Лекция 1. Стеклообразное состояние веществ и стекла

Лекция 1. Стеклообразное состояние веществ и стекла

Процес перехода стекло-расплав.

Если вещества, которые находятся в расплавленном жидком состоянии охлаждать, то они затвердевают, и могут кристаллизоваться, или перейти в стеклообразное состояние, как показано диаграммой на Рис.1. По кривой графика 1 видно, что расплав переохлаждается, выделяется скрытая теплота кристаллизации и при температуре плавления , за некоторый промежуток времени вещество кристаллизуется, а затем охлаждается в твёрдом состоянии. Кривая графика 2 не имеет изломов, что свидетельствует о постоянном и плавном изменении свойств вещества при застывании в твёрдое стеклообразное состояние. При этом нет определённой температуры плавления жидкости. Процесс перехода стекло-расплав является обратимым, а частицы вещества не располагаются в определённую пространственную решётку. Стекловидное вещество становится твёрдым, аморфным и изотропным.

Температура соответствует вязкости . В стекле начинают появляться пластические свойства, и оно может вытягиваться в тонкие нити.

Температура соответствует вязкости . В стекле начинает появляться хрупкость.

Кривая выше соответствует расплаву, а ниже температуры отжига - соответствует твёрдому стеклообразному состоянию вещества.

Интервал ­- называют интервалом размягчения, в котором расплав постепенно и непрерывно получает свойства твёрдого стеклообразного вещества. Некоторые свойства стекла вне интервала изменятся по прямолинейному закону, а в интервале между и по криволинейному.

Стекловидные вещества

Большинство веществ, используемых в оптическом производстве, можно перевести из жидкого состояния в твёрдое и получить в стеклообразном состоянии. Например серу, селен, окислы , а также некоторые халькогениды. Вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии широко распространены: смолы, глицерин, метилметакрылат, полиэтилен и т.д. Некоторые стекловидные вещества при комнатной температуре и атмосферном давлении могут находиться в твёрдом, жидком или пластическом состоянии, составляя группу оптических сред.

Оптические среды – это оптическое стекло, плёнки покрытий на оптических деталях, слои клеящего вещества.

Теория строения стекла

Известный русский учёный Менделеев обосновал представление о стекле как о сплаве окислов некоторых химических элементов. Он уподобил стекло переохлаждённой жидкости находящейся в твёрдом состоянии.

Позже в 1921 г. академик Лебедев, изучая изменение показателя преломления стекла в зависимости от температуры, показал, что до температур этот процесс обратимый, после быстрого охлаждения стекла с более высоких температур значение показателя преломления резко изменяется, и процесс теряет обратимость – в стекле произошли структурные изменения. Создано представление о микрокристаллической природе стекла как о сцеплении чрезвычайно мелких деформированных кристаллов силикатов и кремнезёмов. Они объединены в структуру, в которой нет полного взаимного проникновения разнородных молекул, а имеется преимущественное взаимодействие однородных молекул с образованием малых самостоятельных структурных микро групп. Такую структуру называют микрогетерогенной (неоднородной). Кристаллит представляет собой зародыш деформированного кристалла, центральная часть, которая имеет упорядоченное строение, а периферия является микро областью переходной к другому химическому составу. Между микро областями нет границ раздела, что было подтверждено экспериментами.

Позже академик Гребенщиков показал, что при обработке образца стекла уксусной, соляной и др. кислотами выщелачивается натриево- и калиевоборатная составляющая и остаётся 9-5 %-е кремнезёмное стекло. Размеры и формы образца не изменяются.

В начале 30-х г. Захариазин выдвинул теорию строения стекла получившую известность под названием теории непрерывной сетки. По этой теории координационные полиэдры окислов способны затвердеть в виде стекла и создавать прочную увязанную структурную сетку. В этой сетке центральный ион-атом стеклообразователя окружён ионами-атомами кислорода и другого двухвалентного элемента расположенными в общих вершинах тетраэдра. Некоторые ионы-атомы связаны только с двумя центральными атомами и не образуют связей с другими катионами. По этой теории окислы типов дают стеклообразования, а окислы типов не образуют стекла.

О кристаллизации стекла

Чтобы избежать появления кристаллов в стекле нужно знать законы, управляющие числом новообразований и их линейным ростом. В жидком состоянии расплава молекулы совершают хаотическое тепловое движение и сталкиваются одна с другой, образуя метастабильные агрегаты, которые перегруппировываются и образуют центры кристаллизации. К этим центрам присоединяются новые частицы вещества и кристаллы растут. При дальнейшем понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, но кристаллы ещё растут под влиянием увеличения коэффициента диффузии, который зависит от вязкости. При дальнейшем переохлаждении вязкость возрастает чрезвычайно быстро и рост кристаллов прекращается. Процесс кристаллизации можно представить в виде следующих графиков на Рис.2.

Способность расплава кристаллизоваться выясняется из взаимного расположения графиков ЧЦК и ЛРК. ЧЦК – это есть скорость образования некоторого числа центров кристаллизации, т.е. ,где - приращение центров кристалла, - приращение температуры. ЛРК – скорость линейного роста кристаллов , где - приращение размеров кристаллов.

Если максимумы ЧЦК и ЛРК находятся при близких температурах, то кристаллизация наступает легко, а если они разнесены, то кристаллизация затруднена. Максимум ЛРК для всех расплавов лежит в близи температуры плавления, благодаря этому большинство расплавов можно перевести в стеклообразное состояние. Если абсолютное значение максимума ЧЦК велико, то образуется большое число мелких кристаллов. Если же велик максимум ЛРК, то образуются кристаллы большого размера. Чёткое представление о кристаллизационной способности расплава стекломассы данного химического состава позволяет целенаправленно управлять режимом варки, выработкой и термической обработкой стекла добиваясь его получения без кристаллизации. Увеличение числа вязких компонентов состава, хороший провар и однородность шихты, снижают кристаллизационную способность стекломассы.

Стёкла оптические

Стёклами называют вещества находящиеся в стеклообразном состоянии, которому присущи следующие признаки:

1) твёрдость при обычной температуре;

1) прозрачность хотя бы для некоторой части спектра видимого излучения;

2) малая электро и теплопроводность;

3) стойкость к реагентам атмосферы и воды;

4) однородность по всему объёму.

Стекла, которые удовлетворяют этим признакам, называются промышленными, техническими или оптическими в зависимости от их назначения.

Стёкла состоят главным образом из окислов, которые делят на

1) кислотные: и др.;

2) основные: ;

3) двойственного действия: .

Стёкла оптические определяют по 100%-й формуле химического состава. Например, 72% - , 10% - , 18% - . Для предания стёклам специальных свойств по твёрдости, цвету, радиационной устойчивости в них добавляют определённые химические элементы.

Тепловые свойства стекла.

В оптическом производстве применяют технологические процессы, связанные с выделением или поглощением стекла стекломассой. Поэтому тепловые свойства имеют важные значения и должны учитываться при назначении режимов обработки стекла. Тепловые свойства стекла характеризуют: удельная теплоёмкость, теплопроводность, тепловое расширение, термостойкость, температура спекания .

Удельная теплоёмкость – это количество необходимое при данной температуре для нагревания единицы массы стекла на . Теплоёмкость оптических стекол имеет следующее значение для некоторых марок стёкол: для ТФ3 - С=0,407 , К8 - С=0,739 , Кварц – С=0,8895 .

Теплопроводность стекла определяется его способностью передавать тепловую энергию в направлении более низких температур. С повышением температуры теплоёмкость стёкол повышается. Повышенную теплопроводность имеют стёкла с большим содержанием . Предельным случаем является кварцевое стекло. Стёкла содержащие много имеют низкую теплопроводность. Теплопроводность стёкол характеризуется коэффициентами теплопроводности и температуропроводности.

Тепловое расширение стекла характеризуется коэффициентами линейного и объёмного расширения. Коэффициент расширения стекла зависит в первую очередь от его химического состава. У оптических стёкол он изменяется в довольно широких пределах. Так, например, для кварцевого стекла это , для ЛК5 – , для ЛК1 – .

Термостойкость стёкол – это способность стёкол выдерживать без разрушения резкие перепады температуры. Мерой термостойкости является разность температур, которую выдерживает стекло без разрушения. В отличие от других тепловых свойств, термостойкость зависит не только от химических свойств стекломассы, но и от геометрии и размеров заготовки, интенсивности теплообмена.

Температура спекания - это температура, при которой начинается спекание у образцов стекла размером 20´20´10 мм положенных один на другой полированными сторонами и нагреваемых с постоянной скоростью в минуту, что приводит к вязкости стекла . Так, например, для стёкол имеют следующие значения: ТФ7 – 460°С, К8 - 620°С, ТК14 – 680°С.

Химические свойства стекла.

Химические свойства стекла характеризуются химической устойчивостью. Установлено два показателя химической устойчивости: химическая устойчивость к действию влажной атмосферы, устойчивость к действию пятнающих реагентов. По устойчивости к действию влажной атмосферы оптические стёкла делят на:

Для силикатных стёкол: А – неналётоопасные;

Б – промежуточные;

В – налётоопасные.

Для несиликатных стёкол: а – устойчивые,

у – промежуточные;

д – неустойчивые.

По устойчивости к действию пятнающих реагентов силикатные и несиликатные оптические стёкла делят на следующие группы:

I – не пятнающиеся;

II – средней пятнаемости;

III – пятнающиеся;

IV – нестойкие стёкла, требующие применения защитных покрытий.

Наиболее устойчивыми (группа I) являются кроны, кронфлинты, баритовые флинты, флинты и лёгкие флинты. Пятнающимися и нестойкими (III и IV группы) являются тяжёлые и сверхтяжёлые кроны, тяжёлые баритовые флинты, тяжёлые и особые флинты. Учет химических свойств оптических стёкол необходим с одной стороны для предотвращения не желательного воздействия жидкой фазы обрабатывающих суспензий и окружающей среды на полированные поверхности оптических деталей, заготовок на всех стадиях их обработки. С другой стороны, для целенаправленного изменения поверхности при направленном травлении штрихов, меток, цифр и т.д.; образованию просветляющих, защитных и прочих покрытий определённой толщины за счёт гидролиза поверхности; интенсификации процессов полирования путём введения в состав полирующих композиций водных растворов окислителей; изменение прочностных и др. свойств оптического контакта за счёт различной толщины гидролизных плёнок.

Оптические полимеры.

Полимерами (органическими стёклами) называют химические соединения молекулы, которое состоят из большого числа атомных группировок соединённых химическими связями в длинные цепи. По строению они делятся на линейные и сетчатые. В оптическом производстве полимеры применяют для изготовления оптических деталей неответственного назначения, а также для изготовления оптических клеев.

Большинство полимеров используемых в оптическом приборостроении – это полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат, которые являются аморфными термопластами, находящимися при комнатной температуре в стеклообразном состоянии. При повышении температуры полимеры переходят из стеклообразного состояния в высокоэластичные, а затем в вязкотекучее. При понижении температуры проходят все три стадии в обратном направлении.

Термореактивные полимеры при повышении температуры полимеризуются и приобретают сетчатое строение. Процесс затвердения этих полимеров необратим, т.е. приняв при нагревании определённую форму, они в дальнейшем не изменяют своего состояния. К положительным характеристикам органических стёкол относят: низкую плотность, малую хрупкость и невысокую стоимость.Недостатки: невысокая оптическая однородность, низкая твёрдость и образивостойкость, малую теплостойкость, высокий коэффициент термического расширения (в 10 раз больше, чем у стекла), способность накапливать статическое электричество, естественное старение (желтение).

Показатель преломления полимеров находится от 1,49 до 1,58, а коэффициент дисперсии от 57,6 до 29,9 Исследования показали, что структура полимеров представляет собой сложные надмолекулярные образования в виде глобул, дондритов и доменов, являющиеся одной из причин оптической неоднородности. Другой причиной оптической неоднородности органического стекла считают эффект двойного лучепреломления, вызываемый ориентацией полимерных молекул и наличие остаточного полимера, имеющего показатель преломления значительно отличающийся от основной полимерной среды.

Полимеры прозрачны в видимой и ближней инфракрасной области спектра. В длинноволновой области они прозрачны только в узких участках спектра.

Оптические клеи.

Для склеивания оптических деталей между собой используют специальные оптические клеи,которые должны иметь следующие свойства:

1)Высокую степень прозрачности, чистоту, оптическую однородность;

2)Соответствие показателя преломления значению одной из соединяемых деталей;

3)Переход в твёрдое состояние без деформации деталей;

4)Высокую механическую стойкость, влаго-, термо-, морозостойкость соединения.

В зависимости от функционального назначения склеиваемого компонента и условий его работы, значимость условий различно. Численные значения параметров оптических клеев приведены ниже в таблице.

Бальзам — это клей получаемый путём переработки живицы, пихтовых деревьев, в состав которых входит скипидар, канифоль, летучие эфирные масла. Бальзам может быть двух видов: обычный и пластифицированный. Пластификатор вводят для повышения пластичности клея и устойчивости склеиваемого соединения в условиях низких температур.Свойства бальзама характеризуют твёрдостью, количественно её оценивают числом пенетрации, выраженным в сотых долях миллиметра, глубиной погружения иглы пенетрометра в вещество в стандартных условиях испытаний. По твёрдости бальзам разделён на следующие группы:

ВТ – весьма твёрдый;

Т – твёрдый;

С – средний;

М – мягкий;

ВМ – весьма мягкий.

По этому же признаку бальзам разделён на марки. Основные недостатки клея:

1) Узкий температурный интервал, в котором могут работать детали;

2) Их деформация, возникающая при склеивании;

3) Нарушение центровки.

Положительные качества – это способность выдерживать большое число расплавлений без существенного изменения свойств, возможность уменьшения деформации склеенного компонента его отжигом (нагрев до ) и последующим охлаждением со скоростью в час. Клей применяют для соединения линз малых размеров.

Бальзамин – это продукт частичной полимеризации карбинола. Может находиться в жидком, вязком и твёрдом состоянии. Жидкий бальзамин – это полуфабрикат вязкого, получают перегонкой карбинола в вакууме. Твёрдый бальзамин получают после склеивания деталей в ходе дальнейшей полимеризации. Свет и тепло ускоряют этот процесс. Бальзамин применяют для соединения деталей, которые устойчивы к деформации, возникающей при склеивании деталей, а также которые в соответствии с условиями эксплуатации должны выдерживать динамическую нагрузку, вибрацию, тепловой удар, низкие и высокие температуры. Соединяемые детали предварительного нагрева не требуют, но для ускорения процесса полимеризации клея компоненты нагревают при температуре . Полная полимеризация происходит в течение суток при температуре . Наибольшая прочность соединения имеет место при толщине слоя клея 0,005 – 0,006 мм. В твёрдом состоянии бальзамин не растворим в бензине, керосине, маслах. Неправильно склеенные детали можно разъединить ударом по шву соединения при пониженной температуре (), охлаждением жидким воздухом или нагревом до . Основные отрицательные качества бальзамина – оптическая неоднородность, малая эластичность.

Бальзамин-М отличается от рассмотренного компонентами окислительно-восстанови

тельной системы, которые играют роль инициатора и ускорителя полимеризации. Благода

ря их высокой каталитической активности процесс полимеризации клея идёт при темпера-туре . Он оптически однороден; применяют для соединения деталей любого раз-мера и отношения толщины к диаметру, деталей со светоделительными покрытиями, све-тофильтров, поляроидов. Склеиваемые детали не нагревают и после соединения термо-обработке не подвергают.

Клей акриловый – раствор низкомолекулярного сополимера метил-, и бутилметакрилата в ксилоле. Применяют для склеивания поляроидов, деталей из силикатного стекла, кальцита, квасцов, светофильтров и клиньев с желатиновыми и поливиниловыми плёнками, а также для соединения деталей из стекла с металлами (кроме олова, хрома, инвара, ковара). Склеиваемые детали не нагревают, поэтому их деформация при высыхании клея незначительна. Для повышения механической прочности соединения слой высушивают при до полного испарения растворителя. Расклеивание компонента осуществляют погружением в ацетон или ксилол, а также нагревом до

Клей УФ-235М – раствор полимера моновинилацелата в циклогексаноле. Используют для соединения деталей из материалов, прозрачных в УФ области спектра от 220 нм. Склеиваемые детали должны быть нагреты до , а клей до для удаления из него пузырьков воздуха. Компонент расклеивают погружением в этиловый спирт или нагревом до

Клей ОК-60 – раствор кремнийорганической смолы в тетрахлорэтане. Его применяют для склеивания деталей из кристаллов, прозрачных в видимой и ИК областях спектра (до 8 мкм). Компонент сушат при комнатной температуре в течение 24 ч, затем для удаления растворителя прогревают 2 ч при . Расклеивают соединение погружением в ацетон на 6 – 7 ч.

Клей ОК-50 – раствор полиаминов, выполняющих роль отвердителя, в жидкой модификации диановой эпоксидной смолы. Его применяют для склеивания деталей, работающих во влажном тропическом климате, соприкасающихся с морской водой, для соединения стекла с металлом (кроме олова, хрома, инвара, ковара). Хорошая агдезия клея к стеклу определяет высокую механическую прочность соединения. Малая эластичность ограничивает разность коэффициентов термического расширения соединяемых материалов. Твердеет клей при комнатной температуре и деформации деталей не вызывает. При достаточной жёсткости их конструкции, или ненормируемой величине деформации, склеенный компонент для ускорения процесса полимеризации клея и приобретения им влаго-, водостойкости прогревают при 60°С в течение 3 – 5 ч.

Клей ОК-72Ф – раствор представляющий собой смесь двух компонентов: эпоксидной смолы ЭД-5, растворённой в фенилглицидном эфире и вератоне, и определённой фракции полиэтиленполиаминов, модифицированной фенилглицидным эфиром. Используют для склеивания деталей из кристаллов, из стекла с различными покрытиями, деталей, работающих в условиях влажного тропического климата, соединения стекла с металлом, для герметизации межфасочного пространства деталей, склеенных бальзамином и бальзамом при последующей закатке компонента в оправы. Твердеет клей при комнатной температуре и деформации деталей не вызывает.

Клей ММА – смесь двух растворов эпоксидной смолы в перегнанном мономере метилметакрилата. Один из них содержит триаллилцианурат и диметилапилин, другой перекись бензола. Продолжительность рабочего состояния клея после смешивания компонентов – около 20 мин. Полимеризуется при комнатной температуре и деформации деталей не вызывает. Клей не токсичен. Используют его для соединения деталей из стекла диаметром до 900 мм, работающих в различных климатических условиях.

Сплав ТКС-1 – термопластический клей, используемый для соединения деталей из материалов с коэффициентами преломления >2 (арсенид и антимонид индия, германий, кремний, стёкла ИКС-24, ИКС-26, ИКС-30 и др.), одинаковыми коэффициентами термического расширения и допускающими нагрев до 170 ° С.

Таблица 5.1 Свойства оптических клеев

Продолжение таблицы 5.1

Цветные оптические стекла

Цветные оптические стекла применяют для изготовления светофильтров, ограничивающих или ослабляющих пропускание света, заданного спектрального состава. Основной характеристикой цветного оптического стекла является нормированная спектральная кривая зависимости светопропускания t_l или оптической плотности D_l от длины волны l. Каталог цветного оптического стекла, выпускаемого промышленностью, содержит 117 марок разделенных по 15 типов в зависимости от цвета. В обозначении стекла используют 2-3 буквы а за ними цифры. Например: УФС-1 (ультрафиолетовое стекло), ЖЗС-5 (желто-зеленое стекло), СЗС-22 (сине-зеленое стекло), ЗС-11 (зеленое стекло). Окраска стекла обуславливается введением в его состав химических красящих веществ (красителей) которые могут находится в стекле в молекулярном растворенном или калоидном состоянии. Молекулярные красители - окислы тяжелых металлов: кобальт, железо, никель и др., которые при варке стекла полностью растворяются в его основе. Характер спектральной кривой пропускания у стекол окрашенных молекулярными красителями при изменении концентрации красителей практически не изменяется, а изменяется лишь интегральный коэффициент светопропускания. Избирательное поглощение света в них обусловлено резонансными колебаниями электродов красителей. При вторичной термообработке окраска стекла не изменяется.

Окраска стекол калоидными красителями: золотом, серебром, сульфатами и селенидами кадмия основана на избирательном рассеивании света дисперсными частичками красителей. Стекла содержащие калоидные красители в атомарном состоянии бесцветны. Окраска появляется в результате роста мельчайших кристалликов металла (L=100 нм) при вторичной наводке. Наибольшее распространение среди этих стекол получили селенокадмиевые стекла, имеющие желтую, красную и оранжевую окраски.

Стекла светорассеивающие

Стекла светорассеивающие (молочные) применяют для изготовления деталей диффузионно рассеивающих проходящий или отраженный свет. Их обозначение МС. Они получили рассеивающие свойства благодаря введению в их состав соединений фтора или фтористого натрия, обеспечивающих "глушение" стекла.

Стекла фотохромные

Стекла фотохромные обратимо изменяют свою прозрачность в видимой части спектра в зависимости от величины освещенности и длительности облучения. После прекращения облучения пропускание стекла восстанавливается. Их применяют для изготовления светофильтров, светозащитных очков и экранов и обозначают ФХС. Основными характеристиками фотохромных стекол является: коэффициент фотохромности К_ф - это величина характеризующая уменьшение оптической плотности за 30 секунд термического обесцвечивания; чувствительность S_ф - величина обратная количеству освещенности для получения добавочной оптической плотности равной 0,2.

Радиационно стойкие стекла

Радиационно стойкие стекла - это стекла которые сохраняют свои свойства под воздействием ионизирующего излучения. Большинство обычных оптических стекол под действием радиации темнеют, уменьшается их светопропускание до значения зависящего от дозы радиации и состава стекла. Устойчивость стекла к воздействию ионизирующего излучения характеризуется приращением оптической плотности DD_H. Повышение радиационной устойчивости стекол достигается введением в состав добавок, способных предотвращать образование центров окраски. Наибольший эффект достигается введением в качестве добавки окиси церия CeO₂. Стекла содержащие CeO₂ сохраняют светопропускание при облучении дозами до 10⁺⁵ рентгена и обозначают серии выше 100. По другим свойствам радиационно стойкие стекла серии 100 не отличаются от своих аналогов серии 0.

Стекло оптическое кварцевое

Стекло оптическое кварцевое это однокомпонентное силикатное стекло на основе кремнезема SiO₂. Оно обладает следующими физико-химическими свойствами:

1) Прозрачность в широком диапазоне волн и радиочастот.

2) Высокая термостойкость.

3) Химическая и радиационная устойчивость.

4) Малый коэффициент линейного рассеивания.

Оптические кварцевые стекла применяют для изготовления прозрачных люков летательных аппаратов, уголковых отражателей, активных элементов ОКГ, оболочек источников света и других оптических деталей подвергающихся резким температурным воздействиям. В зависимости от основной области спектрального пропускания выпускается оптическое кварцевое стекло следующих марок: КУ1, КУ2 - прозрачные в ультрафиолетовой области спектра, КВ, КВР - прозрачные в видимой области спектра, КИ - прозрачные в инфракрасной области спектра.

Оптические ситаллы

Ситаллы - это особый класс стеклокерамических материалов, имеющих микрокристаллическую структуру с кристаллами размером не более 1-2 мкм, равномерно распределенных по всему объему стеклообразного вещества. Оптические ситаллы отличаются особо тонкой зернистой структурой, размеры кристаллов не превышают длины полуволны видимого участка спектра. Оптическая плотность кристаллов и стекловидной массы совпадают или близки между собой что исключает светорассеивание на границах раздела фаз "стекло - кристалл". Ситаллы имеют повышенную по сравнению со стеклом термостойкость, механическую прочность и твердость. Коэффициент линейного расширения некоторых марок приближенно равен нулю. В оптической промышленности применяются ситаллы: СО115М, СО156, СО21.

СО115М - термостойкий ситалл с малым близким коэффициентом линейного теплового расширения. Применяют для изготовления оптических деталей в которых не допускается изменение формы поверхности с изменением температуры: астрономических зеркал, оптических деталей гироскопов, подставок интерферометров.

СО156 - ситалл с малым коэффициентом линейного теплового расширения. Отличается повышенной прозрачностью в видимой области спектра и лучшей однородностью. Применяют для изготовления пробных стекол и деталей измерительной техники.

СО21 - ситалл с малым коэффициентом линейного теплового расширения в пределах 0-+350°C. Обладает максимальной термостойкостью (до +700°C) и максимальной относительной твердостью по сошлифовыванию. Применяют для изготовления деталей приборов лазерных гироскопов и приборов работающих в космосе.

Сырьевые материалы

Кислотные, щелочные и щелочноземельные окислы вводят в состав стекла в виде природных материалов, продуктов химической промышленности. Для получения широкой номенклатуры оптических стекол высокого качества и в частности стекол работающих в инфракрасной области излучения применяют стекломатериалы в виде химически чистых реактивов, а вместо кварцевого песка - жирный кварц. В таблице прыведены главные химические компоненты, которые используются для получения стекла. Стекломатериалы используют в виде зерен размером от 0,05-0,03 мм. Зерна большего размера, особенно тугоплавких компонентов, плохо провариваются и могут оставаться в стекле в виде камней. Зерна меньшего размера комкаются и тоже не провариваются. Материалы поглощающие влагу и СО₂ из воздуха комкаются и комкают смесь, расплываются создавая неоднородность состава смеси по ее объему, что способствует появлению неоднородностей в стекле. Примеси в смеси повышают его светопоглощение, окрашивают стекло. Наиболее вредные: железо, хром, никель, медь. В материалах, используемых для варки оптического стекла, должно содержаться не более: железа - 200•10^-5%, никеля - 5•10^-5%, хрома - 10•10^-5%, меди - 20•10^-5%. Кроме основных (выше в таблице) компонентов в состав стекла в малых количествах вводят ускорители, осветлители, обесцвечиватели.

Ускорители уменьшают температуру варки стекла и способствуют осветлению стекла: соединения фтора, В₂О₃, аммонийные соли.

Осветлители содействуют удалению пузырей из стекла в процессе варки. Это триокись мышьяка, сурьмы.

Обесцвечиватели способствуют получению стекла безцветных оттенков, нейтрализуют действие железа, переводя FeO в Fe₂O₃. Это трехокиси мышьяка, сурьмы, селитра, NaCl, Na₂SO₄, фториды.

Подготовка стекломатериала

Полный цикл подготовки стекломатериалов состоит из технологических операций:

1) дробление;

2) помол;

3) обогащение;

4) сушка;

5) просев;

6) усреднение.

Стекломатериалы проходят различные операции технологического цикла подготовки в зависимости от исходного состояния, в котором они находятся: кусковом, сыпучем, гигроскопичном. Стекломатериалы хранят в специальных складах, каждый в отдельном отсеке, упакованный в мешки, бочки, банки, а ядовитые - в специальной вакуумной таре, в закрытом помещении. Подготовка кварцевой муки для стекловарения выполняют на специальной технологической линии (рис.6.1). Куски кварца из склада 1 подаются грейферным краном 2 в ячейки, которые имеют размер 250´250 мм. Из бункера лотковым питателем 4 освобождают по дороге от земли и мелких примесей, кварц подается в щековую дробилку 5, из которой выходят куски размером около 50 мм. Они подаются ленточным конвейером 6 и ковшовым элеватором 7 для промывки в бункер 8 и барабан 9 который вращается с частотой 10 об/мин; диаметр барабана около 500 мм, длина 2000 мм, наклонен под углом в 3°. В барабан 9 вместе с кусками струей попадает вода из сопел 10. Кварц отмывается и сползает по лотку 11 в печь обжига 12. Печь внутри футерована огнеупорным материалом, непрерывно вращается со скоростью 2 об/мин, диаметр печи 800 мм, длина печи 4000 мм и наклонена под углом 2°. В печи создается пламя форсунками 13 при температуре 900°С, время прохождения кусков 10-15 мин. Из печи 12 кварц периодически подается на роторный подъемник 14 ковши которого в нижнем положении проходят через бак 15 с холодной водой. Далее кварц поднимается в бункер, вода сливается, а кварц подсушивается внутренним теплом. После резкого охлаждения он теряет прочность и в трубчатой шаровой мельнице 20 легко размалывается. На ленте транспортера 16 кварц обдувается из сопла 17 сжатым воздухом для очистки от мелких частиц, слюды и пыли. Помол обожженного кварца - в шаровой мельнице 20, барабан которой вращается со скоростью 28 об/мин, длина барабана 6000 мм а диаметр - 1800 мм. На входном конце мельницы находится приемное сито 21, на выходном - контрольное сито 22. Отсевы подаются по трубам 23 для повторного помола, мука в бункер запаса 25. Сортировка обожженного кварца производится вручную на ленточном конвейере 24. Куски черные, желтые с прожилками полевого шпата отбрасываются. Особо чистые куски отбираются для варки особо прозрачных стекол, а затем подготавливают отдельными порциями. Кварцевую муку контролируют на зернистость и на содержание примесей железа для установления сортности. Применяют еще и электрогидравлические дробилки, в которых кварц разрушается мощными гидравлическими ударами. Обогащение кварцевой муки, удаляющей примеси железа до 3·10^-4% для производства особо прозрачных стекол. Выполняют в кипящей HCl растворяющей железо в течении 12 часов в фарфоровых котлах. Слив раствор кислоты муку промывают дистиллированной водой, бурлящей под действием подачи снизу воздуха. После обогащения кварцевую муку сушат в кварцевых сушилках. Только столь тщательное приготовление и обогащение кварца позволяет варить сверхпрозрачные стекла с поглощением 0,1-0,2%

Горшковые печи.

Горшковые печи для варки оптических стёкол должны выдерживать длительный срок нагрева до 1000°С, обеспечивать возможность оперативного регулирования температуры в печи с точностью , иметь окислительный или восстановительный характер атмосферы в печи. Для реализации технологического процесса варки оптических стёкол высокого качества и широкой номенклатуры марок требуются печи с манёвренным тепловым режимом в пределах температур 700 -900°С и 1500 - 1600°С. В одной печи нельзя вар

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: