Материалы конструкционной оптики
Для изготовления прозрачных элементов ИКО используются различные неметаллические материалы, обладающие необходимыми оптическими характеристиками. Требования стойкости ИКО к внешним воздействиям в условиях эксплуатации удовлетворяются конструкцией изделия с использованием материалов с оптимальным комплексом свойств для каждого конкретного назначения.
Таблица 2.
Конструктивные особенности ИКО и характеристики материалов, обеспечивающие выполнение основных функциональных требований и стойкость к внешним воздействиям
| Функциональные требования и условия внешних воздействий | Конструктив-ные особенности | Характеристики материалов |
| Весовые ограничения | Габариты, толщина | Плотность, прочность |
| Аэродинамика | Форма поверхности | Формуемость, вязкость |
| Оптика | Форма и точность сопряжения поверхностей | Диапазон и уровень пропускания, оптическая однородность, показа-тель преломления, поляризация света |
| Статические и динамические перегрузки | Оптимальная схема нагружения | Прочность, модуль упругости, ударная вязкость |
| Вибрация | Способ крепления | Длительная прочность |
| Температура высокая Низкая | Термоэкран, камера Нагреватель | Температура размягчения, отжига, теплопроводность, термостойкость, тепловое расширение. Электропроводимость |
| Агрессивная среда | Защитные покрытия | Химстойкость, абразивостойкость, твердость |
| Солнечное излучение | Оптические покрытия | Коэффициенты отражения, поглощения |
| Ионизирующая радиация | Защитный экран | Радиационно-оптическая устой-чивость, люминесценция |
(Привести таблицу 2 в список на экран из папки Кингст\МГУПИ\Лек-1-Фото/Таб-2)
|
|
|
Прозрачные материалы, используемые для изготовления ИКО, в подавляющем большинстве своем являются хрупкими, т.е. не обладают пластической деформацией, неспособны к релаксации напряжений, которые, увеличиваясь по мере роста нагрузки, достигают предела прочности, вследствие чего в материале появляются трещины, растущие с большой скоростью, и он разрушается.
Причем эти микротрещины возникают на поверхности стекла самопроизвольно, даже под действием атмосферной влаги и, по мнению Гриффитса являются концентраторами напряжений.
Гриффитс вывел следующее выражение для разрушающего напряжения стекла [Прочность стекла. Сборник статей. Пер. с англ. В.А. Берштейна, И.М. Неймарк, Я.А. Федоровского под. ред. В.А. Степанова. Изд. «МИР»., М. 1969, 339 с.].
σразр = 
( )
Где σразр – разрушающее напряжение,
Е – модуль упругости,
|
|
|
ϒ – поверхностное натяжение,
с – глубина эллипсовидной трещины
Инглис вывел выражение между напряжением на дне трещины и приложенным напряжением:
σс = σm (1 + 
) ≈ σm ( )
Где σс – напряжение на дне трещины
σm – приложенное напряжение,
с – глубина эллипсовидной трещины,
ρ – радиус кривизны у дна трещины.
(Папка/Кингстон/МГУПИ/Гриффитс)
В связи с низкой стойкостью к появлению и развитию трещин хрупкие материалы не позволяют применить к ним широко используемый в авиационной технике принцип "допустимого и безопасного повреждения".
Этот принцип можно реализовать в масштабе конструкции всего изделия, а также создания безопасно повреждаемых композиций из разнородных материалов.
3.1. Силикатное стекло
Основным материалом для изготовления ИКО авиационного назначения является термически полированное листовое силикатное стекловырабатываемое методом формования поверхности на расплаве олова (флоат-процесс).
Силикатное стекло по своей природе это структурированная переохлажденная жидкость, имеющая ближний порядок.
Это можно показать на примере кристаллического кварца и кварцевого стекла.
|
|
|
Одним из первых предположение о полимерной структуре двуокиси кремния высказал Д.И. Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он нелетучесть и тугоплавкость веществ состава SiO2 или, правильнее, (SiO2)n.
Рентгеноструктурные исследования наших дней подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер [http//www.n-t.ru/ps/pb014.htm. Популярная библиотека химических элементов. Кремний ]
У кристаллического кремнезема структура имеет дальний порядок, т.е. длина связей, углы между атомами кремния и кислорода в отдельном тетраэдре и в кристаллической решетке в целом имеют одинаковые значения. Все атомы кислорода мостиковые, т.е. каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Температура плавления кварца около 1610оС, кристаболита 1730оС, тридимита 1680оС (разновидности кристаллического SiO2) [В.А. Рабинович, З.Я. Хавин Краткий химический справочник. Издательство «ХИМИЯ», Л, 1978, 392 С .
Полимерная структура кристаллического кремнезема условно на плоскости показана на рисунке 1Sik (папка /фото/IMG_0779).
Рис. Sik
Объемная полимерная структура кристаллического кремнезема условно показана на плоскости. Можно считать, что у тетраэдров (SiO4) , у которых Si4+ изображен черным цветом - четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO4), у которых Si4+ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас. Красным цветом изображены атомы (ионы) кислорода. Все они мостиковые, т.е. все связи Si – O – Si ковалентные, а это значит очень прочные.
|
|
|
Подобные связи имеют, например алмаз, корунд. Все эти кристаллические вещества имеют высокую прочность, твердость, высокую температуру плавления.
Неорганические кристаллические вещества могут иметь также ионную связь, например NaCl (поваренная соль – хлорид натрия) или MgF2 (фторид магния) эта связь также довольно прочная, однако уступает ковалентной связи. Подобные вещества имеют меньшую прочность, твердость и температуру плавления, чем вещества с ковалентной связью.
Также имеются вещества с вандерваальсовыми связями. Например, каждая отдельная молекула кислорода или фтора образует ковалентные связи и газообразная молекула О2, или F2 образует электронную оболочку инертного газа. Это значит, что между собой эти молекулы О2 или F2 новых связей, например, О4 или F4 практически не образуют. Исключение – молекула озона, но там своя особенность. Однако если эти газы охлаждать до температур конденсации и ниже, то они образуют слабосвязанную молекулярную жидкость или низкоплавкие кристаллы. Прочность этих связей между молекулами кислорода или фтора в жидкости или в кристалле на несколько порядков ниже, чем прочность ковалентных или ионных связей в жидком или кристаллическом SiO2 или NaCl [Химия. Курс средней школы. Пер. с англ д.х.н. К.Н. Семененко, под ред. Проф. Г.Д. Вовченко. Второе издание. Изд. «Мир», М. 1972., 680 С.].
Дать пояснение образования химических связей по принципу заполняемости орбиталей до оболочки инертного газа с использованием периодической таблицы Менделеева. (папка /фото/IMG_0003 и IMG_0005).
При плавлении кристаллическая решетка SiO2 разрушается с образованием, в зависимости от температуры, пространственной трехмерной структуры, двухмерной или даже одномерной. При повышении температуры до температуры кипения (2950оС) структура SiO2 распадается до отдельных молекул.
Если расплавленный кремнезем охлаждать очень медленно и дать выдержку при температуре 1730оС, то расплав будет кристаллизоваться с образованием кристаболита, как показано на рисунке 1Кр. После окончания кристаллизации дальше будет охлаждаться твердое кристаллическое вещество.
При охлаждении расплавленного металла скорость охлаждения может быть намного больше и при температуре плавления/кристаллизации металла почти всегда, будет образовываться твердое кристаллическое вещество. Это потому, что вязкость расплавленного металла при температуре кристаллизации на несколько порядков меньше аналогичной вязкости расплавленного кремнезема и атомы металла при обычных скоростях охлаждения успевают при такой вязкости образовывать кристаллическую структуру.
Если расплавленный кремнезем охлаждать быстро, то вследствие значительного нарастания вязкости переохлажденной структурированной жидкости углы и длины связей между отдельными тетраэдрами SiO4 не успевают выстроиться как в кристаллическом кремнеземе на протяжении всей структуры вещества. Т.е. дальний порядок отсутствует, имеется непрерывная беспорядочная сетка тетраэдров SiO4, но сохраняется ближний порядок, углы и длины связей в отдельном тетраэдре SiO4 соответствуют таковым в кристаллическом кремнеземе [Шульц М.М.//СОЖ, 1996, №3, с.49-55].
Полимерная структура кварцевого стекла условно на плоскости показана на рисунке 2Sig (папка/Кингстон/фото/IMG_0775).
Как и у структуры кристаллического кремнезема можно считать, что у тетраэдров (SiO4), у которых Si4+ изображен черным цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO4), у которых Si4+ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас.
У кварцевого стекла также все атомы кислорода мостиковые. Чтобы их разрушить, нужно затратить значительно большую энергию, чем для разрушения ионных связей. Отсюда у кварцевого стекла высокая вязкость, высокая температура размягчения и низкий ТКЛР.
Непрерывность полимерной сетки из кремнекислородных тетраэдров определяется степенью связности кремнекислородного каркаса. Степень связности характеризуется коэффициентом fSi ,равным отношению числа ионов (атомов) кремния к числу ионов (атомов) кислорода [100 - Справочник по производству стекла под ред. И.И. Китайгородского и С.И. Сильвестровича., т.1. М, 1963, 1026 с. ]. Максимальная степень связности у кварцевого стекла, равная 0,5 соответствует непрерывности полимерной сетки из кремнекислородных тетраэдров в трех измерениях.
Силикатное листовое флоат-стекло отличается от кварцевого стекла наличием в составе модификаторов, массовый состав которого содержит %: 72-73% SiO2, 13-13,50/o Na20, 7-9% CaO, 3-3,5% MgO, 1,5-2% А12О3, 0,01% Fе2О3,
Состав силикатного стекла в мол.%: 71,3% SiO2, 14,30/o Na20, 8,3% CaO, 5,2% MgO, 0,9% А12О3
Молекулярная формула силикатного листового флоат-стекла выглядит следующим образом: Na2O . 5SiO2 . 0,06Al2O3 . 0,6CaO . 0,36MgO
Na20, CaO, MgO – являются модификаторами, их общая молекулярная сумма составляет около 2 на 5 молекул SiO2. Это значит, что примерно около 40% тетраэдров SiO4 имеют немостиковые связи.
(Папка МГУПИ/Состав Сил ст)
Полимерная структура силикатного флоат-стекла условно на плоскости показана на рисунке 3Sig
(папка/Кингстон(F)/фото/IMG_0777).
Как и у структуры кристаллического кремнезема можно считать, что у тетраэдров (SiO4), у которых Si4+ изображен черным цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO4) , у которых Si4+ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас. Кроме того, тетраэдры должны быть хаотично повернуты относительно друг друга, как у кварцевого стекла. Красным цветом показаны мостиковые атомы кислорода. Зеленым цветом немостиковые. Причем на связи O-Na непрерывность связи между двумя атомами кремния прерывается. В случае связи Si-O-Mg (Ca)-O-Si два соседних атома кремния связаны между собой через атом магния или кальция. Эта связь менее прочная, чем связь Si-O-Si. В этих местах тетраэдры еще более повернуты относительно друг друга.
В тех случаях, когда Al3+ занимает место Si4+ в тетраэдре, то для компенсации заряда кислорода в данный тетраэдр внедряется ион Na+, что тоже способствует деформации тетраэдра, так как ионный объем двух ионов Al3+ и Na+ значительно превышает ионный объем Si4+.
На рисунке 4ИО приведены ионные радиусы различных элементов.
(Папка фото/фото книжки.)
Этим объясняется значительно более низкая температура плавления силикатного стекла по сравнению с кварцевым стеклом и соответственно более низкая вязкость при одинаковой температуре, более высокий ТКЛР, более низкая термостойкость и т.д.
Степень связности листового силикатного стекла равняется 0,42. При степени связности равной 0,4 согласно [100] структурная сетка из кремнекислородных тетраэдров непрерывна только в двух измерениях.
Структурные параметры или структура стекла определяет все его основные свойства.
Дать описание свойств стекла, зависящих от вязкости.
Стекло вырабатывается в виде бесконечной ленты толщиной от 3 до 25 мм шириной 1200-3200 мм, которая режется на листы-форматки длиной 1600-6000 мм и шириной 1000-3000 мм или другие размеры в соответствии с требованиями заказчика.
Силикатное стекло является абразивостойким, водо- и кислотостойким материалом, растворяется только во фтористоводородной (плавиковой) кислоте и щелочах. Плотность 2,51-2,54 г/см3, температура стеклования 510-530°С, интервал стеклования 510-750°С, температура начала деформации 580-600°С, модуль упругости 68-73 ГПа, термический коэффициент линейного расширения 85-90.10-7К-1 в интервале 0-300оС, термостойкость 70-90°С, светопропускание листового стекла толщиной 5-6 мм не менее 85%, показатель преломления 1,50 -1,52.
Так как силикатное стекло входит в состав ИКО, которое является элементом конструкции фонаря, то важнейшим из свойств стекла является прочность.
Пределы прочности стекла на растяжение и изгиб в 10 раз меньше, чем на сжатие, поэтому под прочностью стекла всегда подразумевают его прочность на изгиб или растяжение, так как именно эти величины определяют прочность изделий.
Теоретическая прочность стекла, рассчитанная на основе прочности внутренней химической связи между атомами, чрезвычайно высока и находится на уровне 25-30 ГПа, практически не зависит от состава стекла. Однако реальная прочность стекла в сотни раз ниже из-за дефектов на его поверхности и краях, возникающих при выработке, транспортировке, хранении, переработке и служащих концентраторами напряжений.
При выработке микродефекты на поверхности могут появляться из-за наличия микропузырей в расплаве (недостаточно полно завершены процессы осветления - погоня за увеличением производительности установок по производству стекла) – характерно для строительного стекла.
Могут возникать дефекты на нижней оловянной поверхности стекла – из-за уноса микрочастиц олова из флоат-ванны.
При транспортировке микродефекты могут наноситься на поверхность стекла из-за попадания пыли в пространство между листами стекла.
При хранении вследствие перепада суточных температур может при определенных условиях образовываться конденсат на поверхности стекла, приводящий к выщелачиванию поверхности.
При переработке вследствие небрежного обращения со стеклом могут образовываться микродефекты, приводящие к снижению прочности стекла.
Для производства ИКО должно применяться техническое силикатное стекло, отличающееся от строительного как условиями выработки, так и составом.
(Проблемы с техническим стеклом, начиная от прочности и кончая светопропусканием) ТУ на импортное стекло
При увеличении поверхности стеклянного образца или изделия вероятность встретить опасные дефекты увеличивается, а прочность снижается (масштабный фактор). При поперечном изгибе прочность сырого стекла не превышает 30-50 МПа. При испытании по методу центрального симметричного изгиба, исключающему влияние края стекла, прочность достигает 100-150 МПа.
Для защиты поверхности стекла от повреждения служат различные технологические покрытия, удаляемые с поверхности на последних стадиях технологической переработки. Это позволяет сохранить прочность сырого стекла на более высоком уровне.
При изготовлении ИКО используется в основном силикатное стекло, упрочненное различными методами.
Поскольку прочность стекла зависит главным образом от состояния его поверхности, его упрочняют, устраняя поверхностные дефекты (микротрещины, посечки, царапины) с помощью химического травления, или локализуют их разупрочняющее действие созданием в поверхностных слоях значительных сжимающих напряжений, препятствующих распространению трещин. Для создания таких напряжений в основном используют термическую закалку стекла на воздухе и в кремнийорганических жидкостях или ионный обмен (обработка стекла в расплавах щелочных солей).
Привести таблицы прочности стекол после разных способов упрочнения (КИНГСТОН/ ЦСИ/ и Ста-20-Конф)
Особенно эффективны комбинированные способы упрочнения, сочетающие улучшение качества поверхности с созданием сжимающих напряжений, например, закалка с травлением, ионный обмен с подтравливанием (табл.3).
Таблица 3
Влияние состояния стекла на его прочность
| Состояние стекла | Предел кратковременной прочности при изгибе, МПа |
| Сырое | 30-60 |
| Отожженное | 90-120 |
| Упрочненное: | |
| воздушной закалкой | 120-350 |
| жидкостной закалкой | 200-400 |
| ионным обменом | 300-700 |
| Травлением | 1500-2000 |
| комбинированными способами | 1000-1700 |
Привести (Кингстон/табл.3)
Для определения величины конструкционной прочности стекла, закладываемой в расчеты с учетом величины и продолжительности действия эксплуатационных нагрузок, важными являются данные о длительной прочности стекла. С увеличением времени пребывания под нагрузкой с 10 с до 28 ч прочность стекла как сырого, так и упрочненного снижается вдвое. Зависимость долговечности стекла (τ), т.е. времени наступления разрушения под нагрузкой ( σ ), описывается логарифмическим законом
lg τ = a - γ lg σ
где а и γ - коэффициенты, характеризующие предел кратковременной прочности стекла (при τ = 1с ), и его статическую усталость.
Циклические нагрузки снижают прочность стекла аналогично статическим. Статическая усталость стекла усиливается в воде и по мере увеличения влажности воздуха, что свидетельствует об усилении взаимодействия между стеклом и химической средой.
К особенностям механических свойств стекла относится его способность "запоминать" механические воздействия, если величина вызываемых напряжений превышает 10 МПа.
С увеличением температуры от комнатной до 200°С кратковременная прочность стекла на воздухе снижается на 30-40%. Дальнейшее повышение температуры до 400°С приводит к возврату и даже некоторому возрастанию значений прочности. Но наибольшую прочность показывают образцы стекла, испытываемые при температуре жидкого азота (около минус 200°С).
Причиной высокотемпературного повышения прочности является закругление острых краев микротрещин и снижение их опасности с началом пластической деформации стекла. "Залечивание" трещин оказывает большее
влияние на прочность стекла, чем ослабление химических связей между атомами, вызванное нагреванием (табл. 4).
Таблица 4
Зависимость кратковременной и длительной прочности стекла
| Материал, условия испытаний | σкр, МПа | σдлит, МПа | σдлит σкр |
| Стекло упрочненное травлением | 2000 | 1000 | 0,5 |
| Стекло с искуственно поврежденной поверхностью при температуре ( ° С ) | |||
| 20 | 25 | 12,5 | 0,5 |
| 100 | 23 | 11,7 | 0,5 |
| 200 | 25 | 12,6 | 0,5 |
| 300 | 32 | 16,0 | 0,5 |
Привести (Кингстон/табл.3)
Важным фактором, влияющим на температурную зависимость прочности стекла, является коррозионное воздействие окружающей среды, в частности воды, усиливающееся при возрастании температуры до 100-200°С и ослабляющееся при более высоких температурах. С уменьшением температуры в области отрицательных значений протекание физико-химических процессов с участием влаги затормаживается, что ведет к повышению прочности стекла.
Аналогичные температурные зависимости наблюдаются по показателям твердости и абразивной стойкости стекла.
3.2. Органическое стекло
Для остекления фонарей кабин и салонов самолетов и вертолетов применяют органические стекла (термопласты) - полиметилметакрилаты (ПММА) СО-95, СО-120, СО-180 (Э-2) и СО-200 и поликарбонат СО-150 (цифры обозначают температуру стеклования).
Органические стекла по сравнению с силикатными стеклами обладают пониженной в 2 раза плотностью ( d ) и повышенной удельной ударной вязкостью. Стекла бесцветны, имеют границу пропускания в УФ-области при 300-400 нм, уровень пропускания в видимой области 80-90% (табл. 5 ).
В зависимости от температуры органические стекла могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. В результате процесса ориентации резко повышается ударная вязкость, несколько повышается прочность стекол и значительно уменьшаются их пластические характеристики. Полиметилметакрилаты весьма склонны к образованию поверхностных волосяных трещин ("серебра"), возникающих под действием растягивающих напряжений при производстве, монтаже, в условиях эксплуатации под действием избыточного давления, аэродинамических нагрузок, температурных перепадов, уф-облучения, влажной среды и т.п.
Кроме склонности к возникновению "серебра", недостатком органических стекол является оптическая нетермостойкость, выражающаяся в появлении оптических дефектов (сыпи, ряби, полосности, светлых точек и т.п.), вызывающих недопустимые оптические искажения после формования при температурах выше температуры стеклования. Резко выраженная оптическая нетермостойкость стекол СО-180 и СО-200 послужила основанием для изготовления гнутых деталей фонарей, иллюминаторов методом формования в процессе полимеризации в профилированных матрицах из силикатного стекла. Однако, если рабочие температуры превышают температуру стеклования этих стекол, под влиянием постоянно возникающих и развивающихся факторов оптической нетермостойкости начинают снижаться оптические характеристики остекления. ( Проблемы с оптикой «Оптика не нормируется» и с самим материалом (Су-35, МиГ-31 и др)
Органические стекла, в особенности поликарбонат, легко царапаются, поэтому требуют специальных покрытий или зашиты силикатным стеклом. Царапины и дефекты оптической нетермостойкости устраняют шлифовкой и полировкой оргстекла по мере их возникновения в условиях эксплуатации.
Таблица 5
Основные физико-механические свойства органических стекол
| Марка | Химическая природа стекла | d, кг/м3 | Тстекл °С | σ Р, МПа | σиз, МПа | а, кДж/м22 | Е, МПа |
| СО-95 | Пластифицированный ПММА | 1180 | 95 | 77,5 | 99 | 13 | 2900 |
| СО-120 | Непластифицированный ПММА | 1200 | 120 | 81,5 | 126,5 | 14,5 | 3050 |
| АО-120 | Непластифицированный ПММА | 1200 | 120 | 82 | 128 | 34 | 3050 |
| СО-150 (дифлон) | Поликарбонат | 1200 | 150 | 60 | 100 | 120 | 2200 |
| СО-1 80 (Э-2) | Теплостойкий акрилат | 1200 | 180 | 96 | - | 17 | 3550 |
| СО-200 | Сополимер | 1100 | 200 | 95 | - | 18 | 3550 |
Привести (Кингстон/табл.3)
Рабочая температура оргстекла СО-120, определяемая по комплексу физико-механичсских свойств, ограничена 80°С (длительно) и 100°С (кратковременно). Более высокими механическими свойствами, в том числе длительной прочностью и ползучестью, обладает оргстекло СО-180 (Э-2) и его ориентированный вариант АО-180 (Э-2у). Благодаря повышенной термопрочности и термоустойчивости эти стекла могут эксплуатироваться при 100°С и кратковременно при 200° С.
У ориентированных стекол снижение длительной прочности происходит быстрее, чем у неориентированных; при этом имеет значение степень ориентации и температура эксплуатации. Максимальное значение предела прочности при растяжении (σр) длительной прочности, модуля упругости (Е) и других свойств стекла АО-120 приходится на степень вытяжки 55-60%.
(Рассказать в каких случаях предпочтительнее использовать оргстекло – иллюминаторы, форточки – из файла Airbas)
3.3. Кварцевое стекло
Важнейшим материалом, используемым в настоящее время в качестве прозрачного элемента космического аппарата, жаропрочного остекления самолетов, свето- и ИК-прозрачных люков бортовых оптических приборов, является кварцевое стекло, обладающее высокими показателями отдельных свойств и их благоприятным сочетанием. Являясь практически однокомпонентным веществом (содержание SiQ2 99,99-99,999%),кварцевое стекло может быть получено различными способами, не допускающими внесения нежелательных примесей.
Сырьем для кварцевого стекла служит природный кварц, горный хрусталь, искусственно выращенные кристаллы кварца, синтетическая двуокись кремния, летучие соединения кремния, окисляемые при высокой температуре (табл. 6).
Большинство физических свойств кварцевых стекол различных марок одинаково: плотность - 2,203 г/см3, модуль упругости 74,5 ГПа, температурный коэффициент линейного расширения в интервале 20-1000°С - около 5 • 10-7 К-1. При низких температурах (около -100°С) ТКЛР становится близким к 0 и отрицательным в области -200° С. Среди известных стеклообразных материалов кварцевое стекло отличается наиболее высокой термостойкостью, способно выдерживать без разрушения резкие теплосмены или градиенты температур в 1000°.
Таблица 6
Типы промышленных кварцевых стекол
| Способ производства | Содержание примесей | Марки стекол |
| Плавка крупки кремнезема в вакууме или вакуум-компрессионных печах | металлов < 10-2 ОН-групп <5.10-4 | КИ |
| Плавка кварцевой крупки в водородно-кислородном пламени | металлов < 10-2 ОН-групп (1,5-6).10-2 | КУ-2, KB |
| Высокотемпературный гидролиз «SiCl4» в пламени водородно-кислородной смеси или природного газа | металлов < 10-4 ОН-групп 0,2 хлора (1-3) • 10-2 | КУ-1, КУ-1.1,КСГ |
| Окисление SiCl4 -в высокочас-тотной плазме и напыление заготовки методом высокотемпературного гидролиза SiCl4 и ее остеклование в сухой атмосфере | металлов < 10-4 OH-гpyпп 0,4. 10-2 хлора < 6 • 10-2 | КУВИ, КСП |
Привести (Кингстон/табл.3)
В то же время прочность кварцевого стекла невысока (при поперечном изгибе 50-70 МПа). Из-за низкого ТКЛР кварцевое стекло не упрочняется закалкой, а из-за отсутствия щелочных ионов в своем составе не подвергается упрочнению ионным обменом.
Это можно объяснить следующим образом.
(Кингстон/МГУПИ/Степень закалки)
Степень закалки стекла в соответствии с [Справочник по производству стекла Т.2……] равна:
D = В.107 (a.Е/(1-m))Тg j(d),
Где: D - степень закалки (Кг/см2);
В – оптическая постоянная напряжения в (см2/кг);
a - Коэффициент линейного расширения в (1/град);
Е – модуль Юнга (упругости) в (Кг/см2);
m - коэффициент Пуассона;
Тg – температура стеклования, (оС)
j - постоянная, зависящая оп параметра охлаждения;
d - параметр охлаждения, зависящий от параметра БИО.
Кварцевое стекло:
данные из: О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайковская. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник т.1, изд. Наука. Л.1973, 443 С.
Тg – температура стеклования кв. стекла = 1225 (оС)
Е – модуль Юнга = 7100 кг/мм2 =710000 кг/см2
m = 0,16
В = 3,56.10-13 см2/дин = 3,56.10-10 см2/Н = 3,6.10-9 см2/кг
a. = 5.10-7, (1/град);
Листовое стекло
Тg – температура стеклования листового стекла = 540 (оС)
Е – модуль Юнга = 6900 кг/мм2 = 690000 кг/см2
m = 0,22
В = 3,56.10-13 см2/дин= 3,56.10-10 см2/Н = 3,6.10-9 см2/кг
a. = 90.10-7, (1/град);
Для одинаковых условий охлаждения листового и кварцевого стекла можно записать :
j(d) = Dкв.ст./ В.107 (aкв.ст..Е кв.ст./(1-m кв.ст.))Тg кв.ст.
j(d) = Dлист.ст./ В.107 (aлист.ст..Е лист.ст./(1-m лист.ст.))Тg лист.ст.
Dкв.ст. = Dлист.ст. В.107 (aкв.ст..Е кв.ст./(1-m кв.ст.))Тg кв.ст.
/ В.107 (aлист.ст..Е лист.ст./(1-m лист.ст.))Тg лист.ст.
Сокращая оптическую постоянную, одинаковую для обоих стекол получаем
Dкв.ст. = Dлист.ст. (aкв.ст..Е кв.ст./(1-m кв.ст.))Тg кв.ст. /(aлист.ст..Е лист.ст./(1-m лист.ст.))Тg лист.ст.
Например, для 6 мм стекол и условий охлаждения, при которых у листового стекла достигается степень закалки 2 (N/см) - для кварцевого стекла степень закалки получается:
Dкв.ст. = [2 (N/см){ 5.10-7 710000/(1- 0,16)}1225]/{90.10-7690000/(1- 0,22)}540 = 0,24 (N/см)
Или, например крайний случай условий охлаждения для 20 мм стекол , при которых у листового стекла достигается максимальная степень закалки 5,5 (N/см) - для кварцевого стекла степень закалки получается:
Dкв.ст. = [5,5 (N/см){ 5.10-7 710000/(1- 0,16)}1225]/{90.10-7690000/(1- 0,22)}540 = 0,66 (N/см)
Полузакаленным считается стекло со степенью закалки от 0,9 до 2 (N/см), а у кварцевого стекла даже при максимальных условиях охлаждения степень закалки получается ниже.
В отличие от силикатного стекла, получаемого методом флоат-процесса не требующего дополнительной оптической обработки, кварцевое стекло, используемое как для оптических элементов, так и для визуальных иллюминаторов после наплавки блока обрабатывают механическим способом. При воздействии абразива поверхность кварцевого стекла покрыта сетью микротрещин. Эти микротрещины, по мнению Гриффитса, являются концентраторами напряжений. Поэтому при простой механической обработке пластин кварцевого стекла их прочность на изгиб не превышает (30¸40) МПа.
Гриффитс вывел следующее выражение для разрушающего напряжения стекла [Прочность стекла. Сборник статей. Пер. с англ. В.А. Берштейна, Н.М. Неймарк., Я.А. Федоровского под. ред. В.А. Степанова., изд. «МИР», М., 1969. 339 с.].
σразр = ( )
Где σразр – разрушающее напряжение,
Е – модуль упругости,
ϒ – поверхностное натяжение,
с – глубина эллипсовидной трещины
Инглис вывел выражение между напряжением на дне трещины и приложенным напряжением:
σс = σm (1 + ) ≈ σm ( )
Где σс – напряжение на дне трещины
σm – приложенное напряжение,
с – глубина эллипсовидной трещины,
ρ – радиус кривизны у дна трещины.
Единственным способом упрочнения кварцевого стекла является способ тонкой оптической обработки.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 861; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!