Оптические стеклокристаллические материалы

Оптические стёкла обладают многими ценными техническими качествами и широко используются в оптической промышленности. Вместе с тем,им присущ и ряд недостатков.Основные недостатки оптического стекла суть низкая теплопроводность ,высокая ударная хрупкость и малая твёрдость к истиранию.Эти недостатки обусловлены особенностями внутреннего строения матрицы стекла , а именно отсутствием дальнего порядка в пространственном расположении структурных элементов матрицы, иначе говоря, аморфным характером материала.Для многих практических применений необходимы оптические материалы с большей теплопроводностью,большей механической прочностью ,большей ударной стойкостью.Ряду этих специфических требований удовлетворяют стеклокристаллические материалы , в которых одновременно сочетаются свойства и особенности аморфных сред – стёкол и монокристаллических веществ. Оптические стеклокристаллические материалы разделяются на два класса : оптические ситаллы и оптические керамики.

2.2.1. Оптические ситаллы.

Ситаллы – стеклокристаллические материалы,полученные путём почти полной стимулированной кристаллизации стёкол специального состава.Если в обычном оптическом стекле расстекловывание - образование микрокристаллов внутри матрицы является дефектом,то в ситалле этот процесс используется для направленного придания материалу новых свойств.

Рис.2.4. Структура ситалла.

Размеры зёрен кристаллитов – 0,5 мкм –

1,0 мкм ; их общая масса – до 90 % всей

массы ситалла,а остальные 10% -

аморфное стекло.

Кристаллиты как бы вморожены ,вплавлены в стекло.Отсюда высокая прочность к ударному изгибу ( микротрещины прерываются,натыкаясь на кристаллиты ),высокая теплопроводность,высокая механическая твёрдость к истиранию ( свойственная кристаллам ).Однако химическая стойкость ситаллов меньше,чем у стекла ( на границах кристалл – стекло химические реакции идут активнее,чем в массе однородного стекла ).

Для того,чтобы микрокристаллы образовались сразу по всему объёму стекломассы и были примерно одинакового размера,берут стекло специального состава , склонное к расстекловыванию. Например , алюмосиликатное Li₂O : Al₂O₃ : SiO₂ ; в стекломассу вводят специальные добавки – зародыши кристаллизации, и проводят специальную обработку стекломассы.По характеру этой обработки различают термоситаллы и фотоситаллы.

Термоситаллы : в стекломассу вводят добавки – зародыши кристаллизации ( окислы титана TiO₂ , циркония ZrO₂ или сульфид железа FeS ) . Стекломассу после варки и формовки подвергают двухступенчатой термообработке :

1. Выдержка при температуре 500 ⁰ С – 700 ⁰ С для образования зародышей микрокристаллов.

2. Выдержка при температуре 900 ⁰ С – 1100 ⁰ С для роста микрокристаллов стекла вокруг зародышей.

Фотоситаллы : в стекломассу добавляют соли светочувствительных металлов ( золото Au,серебро Ag,медь Cu ) .Проводят варку и формовку изделий,после чего сформованные изделия подвергают термообработке. При варке ионы золота Au,серебра Ag и меди Cu восстанавливаются до атомов металлов ( применяют восстановители ) . Сформованные изделия нагревают до температуры 500 ⁰ С – 700 ⁰ С и облучают ультрафиолетовым или рентгеновским излучением.При этом атомы металла восстанавливаются,коагулируют в субмикронные коллоидные сгустки и образуют зародышевые центры. Далее изделия нагревают почти до температуры размягчения 1000 ⁰ С – 1100 ⁰ С и выдерживают для роста микрокристаллитов равномерно во всём объёме стекломассы.При необходимости возможна засветка через трафарет и дальнейшее химическое травление засвеченных участков для фигурной обработки изделия ( ситалл травится быстрее,чем стекло ).

Ситаллы обладают очень малым ( близким к нулю ) коэффициентом теплового линейного расширения. При соответствующем выборе химического состава матрицы возможно получение ситалла с отрицательным ТКР. Температурный диапазон применения , в зависимости от марки , 350⁰ С – 650⁰ С. Основная область применения – для изготовления деталей , не допускающих изменения формы и размеров в широком диапазоне температур ( астрозеркала телескопов,подложки интерферометров,базы гироскопов, обтекатели,защитные стёкла и экраны ракетно – космической техники ) .

Достоинства технологии ситаллов : большие размеры оптических деталей ( диаметры до 200 см,ширина до 100 см,толщина до 30 см ) ; возможность плавно менять физические и химические свойства за счёт контроля фазы роста микрокристаллов.

Термоситаллы Li₂O + Al₂O₃ + SiO₂ Фотоситаллы

ZrO₂ Ag,AgCl,

FeS PtCl,Cu

Образование УФ,

Зародышей рентген

микрокристаллов фото-

восстановление

Регулируемый частиц металла

рост микрокристаллов Рост и

вокруг зародышей кристал-

лизация

микрокристаллов

вокруг зародышей

Рис.2.5. Технологический процесс варки ситаллов .

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 315; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!