Упрочнение кварцевого стекла способом тонкой оптической обработки
Сущность способа заключается в выборе такого количества переходов оптической обработки с выбором размера зерна основной фракции и глубины снимаемого слоя, чтобы в итоге глубина трещиноватого слоя была бы менее 1 мкм.
Каждый последующий после первого алмазный инструмент должен снять слой такой толщины, который был бы равен или чуть превышал уровень трещиноватого слоя от предыдущего алмазного инструмента.
Трещиноватый слой равен
F = k.D ( )
Где F – глубина трещиноватого слоя,
k - коэффициент перехода = 0,7
D - верхний предел размера зерен основной фракции.
При изготовлении пластин для космических ИКО полируют и торцы стекла.
В результате оптической обработки удается повысить прочность кварцевого стекла на изгиб до (70-100) МПа.
Наличие различных видов неоднородностей, возникающих при наплавлении блока стекла, в особенности слоистых неоднородностей и свилей, приводит к расширению дисперсии прочности и, следовательно, к снижению расчетных значений конструкционной прочности стекла.
Чистый стеклообразный кремнезем прозрачен в широкой области спектра oт 160 до 3500 нм. Коротковолновая область пропускания ограничена краем полосы фундаментального поглощения, обусловленного электронной природой химической связи Si-О. Край поглощения чистого паросинтетического стекла находится в области 153 нм. При повышении температуры он смещается в длинноволновую сторону и при 1000°С находится в области 190 нм. Длинноволновая граница поглощения обусловлена собственными колебаниями связи Si-О и ее обертонами.
|
|
|
Наиболее характерными для пропускания промышленных марок кварцевых стекол в УФ-области являются полосы поглощения в области 245, 205, 190 и 163 нм. В зависимости от способа получения стекла интенсивность полос колеблется от минимальной у паросинтетических стекол и полученных окислением (SiCl4) , возрастая у газонаплавленных из искусственного кварца и достигая максимума у электронаплавленных из природного кварца различной чистоты.
Помимо вышеперечисленных полос в кварцевых стеклах могут наблюдаться и другие полосы, обусловленные примесями металлов и других элементов, а также водой, которая в стеклообразном кремнеземе существует в виде неассоциированных групп ОН, ответственных за появление полос поглощения в ИК-области спектра : 2,7: 2,2: 1,38 и 0,95 мкм.
Характеристики промышленных кварцевых стекол
Таблица 7
| Марка кварц, стекла | Характеристика | Наибольшие размеры заготовок, Æ, мм | Температура начала деформации, оС | Радиационно-опти-ческая устойчивоть. (доза. Р)* |
| КУ-1 | Прозрачное в УФ и видимой областях спектра, без полос поглощения в интервале длин волн 170-230 нм, с интенсивной полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм нелюминес-цирующее, радиационно-оптически устойчивое | 400 | 1250 | 109-1010 |
| КУ-2 | Прозрачное в УФ и в видимой областях спектра, с интенсивной полосой поглощения в интервале длин волн 170-250 нм, с заметной полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм | 1200 | 1330 | 109 |
| KB | Прозрачное в видимой области спектра с заметными полосами поглощения в интервале длин волн 170-250 им и 2600-2800 нм | 1200 | 1330 | 108 |
| КИ | Прозрачное в видимой и инфракрасной области спектра, без заметной полосы поглощения в интервале длин волн 2600-2800 нм | 200 | 1340 | 104 |
| КУВИ | Прозрачное в УФ видимой и инфракрасной областях спектра, без заметных полос поглощения в интервале длин волн 170-250 нм, с незначительной полосой поглощения в интервале длин волн 320-350 нм, с полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое | 160 | 109-1010 ; |
*) В качестве характеристики радиационно-оптической устойчивости приведена доза ионизирующего γ - облучения, вызывающая заметное потемнение части спектра (фиолетовое окрашивание).
|
|
|
Привести (Кингстон/табл.3)
|
|
|
Стандартные кварцевые стекла различных марок (ГОСТ 15.130-86) (табл. 7) имеют значения показателя поглощения света в видимой области спектра не более 0,005 см-1 и отличаются наличием полос поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра, температурой начала деформации и уровнем радиационно- оптической устойчивости (табл. 7).
Кроме промышленных кварцевых стекол, вошедших в ГОСТ 15.130-86, разработан ряд новых видов кварцевых стекол.
Особо чистое безгидроксильное кварцевое стекло, получаемое в виде блоков весом до 20 кг методом вакуумной электроплавки вибрационно уплотненной синтетической двуокиси кремния, отличается от стекла КИ пониженным на порядок содержанием примесей и повышенной на 30°С температурой начала деформации при сохранении тех же оптических показателей.
Оптически однородное особо чистое кварцевое стекло марки КУ-1.1. получают парофазным синтезом из ректифицированного четыреххлористого кремния в пламени водородно-кислородной горелки. К особенностям техноло-гического процесса получения этого стекла относится то, что наплавление его ведется при сохранении стабильных параметров в любой точке поверхности наплавления. Это позволяет получать стекло, отличающееся высокой оптической однородностью в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
|
|
|
Оптические кварцевые стекла КПП и КС-4В отличаются очень высокими оптическими характеристиками. Содержание гидроксила на 0,5-l, a примесей на 1-1,5 порядка ниже, чем в стекле марки КУВИ, благодаря чему эти стекла могут использоваться как высококачественный оптический материал для работы с приборами вУФ- и ИК-диапазоне.
3.4. Оптическое термостойкое стекло
Для ИКО, работающих при температурах свыше 150°С или испытывающих резкие теплосмены, в качестве прозрачных элементов используются термостойкие стекла оптического качества. Термостойкость стекла характеризуется коэффициентом термостойкости К, равным
K = {σр/( α. Е)}.( λ/C. d)0.5
где σр - предел прочности стекла при растяжении (изгибе), МПа
α - температурный коэффициент линейного расширения, К-1
Е - модуль упругости, МПа
λ - теплопроводность, Вт м.К.
С - теплоемкость, Дж/кг.К
d- плотность стекла, кг/м3
Термостойкость изделий из стекла, помимо свойств самого стекла, зависит от размеров и формы изделий, толщины стекла и рассчитывается по формуле:
К = { (σизг(1- μ)/ α. Е} S
гдe σизг – предел прочности стекла на изгиб (растяжении), МПа
μ - коэффициент Пуассона
α - температурный коэффициент линейного расширения, К-1
Е- модуль упругости, МПа
S- фактор, зависящий от формы и размеров образца.
Из показателей, входящих в уравнения термостойкости, наиболее сильно от состава стекла зависит температурный коэффициент линейного расширения α.
Наглядно это можно показать на соотношении коэффициентов термостойкости кварцевого и листового стекол.
Для этого примера выбираем одинаковые по размеру, например 60х20х6 образцы кварцевого и листового стекол, чтобы исключить фактор S, зависящий от формы и размеров образца. При этом образец кварцевого стекла будет изготовлен методом тонкой оптической обработки с σизг – 70 МПа, а образец листового стекла будет хорошо отожжен с σизг – 120 МПа.
Екв.ст. – модуль Юнга = 7100 кг/мм2 =710000 кг/см2 = 71000 МПа
m кв.ст. = 0,16
a кв.ст.. = 5.10-7, (1/град);
Ел. ст. – модуль Юнга = 6900 кг/мм2 = 690000кг/см2 = 69000 МПа
m л. ст. = 0,22
a л. ст.. = 90.10-7, (1/град);
К кв.ст. / К л. ст. = {[ σизг кв. ст. (1-m кв.ст.)/ a кв.ст.. Екв.ст.]S}/{[ σизг л. ст. (1-m л.ст.)/ a л.ст.. Ел.ст.]S}
Подставляя значения и сокращая параметр S получаем:
К кв.ст. / К л. ст. ={[70(1-0,16)/ 5.10-7 71000]}/{[120(1-0,22)/ 90.10-7 69000]} = 10,98
У листового стекла термостойкость равна 90-100о, у кварцевого около 1000о . При этом отношение σизг кв. ст./ σизг л. ст. = 0,58;
(1-m кв.ст.)/ (1-m л.ст.) = 1,08;
Ел.ст./ Екв.ст. = 0,97;
a л. ст./ a кв.ст. = 18
Таким образом, термостойкость стекла обратно пропорциональна величине термического коэффициента линейного расширения (a) и прямо пропорциональна пределу прочности на изгиб.
Термостойкими являются все стекла с низким (менее 60.10-7К-1) температурным коэффициентом линейного расширения, а также стекла, подвергнутые закалке и химическому упрочнению.
Показать на примере сравнительного расчета термостойкости листового стекла и кварцевого стекла по вышеприведенным формулам
(Кингстон/Термост-стекла)
По химическому составу термостойкие стекла подразделяются на - боросиликатные (ЛК-5, ОТМ 007, ОТМ 010, СЭТ-1, МКР) -алюмосиликатные (136, ТСМ 508)
-алюмоборосиликатные (316, ТСМ 504, ТРЛ10, ОТМ 015, ТСМ 506, ТСМ 507) -щелочные алюмосиликатные химически упрочненные (ТСМ 404, ТСМ 405, ТСМ 412, ОТМ 016).
Объяснить на примере структуры стеклообразной сетки (папка/Кингстон(F)/фото/IMG_0777), почему алюмосиликатные и боросиликатные стекла термостойкие.
Свойства термостойких стекол см. таб. 8.
Свойства термостойких стекол
Таблица 8
| Свойства | Показатели | |||||||
| ТСМ- 502 | ТСМ -504 | тсм- 508 | ТСМ -566 | ТРЛ-10 | ЛК-5 | ТСМ- 506 | ОТМ- 007 | |
| Плотность, кг/м3 | 2500 | 2900 | 2300 | 2500 | 2260 | 2300 | 2380 | |
| Интегральное пропускание в видимой части спектра, %, (толщина 10 мм) | 87 | 88 | 86 | 88 | 88 | 90 | 86 | 86 |
| Температурный коэффициент линейного расширения (20-300°С), α 10-7К-1 | 46,5 | 48 | 47 | 45 | 38 | 38 | 57 | 37 |
| Температура начала деформации, оС | 660 | 760 | 850 | 745 | 780 | 675 | 660 | 640 |
| Термостойкость, град. | 350* | 150 | 140 | 125 | 200 | 180 | 130 | 175 |
| Прочность при изгибе, МПа сырое закаленное | 50 145 | 40 | 30 80 | 115 140 | ||||
•) после упрочнения
(Кингстон/Термост-стекла)
Благодаря высокой температуре начала деформации термостойкие стекла могут использоваться в условиях специальных режимов при температурах на уровне 600°С, а при резких теплосменах - в пределах их термостойкости. В целях повышения характеристик этих стекол используется закалка, позволяющая повысить термостойкость в 1,5-3 раза, а прочность в 2-4 раза. Однако, из-за релаксации закалочных напряжений температура длительной эксплуатации закаленных стекол снижается до 300°С.
В целях повышения надежности оптических элементов разработаны стекла ТСМ 404 и ТСМ 405, предназначенные для упрочнения ионным обменом. Натриево-алюмосиликатное стекло ТСМ 404 упрочняется в расплаве КNО3, образуя сжатый слой толщиной до 300-500 мкм в зависимости от температуры и времени обработки. Литиево-алюмосиликатное стекло ТСМ 405 упрочняется в расплаве NaNO3 , образуя сжатый слой толщиной 200-500 мкм.
Увеличение толщины сжатого слоя упрочненного стекла обеспечивает сохранение достаточно высокой прочности, несмотря на абразивное повреждение поверхности (табл. 9).
Таблица 9
Свойства ионноупрочняемых стекол
| Свойства | Показатели | |||
| ТСМ-404 | ОТМ-016 | ТСМ-405 | ОТМ-015 | |
| Прочность, МПа исходное упрочненное | 40 410 | 40 440 | 30 450 | 80 420 |
| Температурный коэффициент линейного расширения, α.10-7К-1 | 91 | 88 | 94 | 60 |
| Термостойкость, °С исходное упрочненное | 55 180 | 120 450 | 85 300 | 140 400 |
| Температура начала деформации, °С | 630 | 660 | 650 | 700 |
| Интегральное светопропускание, % (толщина 10 мм) | 87 | 89 | 88 | 89 |
(Кингстон/Термост-стекла)
3.5. Цветное сигнальное стекло
Для бортовых сигнальных, габаритных, аэронавигационных (штурманских), кодовых, импульсных огней применяются цветные стекла (светофильтры). Окраска достигается введением в силикатное стекло красителей в виде ионов меди, хрома, кобальта, серы, селена, кадмия, цинка др. (табл.10).
Таблица 10
Характеристики некоторых светофильтров
| Марка | Цвет | ТКЛР | Термостой- | Светотехнические характеристики | ||
| стекла | α.10-7К-1 | кость, °С | Пропускание, % | Предельный цветовой тон, нм | Чистота цвета, % | |
| ТСК-6 | красный | 52,4 | 120 | 23 | 617 | 99 |
| КСО | красный | 62 | 120 | 18 | 610-700 | 95 |
| ТСМ 500 | красный | 42,7 | 180 | 16 | 610-700 | 95 |
| ТСМ-501 | оранжевый | 41 | 130 | 38 | 585-600 | 85 |
| ТСМ-502 | зеленый | 46,5 | 130 | 14 | 495-545 | 45 |
| ЗС-112 | зеленый | 62 | 115 | 18 | 495-563 | 48 |
(Кингстон/Термост-стекла)
В связи с использованием на борту летательного аппарата мощных импульсных источников света к цветным стеклам предъявляются высокие требования по термостойкости, что обеспечивается разработкой составов с пониженным температурным коэффициентом расширения. Дополнительное упрочнение стеклоизделий повышает термостойкость в 2-3 раза.
Светофильтр характеризуется диапазоном пропускания (цветовой тон), коэффициентом пропускания и чистотой цвета.
Известно, что смешением трех независимых цветов (красного, зеленого и синего) можно получить излучение любого цвета: A=xX+yУ+Zz, где х, у и z цветовые компоненты (пропорции) монохроматических лучей. При условии x+y+z = 1, для характеристики цвета достаточно двух из этих величин, например, х и у, которые являются координатами цвета на цветовой диаграмме (рис. 12).
|
|
| 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 х |
Рис. 12. Цветовая диаграмма для определения цветового тона и чистоты цвета по координатам цветности х у относительно стандартного источника.
Цветные стекла, используемые на борту космических аппаратов, должны обладать радиационно-оптической устойчивостью. Например, зеленое стекло ТСМ 305 и красное стекло ТСМ 308 выдерживают дозу облучения до 106-108 Р.
3.5 Материалы прозрачные в инфракрасной области спектра
Для изготовления изделий конструкционной оптики, работающих в составе бортовых авиационных и космических приборов и систем в инфракрасной области спектра, требуются материалы, обладающие необходимым уровнем пропускания в заданном спектральном диапазоне, механической (конструкционной) прочностью и химической устойчивостью.
Электромагнитные колебания, проходящие через атмосферу, поглощаются неравномерно в зависимости от длины волны. Поглощение всоответствующем диапазоне определяется газами, входящими в состав атмосферы (водяной пар, углекислота и некоторые другие). Спектральные области наибольшей атмосферной прозрачности ("окна") являются основными каналами распространения излучения.
Для оптических элементов инфракрасной техники используются стекла, поликристаллические материалы (оптическая керамика), монокристаллы.
|
|
| О О 1. |
| Кварц, кварцевое стекло (SiO2;) 0,3 Нитрид кремния (Si3N4 I 0,4 |
| Карбид кремния (SiC) |
| Стекло (Al2O3-CaO-SiO2) |
| Оксинитрид алюминия (9Аl2О3 5AIN) 5 |
| Шпинель (MgAI2O4) |
| Лейкосапфир (Аl2О3) |
| Диоксид циркония (ZrO2) |
| Оксид иттрия (Y2O3) |
| Фторид магния (МgF2) |
| Фторид магния (MgF2) монокристалл 0,7 |
| MgF2 (гор. прессов.) |
| Фторид лития (LiF) 0,5 |
| Фосфид галлия (GaP) |
| Фторид кальция (CaF2) |
| Сульфид цинка (ZnS) CVD+ |
| Сульфид цинка (ZnS) |
| 6 Халькогенидное стекло (As2S3) |
| Фосфид индия (InP) |
| Арсенид галлия (GaAs) |
| Селенид цинка (ZnSe) Германий 8 |
| Фторид бария |
| Сульфид кадмия (CdS) |
| Фторид свинца (PbF2) |
| Теллурид кадмия (CdTe) |
| Хлорид натрия (NaCI) |
| Хлорид серебра (AgCI) |
| Хлорид калия (KCI) |
| Бромид калия (КВг) KRS-5 (TIBr/TlJ) |
| Иодид калия (KI) |
| Бромид таллия (TIBr) |
| Бромид цезия (CsBr) —■ Иодид цезия (Csl) |
F/МГУПИ/(Таб-ИК-мат)
Стеклообразные материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с кристаллами, отличаясь высокой оптической однородностью, относительной
простотой технологии изготовления, возможностью получения заготовок больших размеров, повышенной механической прочностью.
Прозрачность стекол в основном зависит от состава стекла и условий его получения. Пропускание стекол в ИК-диапазоне определяется характеристическими колебаниями соответствующих структурных компонентов. Предельная частота пропускания зависит от атомных масс элементов, участвующих в образовании химической связи, а также от силовых постоянных межатомных связей. Поэтому ИК-прозрачные стекла синтезируются на основе элементов с высокими атомными массами или слабыми межатомными связями.
1.Оксидные системы с высокими массами катионов (силикаты и германаты свинца, стеклообразные As2O5, Sb2О3, V2O5, ТеО2 и др.
2.Оксидные системы, характеризующиеся низкой величиной силовых постоянных межатомных связей (кальцийалюминатные, кальцийгаллатные и др.).
3.Бескислородные стекла с высокими массами катионов и анионов (сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, германия и других тяжелых элементов, фториды магния, стронция, бария, циркония, кадмия, цинка, иттрия, свинца и др. элементов).
Наличие в силикатных и германатных стеклах гидроксильных групп и углекислого газа приводит к появлению полос поглощения при 2,7-3,25 и 4,2 мкм.
В табл. 11-13 приведены основные свойства ряда оксидных стекол. Термостойкость этих стекол относительно невелика (50-100оС), поэтому в случае резких теплосмен, превышающих ее предел в условиях эксплуатации, стекла могут разрушиться, если не принять специальных мер по упрочнению. Кроме того, химическая устойчивость большинства не силикатных стекол низка, поэтому применяются защитные покрытия.
Таблица 11
Основные свойства некоторых кальций-алюминатных иттриевых ИК-прозрачных стекол
| Наименование свойств | Показатели | |||||
| АКС-3 | ТСМ-205 | БС-14 | ИКС-15 | ТСМ-209 | ||
| Область пропускания, мкм | .0,4-5,5 | 0,2-5,5 | 0,4-5,5 | 2,0-5,5 | 0,4-5,5 | |
| Плотность,г/см3 | 3,27 | 3,27 | 3,08 | 3,2 | ||
| Температура размягчения, °С | 765 | 790 | 790 | 800 | 780 | |
| ТКЛP • 107 К-1 | 92 | 89 | 90 | 90 | 86 | |
| Термостойкость, °С | 65 | 95 |
| 90 | ||
| Прочность при изгибе, МПа | 63 | 140 |
| 66 | ||
| Максимальные размеры заготовки, мм | 600х200х 20 | 600х200х 20 |
| 400x400x10 | 600x250x10 полусферы Æ350 | |
(Кингстон/Термост-стекла)
Таблица 12
Основные свойства некоторых галатных ИК-прозрачных стекол
| Наименование свойств | Показатели | ||||
| ТСМ-206 | ТСМ-207 | ТСМ-212 | ИКС-213 | ТСМ-204 | |
| Область пропускания, мкм | 0,2-6,0 | 0,2-6,0 | 0,5-6,5 | 0,3-5,8 | 0,3-6,0 |
| Плотность, г/см3 | 4,2 | 3,79 | 4,4 | 4,77 | 4,64 |
| Температура размягч., °С | 725 | 720 | 700 | 600 | 620 |
| ТКЛР • 10-7 К-1 | 87 | 92 | 86 | 113 | 110+0,5 |
| Термостойкость, °С | 50 | 55 | 95 | 45 | 80±0,5 |
| Прочность при изгибе, МПа | 57 | 65 | 65 | 50 | |
| Химстойкость | нестойкое | слабо стойкое | нестойкое | Стойкое | нестойкое |
| Максимальные размеры заготовки, мм | 600х600х 20 | 600х200х 20 | 600х250х 10 полусфера Æ350 | 600х250х 10 полусферы Æ350 | |
Таблица 13
Основные свойства некоторых, германатных ИК- прозрачных стекол
| Наименование свойств | Показатели | |||
| ГА-13-9 | ТСМ-221М | ТСМ223 | ТСМ-224 | |
| Область пропускания, мкм | 0,5-6,0 | 0,3-5,5 | 1,0-5,5 | 0,3-5,5 |
| Плотность , г/см3 | 3,9 | 3,9 | 4,15 | 3.23 |
| Температура размягчения, °С | 660-690 | 705 | 700 | 650 |
| ТКЛР • 10-7 К-1 | 78-80 | 62 | 68 | 96 |
| Термостойкость, °С | 105 | 100 | 250; 450*) | |
| Прочность при изгибе, МПа | 50; 220*) | 140 | ||
| Химстойкость | стойкое | стойкое | стойкое | слабо стойкое |
| Модуль упругости, ГПа | 7,5.104 | 8,5.104 | ||
| Показатель преломления | 1,667 | 1,710 | 1,637 | |
*) после упрочнения
(Кингстон/Термост-стекла)
Для работы на длине волны более 6 мкм применяются бескислородные (халькогенидные) стекла, отличительной особенностью которых является низкая температура размягчения и малая твердость.
Бескислородные халькогенидные стекла представляют собой обширную группу ИК-прозрачных материалов, различающихся областью пропускания, температурным коэффициентом линейного расширения и другими свойствами. Все они устойчивы к воде и обычным химическим реагентам.
В табл. 14 приведены свойства некоторых халькогенидных стекол с температурой размягчения выше 300° С. Несмотря на достаточную химическую устойчивость, эти стекла имеют низкую прочность и высокий ТКЛР и, как следствие, низкую термостойкость.
Варка этих стекол производится в условиях вакуума в запаянных кварцевых сосудах. Эти особые условия технологии производства ограничивают возможность получения пластин больших размеров из халькогенидных стекол.
Таблица 14
Основные свойства некоторых бескислородных. ИК-прозрачных стекол
| Наименование | Показатели | |||||
| Свойств | ИКС-26 | ИКС-27 | ИКС-30 | ИКС-31 | ИКС-34 | ИКС-47 |
| Область пропускания, мкм | 1.0-10,5 | 1,5-16 | 1,0-11,5 | 1,2-12 | 1,0-15,5 | 1,0-11,5 |
| Плотность, г/см3 | 3,8 | 4,89 | 4,33 | 4,63 | 4,47 | 3.81 |
| Коэффициент пропускан. % | 60-70 | 40-60 | 54-64 | 50-60 | 65-68 | |
| Показатель преломления, (2мкн) | 2,4644 | 2,56 | 2,638 | 2,59 | 2,5169 | |
| Температура размягч., °С | 440 | 270 | 390 | 330 | 375 | 440 |
| ТКЛР.10-7 К-1 | 116 | 177 | 122 | 131 | 125 | 110 |
| Прочность при изгибе, МПа | 25 | 20 | 24 | 10 | ||
| Химстойкость | высокая | Высокая | высокая | высокая | Высокая | высокая |
| Максимальные размеры заготовки, мм | Æ250 | Æ250 | Æ250 | Æ300 | Æ300 | Æ300 |
Кингстон/Термост-стекла)
Прозрачные керамические материалы получают путем спекания порошков исходных соединений в вакууме при приложении давления. Жаростойкость таких материалов достаточно высока, но температура эксплуатации в условиях резких теплосмен ограничивается их термостойкостью. Температура эксплуатации бескислородных материалов на воздухе зависит от их окислительной устойчивости.
Оптическая керамика имеет нулевую пористость, практически не содержит стеклофазы и состоит, как правило, из мелких (до 50 мкм) зерен (табл. 15).
Таблица 15
Свойства оксидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов
| Наименование свойств | Показатели | ||||
| КО-5 | КО-51 | КО-7 | КО-57 | КО-60 | |
| Область пропускания, мкм | 0,4-9,5 | 0,3-9,5 | 0,2-6,0 | 0,2-7,0 | 0,4-6,5 |
| Коэффициент светопропускания, % | 70-80 | 70-87 | 70-80 | 60-84 | 50 |
| Показатель преломления | 1,72 | 1,7226 | 1,7168 | 2,55 | |
| Плотность, г/см3 | 3,58 | 3,58 | 3,95 | 3,6 | 7,6 |
| Температура плавлен., °С | 2800 | 2800 | 2030 | 2125 | 1300 |
| ТКЛР • 10-7 град-1 | 136 | 125 | 85-90 | 76 | 90 |
| Прочность при изгибе, МПа | 115 | 120 | 230 | 122 | 90 |
| Химстойкость | высокая | низкая к кислотам | высокая | высокая | Высокая |
| Максимальные размеры заготовки, мм | Æ100 | Æ200 | Æ75 | Æ60 | |
Кингстон/Термост-стекла)
Наибольшее применение нашли поликристаллические материалы, получаемые методом горячего прессования из химически чистых фторидов, сульфидов и селенидов элементов второй группы периодической системы.
(Методы парофазного и газофазного синтеза)
В отличие от монокристаллов соответствующего состава оптическая керамика изотропна, имеет повышенную прочность. Эти материалы пригодны для работы при температурах до 1000оС (табл. 16, 17).
Таблица 16
Свойства фторидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов
| Наименования свойств | Показатели | ||||||
| КО-1 | ИКП-1 | КО-3 | ОКИ | КО-8 | КО-9 | КО-10 | |
| Область пропускания, мкм | 0,5-0,9 | 2,0-9,0 | 0,2-11,0 | 0,4-11,0 | 0,4-12,0 | 1,0-14,0 | 0,2-13,5 |
| Показатель преломления | 1,3811 | 1,3811 | 1,4338 | 1,4338 | 1,4746 | 1,4746 | |
| Коэффициент пропускания, % Плотность, г/см3 | 90 3,18 | 90 3,18 | 90 3,18 | 4,35 | 4,35 | 4,28 | 90 4,88 |
| ТКЛР • 10-7.К-1 | 90 | 80 | 200 | 240 | 210 | 190 | |
| Температура плавления, оС | 1255 | 1250 | 1360 | 1360 | 1190 | 1200 | 1300 |
| Прочность при изгибе, МПа | 125 | 30 | |||||
| Химстойкость | высокая | высокая | высокая | высокая | высокая | высокая | удовл. |
| Максимальные размеры заготовки, мм | Æ350 | Æ300 | Æ60 | Æ100 | Æ100 | Æ100 | Æ60 |
Кингстон/Термост-стекла)
Фторидная керамика КО-1, ИКП-1, благодаря сочетанию относительно низкого ТКЛР и достаточной механической прочности, обладает высокой стойкостью к тепловым ударам, что обусловливает ее применение в качестве ИК-прозрачных окон, работающих при высоких механических и тепловых нагрузках (до 900 °С).
Таблица 17
Свойства сульфидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов
| Наименование свойств | Показатели | ||||
| КО-2 | КО-22 | ТСМ-203 | КОЛ-5 | КОРЗ-1 | |
| Область пропускания, мкм | 1,0-14,0 | 0,45-14,0 | 1,0-14,0 | 0,5-16,0 | 0,5-20,0 |
| Показатель преломления | 2,2631 | 2,2631 | 2,3-2,15 | 2,8 | |
| Коэффициент пропускания,% | 47-69 | 48-68 | |||
| Плотность, г/см3 | 4,08 | 4,08 | 4,08 | 4,82 | 4,97 |
| ТКЛР. 10-7 К-1 | 69 | 75 | 79 | 45 | 99 |
| Температура плавления, °С | 1830 | 1830 | 1830 | 1500 | 1825 |
| Прочность при изгибе, МПа Химстойкость | 79 высокая | 77,5 высокая | 70 высокая | 63 высокая | Высокая |
| Максимальные размеры заготовки, мм | Æ350 | Æ350 | Æ110 | Æ50 | Æ50 |
Оптическая керамика КО-2 и КО-22 благодаря высокой жаропрочности (σ=75 МПа при 500°С), химстойкости илучевой прочности может найти применение в лазерных устройствах иоптических приборах.
Таблица 18
Свойства ИК-прозрачных поликристаллических материалов на основе селенидов и теллуридов
| Наименование свойств | Показатели | ||||
| КО-4 | КО-41 | ТСМ-208 | KO-6 | КО-61 | |
| Область пропускания, мкм Показатель преломления | 0,5-20 2,4 | 0,5-20 2,4 | 0,5-20 | 2,0-28 2,67 | 0,9-28 2,7150 |
| Коэффициент пропускания, % | 68-70 | 40-66 | 40-66 | 30-60 | 40-63 |
| Плотность, г/см3 | 5,26 | 5,25 | 5,26 | 5,85 | 5,86 |
| Температура плавлен., °С | 1450-1520 | 1520±10 | 1520 | 1090 | 1090 |
| ТКЛР. 10-7 К-1 | 77 | 77 | 77 | 55 | 59 |
| Термостойкость, °С | 95±15 | 200-350 | 200 | ||
| Прочность при изгибе, МПа | 49-59 | 22-32 | 32 | ||
| Химстойкость | высокая | высокая | высокая | высокая | высокая |
| Максимальные размеры, мм | Æ 100 | Æ100 | Æ200 | Æ 150 | Æ150 |
Поликристаллические теллурид кадмия (КО-6, КО-61 ) и селенид цинка (КО-4, КО-41) предназначены для использования в качестве оптических конструкционных элементов, окон приемников излучения, оптических элементов ОКГ и других изделий конструкционной оптики для работы на волне 10,6 мкм (табл. 18).
Температурный предел использования керамики КО-4 ограничивается 250°С на воздухе из-за образования продуктов окисления. Для керамики КО-6 этот предел -350-400°С.
3.7. Материалы с переменным пропусканием
Возможность управления светопропусканием остекления для зашиты экипажа от интенсивных световых потоков основана на использовании различных физико-химических эффектов в прозрачных материалах, при некоторых внешних воздействиях. Обратимое изменение пропускания может быть вызвано окрашиванием под действием УФ-излучения солнца (фотохромизм), пропусканием через материал постоянного электрического тока (электрохромизм), нагреванием или охлаждением (термохромизм). Кроме того, используется эффект изменения светорассеяния, происходящий в органических жидких кристаллах различных типов в постоянном электрическом поле.
Фотохромные (светочувствительные) стекла содержат в своем составе галоидные соли серебра. Под действием света ионы серебра восстанавливаются до атомарного состояния и образуют центры окраски , которые в темноте или при нагревании разрушаются, возвращая исходную прозрачность: Ag+ +Сl- <=> Ag°+Cl°.
Так как ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом, то окрашивание происходит только в поверхностном слое фотохромного стекла. Поэтому более эффективным является использование тонкого накладного фотохромного стекла на нейтральной подложке. Для этой цели используются бессеребряные составы, содержащие оксиды меди.
Фотохромные стекла обладают сравнительно небольшой скоростью окрашивания и обесцвечивания, соответственно 5-30 с и 5-20 мин. Максимальная оптическая плотность 0,3-0,8. Органические фотохромные материалы срабатывают быстрее, но их ресурс весьма небольшой, что препятствует применению в авиаостеклении.
Большим быстродействием (менее 1 мин) отличаются электрохромные материалы, к которым относятся пленки оксидов переходных металлов- вольфрама, молибдена, ванадия, ниобия, лантана и др. При пропускании электрического тока происходит изменение валентности ионов металла, что вызывает появление центров окраски в виде атомов металла: Мn++nе->М.
Для использования оксидных пленок в качестве обратимого электрохромного материала создается электрохромная композиция, состоящая из двух прозрачных пленочных электродов, наносимых на поверхности стекол и слоя твердого ионного электролита на одном из электродов. При отключении тока окраска сохраняется, а при смене направления тока окрашивание изменяется на обесцвечивание.
Однако в настоящее время пока, вследствие низкого исходного пропускания конструкции в целом (на каждом слое ТПП поглощается до 7-10%) электрохромные стекла не нашли применения в ИКО, хотя прогресс в разработке электрохромных стекол наиболее реальный по сравнению с другими материалами с переменным пропусканием.
Термохромные стекла содержат в своем составе оксиды кобальта, никеля, меди, висмута и др., ионы, которые при определенных температурах изменяют свою координацию в структуре стекла, вызывая окрашивание или обесцвечивание. В зависимости от состава стекла могут резко изменять пропускание при достижении определенной температуры ("пороговые" стекла) или постепенно наращивать краску в температурном интервале.
В связи с технологическими трудностями получения электрохромных и термохромных и фотохромных материалов достаточных габаритов они пока не нашли практического применения в ИКО.
(Но требования в новых ТЗ к ИКО с использованием электрохромного компонента имеются (Боинг -787) – трудности и проблемы)
На основе более технологичных - фотохромных стекол изготовлены опытные образцы светозащитного авиационного остекления.
Композиции из двух листов силикатного стекла с нанесенными на внутренние поверхности прозрачными электродами, между которыми заключен тонкий (30-50 мкм) слой жидкого кристалла или полимерной пленки с микрокапсулированным в ней жидким кристаллом (ЖК), применяются при изготовлении светорегулирующего авиаостекления на учебных самолетах или наземных тренажерах летного состава.
Микрокапсулированный ЖК, распределенный в матрице с отличающимся показателем светопреломления, в исходном состоянии образует светорассеивающую непрозрачную среду. Под действием электрического поля показатели преломления ЖК и матрицы выравниваются, и среда становится прозрачной. ЖК с эффектом динамического рассеяния света в исходном состоянии является прозрачным, а светорассеяние усиливается по мере роста прилагаемого электронапряжения. Светопропускание при этом изменяется от 70% до 0,1%.
Композиции на основе ЖК рассматриваются для применения в качестве устройств отображения полетной информации на лобовых стеклах кабин.
3.8. Прозрачные покрытия
Для придания ИKO необходимых оптических, электрических, прочностных и других специальных свойств используются различного рода прозрачные покрытия: электропроводящие (электрообогревные, антистатические, СВЧ-защитные), оптические (просветляющие, солнцезащитные, теплоотражающие, свето-фильтрующие), защитные ( абразивостойкие, химстойкие).
Электрообогревный антиобледенительный элемент ИКО получают путем нанесения на поверхность прозрачного элемента слоя металла или полупроводникового оксида, толщина которого определяется задаваемым удельным поверхностным сопротивлением и светопропусканием (с уменьшением толщины растет сопротивление и пропускание). Наибольшее распространение для этой цели получили оксиды олова, цинка, сурьмы, индия, никеля. Например, пленки на основе оксида олова могут иметь удельное сопротивление в диапазоне 10-500 Ом/см2 при толщине 0,1-0,5 мкм, поглощают ультрафиолетовые и отражают до 80% инфракрасных лучей, обладают достаточной абразивной и химической стойкостью, работоспособны при температурах от -60°С до 150°С.
Электропроводящие пленки из оксида индия имеют сопротивление 10-100 Ом/см2 и сохраняют свои электрические и оптические параметры в интервале -150...+ 400° С.
Высокоомное (10-25 • 106 Ом/см2) покрытие из смеси оксидов олова, сурьмы и цинка толщиной 0,07-0,09 мкм используется для снятия статического электричества с поверхности авиационного остекления или иллюминатора космического аппарата. Для биологической защиты экипажа от СВЧ-излучений, проходящих сквозь прозрачный элемент, применяют низкоомные оксидные покрытия с электросопротивлением не более 10-15 Ом/см2. Для снижения сопротивления при сохранении прозрачности всостав оксиднооловянного покрытия добавляют фториды или фосфаты. Подвод тока к электропроводящим покрытиям осуществляется с помощью силикатно-серебряных, органо-серебряных, индиевых, медно-никилевых шинок, наносимых на стекло, и припаянных к ним токовводов.
В целях повышения пропускания, снижения отражения и устранения световых бликов, в особенности на приборных иллюминаторах, используются оптические покрытия на основе оксидов кремния, алюминия, таллия, фторида магния и их смесей. Применение одно-, двух- и трехслойных покрытий снижает отражение от каждой поверхности стекла с 4 до 0,5% в видимой части спектра.
Для просветления ИК-прозрачных оксидных стекол в области 1,8-5,2 мкм и одновременно повышения их химстойкости используют защитно-просветляющие покрытия на основе фторида магния и оксида кремния. Например, на стекле ТСМ 209 кремнеземное покрытие обеспечивает рост пропускания в области 3,5-5 мкм на 4-5% на каждую сторону пластины.
Склеивающие материалы
В связи с необходимостью сохранения прочности прозрачного элемента ИКО в условиях, эксплуатации и реализации принципа безопасного повреждения хрупкие материалы используются, как правило, в виде прозрачных слоистых композиций, склеенных материалами с большей, чем у стекла, эластичностью. Но способу применения склеивающие материалы можно разделить на клеи, пленки и полимеризующиеся заливочные составы.
При использовании оптических клеев (эпоксидных, кремнийорганических, циакриновых) с толщиной слоя 0,1-0,5 мм обеспечивается высокое (более 92%) светопропускание композиции. Однако усадка, возникающая в процессе затвердевания клеев, снижает прочность соединения, разность температурных коэффициентов расширения вызывает напряжения, а технологические трудности, связанные с необходимостью тщательной притирки склеиваемых поверхностей, особенно в случае их больших габаритов и неплоской формы, ограничивают применение клеев.
Наибольшее распространение получили пленочные склеивающие материалы (поливинилбутирали, полиуретаны), поставляемые в виде рулонов ленты толщиной 0,35-1,9 мм, шириной 0,44-1,4 м. Основные свойства отечественных поливинилбутиралей различных марок представлены в табл. 19.
Основные свойства поливинилбутиральных пленок
Таблица 19
| Свойства | Показатели
 Мы поможем в написании ваших работ! | |||||