无畸变的视野,并非常容易清洁。
文档编号B64G1/60GK1342619SQ01137619
公开日2002年4月3日 申请日期2001年4月7日 优先权日2000年4月8日
发明者S·梅尔森, S·胡贝尔特 申请人:肖特玻璃制造厂