Кварцевое оптическое стекло

Кварцевое стекло – аморфный плавленый кварц – одна из двух возможных форм существования двуокиси кремния SiO₂ . В особо чистом виде ( содержание SiO₂ более 99,9% ) используется как кварцевое оптическое стекло – материал для изготовления объёмных оптических деталей – пластин , линз , призм ; для ряда специальных применений используется стекло более чистого состава ( до 99,99% SiO₂ ) , например , в производстве оптического волокна для систем оптической связи.

Основной элемент пространственной структуры кварцевого стекла – тетраэдр (SiO₄)^4- . Вид его в плоской проекции показан на рис.1.8 а. Объёмная конфигурация ячейки несколько сложнее (рис.1.8б) .Её можно описать , как тетраэдр – трёхгранную пирамидку , внутри которой ,в центре ,располагается атом кремния Si ,а в четырёх углах – четыре атома кислорода О ,связанные валентными связями с центральным атомом кремния.Четыре незанятые валентные связи атомов кислорода позволяют этой элементарной ячейке соединяться с четырьмя другими аналогичными ячейками (SiO₄)^4- , образуя пространственную структуру – кластер .От числа таких тетраэдров в кластере ( в среднем ) и от их взаимного расположения зависит конечный результат – получится ли монокристаллическое вещество - кристалл кварца или аморфное – плавленый кварц, кварцевое стекло.Комплексы таких сцепленных ячеек и составляют ближний порядок матрицы кварцевого стекла (рис.1.8в), при этом дальний порядок в стекле отсутствует . Кластеры в стекле имеют разную величину ,разную ориентацию друг относительно друга и разное количество связей друг между другом.Такая вариативность и обуславливает аморфную структуру кварцевого стекла .

Методы производства кварцевого стекла зависят от его назначения.Оптическое кварцевое стекло для изготовления объёмных оптических элементов производят методом плавки в ванных печах (большие количества , непрерывный процесс) или в тиглях ( малые количества , периодические плавки ). Исходным сырьём служит горный хрусталь ( 99,9% SiO₂ ) или особо чистый кварцевый песок (99,5% SiO₂ ,после промывки и очистки).

Последовательность технологических процессов изготовления оптического кварцевого стекла показана на рис.1.9.

После спекания под вакуумом ( для первичного удаления воздуха из исходной массы ) спечённую массу нагревают до температуры размягчения ( для кварца около 1600 С⁰ ). Как описано выше,при повышении температуры происходит постепенное уменьшение вязкости стекломассы – размягчение. Процесс проводят при повышенном давлении для укрупнения пузырей воздуха и облегчения их выхода из стекломассы.При температуре 1700 С⁰ происходит полное расплавление стекломассы ,а при температуре 1720 С⁰ начинается возгонка SiO₂ . Такой узкий диапазон температур технологического процесса представляет некоторую сложность и требует тщательного соблюдения параметров плавки. Обычно используются графитовые тигли и индукционный нагрев ВЧ – индуктором. Высокая вязкость стекломассы и узкий диапазон рабочих температур представляют существенную сложность и препятствуют отливке оптических деталей сложной формы.

Достоинства оптического кварцевого стекла : широкий диапазон прозрачности ( 250 нм – 4700 нм ); малый температурный коэффициент линейного расширения ( 5,8 * 10^-7 град^-1 ),наименьший из всех известных веществ; очень высокий предел прочности на сжатие ( более 2000 МПа ).

Недостатки оптического кварцевого стекла : склонность к расстекловыванию ( образование микрокристаллов,понижение прочности ) , высокая стоимость процесса производства из-за высокой температуры плавления,высокой вязкости,повышенных требований к чистоте реагентов.

Основные области применения кварцевого стекла в оптике :

1.Изготовление оптических деталей с повышенной температурной стабильностью ( малый ТКР ): зеркала телескопов ,элементы интерферометров,линзы УФ – и ИК – диапазонов; оптические окна УФ – и ИК – спектров , призмы широкополосных спектральных приборов; УФ – и ИК – оптика .

2. Изготовление кварцевых тиглей , муфелей,лодочек для производства более легкоплавких стёкол и оптических материалов с температурами плавления менее 1500 С⁰ ( кварцевое стекло выдерживает длительные температуры 1500 С⁰ без потери механической прочности.

Однако , кварцевое оптическое стекло,полученное методом тигельной варки из расплава SiO₂ , непригодно для изготовления оптического волокна. Причина этого – наличие остаточных примесей в исходном сырье ( соединения железа , хрома , никеля, меди, марганца и других металлов) попадание в расплав частиц материала тигля ( углерод , платина ) , что приводит к повышенным потерям в диапазонах длин волн, используемых в системах ВОСП. Для этих целей необходимы другие технологии изготовления двуокиси кремния SiO₂ повышенной чистоты.

Обычно плавленый кварц , изготовленный тигельной плавкой из сырья повышенной чистоты,используется для изготовления наружной опорной трубы заготовки – преформы оптического волокна в методе MCVD .

Изготовление оптических деталей сложной формы из кварцевого стекла методом литья затруднено из-за высокой вязкости расплава и малого диапазона температур , внедрение в матрицу SiO₂ легирующих добавок и примесей приводит к расстекловыванию и ухудшению оптического качества , поэтому необходима разработка других оптических материалов , сочетающих достоинства кварцевого стекла и свободных от его недостатков .

Дробление , очистка

Удаление пузырей воздуха

Т⁰ 1600 С⁰ ,размягчение

Высокое давление

для укрупнения и облегчения

выхода пузырей

Т⁰ 1700 С⁰ - 1720 С⁰

Стекло выпускается

из тигля для отливки

нужных оптических

деталей ( трубок,

пластин ,стержней ).

Рис.1.9. Схема технологического процесса изготовления

кварцевого оптического стекла .

Рис.1.7. Диаграмма типов стёкол .

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 499; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!