Статья опубликована в международном научном журнале «Ceramics International».
Без кварцевого стекла невозможна точная работа спутников, мощных лазеров и современной микроэлектроники. Из него делают иллюминаторы космических кораблей, линзы в оборудовании для печати микрочипов и чувствительные элементы навигационных гироскопов — те самые детали, что отвечают за ориентацию в пространстве.
В чём же секрет этого материала? Обычное оконное стекло делают из смеси песка, соды и извести. Соду и известь добавляют, чтобы удешевить производство: они снижают температуру плавления и придают материалу прочность. Но именно эти добавки и неизбежные примеси лишают стекло термостойкости, прозрачности для ультрафиолета и способности сохранять форму при перепадах температур.
Кварцевое стекло устроено иначе — это практически чистый оксид кремния. Тот же песок, только из него убрали всё лишнее и расплавили при температуре почти в две тысячи градусов. Благодаря такой чистоте оно выдерживает нагрев выше тысячи градусов и не размягчается, свободно пропускает даже жёсткий ультрафиолет и почти не меняет размеры при нагреве и охлаждении.
Эти три свойства напрямую определяют, где и как применяется материал. У спутника есть несколько иллюминаторов — по сути, это окна из кварцевого стекла, вмонтированные в корпус. Один может быть обращён к палящему солнцу, другой — в ледяной космический вакуум, при этом каждый из них одной поверхностью контактирует с открытым космосом, а другой — с герметичным отсеком, где поддерживается нормальная температура. Перепад в сотни градусов обычное стекло разрывает или заставляет помутнеть, кварцевое же остаётся целым и прозрачным.
В мощном лазере стоят линзы и защитные окошки из кварцевого стекла, через которые проходит луч. Обычный материал под таким излучением перегрелся бы, изменил форму и искривил бы луч — как кривое зеркало в комнате смеха. Кварцевое стекло не поглощает свет, не нагревается и не деформируется. Оно остаётся идеально ровным и прозрачным, поэтому лазер бьёт точно в цель.
В навигационном приборе спутника находится крошечная вибрирующая деталь из кварцевого стекла. Её задача — колебаться с постоянной частотой, как камертон. Если от нагрева она хоть немного изменит форму, частота колебаний собьётся. Прибор перестанет точно определять своё положение, и спутник потеряет ориентацию в пространстве. Этот материал не меняет форму от тепла, поэтому ритм остаётся неизменным, а навигация работает без сбоев.
Долгие годы технологией производства особо чистого кварцевого стекла владели лишь несколько стран — США, Германия и Япония. Для России собственное производство такого материала — это возможность обеспечить технологическую независимость там, где без него не обойтись: в космической отрасли, лазерной технике, микроэлектронике, оптоволоконной связи, медицине и научном приборостроении.
Однако у традиционной зарубежной технологии, которая сегодня доминирует на мировом рынке и задаёт стандарт качества, есть свои недостатки. Во-первых, она опирается на хлорсодержащие вещества, выделяющие при производстве ядовитый газ. Это вынуждает заводы устанавливать дорогие системы очистки воздуха, да и сам процесс остаётся небезопасным для экологии. Во-вторых, получить стекло с высокой прозрачностью в ультрафиолете традиционным способом непросто: даже при тщательном контроле в материале могут сохраняться мельчайшие пустоты и неоднородности. Они рассеивают свет, и стекло теряет прозрачность именно в том диапазоне, который критически важен для космоса, лазеров и микроэлектроники. Чтобы справиться с этим, производители вынуждены использовать сверхчистое сырьё и сложные методы очистки.
Учёные Пермского Политеха предложили новую технологию, которая решает обе эти проблемы. Она полностью отечественная, не использует хлор и позволяет получить стекло с высоким показателем пропускания в ультрафиолете.
Исследователи предложили добавить промежуточный этап при плавлении кварцевого стекла – высокотемпературную выдержку в вакуумной печи до температуры размягчения материала.
За это время на поверхности каждой песчинки образуется прочная кристаллическая оболочка — кристобалит, особая разновидность кварца. Зачем это нужно? При образовании кристобалита происходит формирование упорядоченной структуры материала и вытеснение избыточного кислорода. После этого сырьё плавят и получают готовое изделие. Весь цикл идёт в герметичной вакуумной камере, без хлора и других токсичных веществ. Затем у готового стекла измерили пропускание. Особое внимание уделили двум ключевым показателям: прозрачности в ультрафиолете и в видимой области спектра.
— поясняет Иван Ряпосов, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.Лучший образец имел пропускание в ультрафиолетовой области спектра более 80%. Это уровень лучших зарубежных аналогов, то есть кварцевое стекло остаётся практически идеально прозрачным,
Подбор температуры и времени критически важен для получения необходимого соотношения кристаллической и аморфной фазы, которое дает при плавлении стекло с максимальным пропусканием.
— дополняет Иван Ряпосов.Мы впервые детально показали, как именно предварительная кристаллизация порошка в кристобалит при строго определённой температуре влияет на структуру и оптические свойства будущего стекла. Это позволило нам на практике получить материал, который по качеству не уступает мировым аналогам,
Таким образом, учёные Пермского Политеха предложили экологически чистую альтернативу производства сверхчистого кварцевого стекла с качеством, сопоставимым с мировыми лидерами. Данная разработка открывает путь к созданию отечественных материалов для космической отрасли, лазерной техники и микроэлектроники — без оглядки на зарубежных поставщиков и без ущерба для окружающей среды. В перспективе технология может быть масштабирована для промышленного выпуска оптического стекла широкого назначения.
Опубликованный материал предоставлен Пермским Политехом.