Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали отечественный способ создания сверхчистого кварцевого стекла без использования токсичных хлорсодержащих веществ. Полученный материал имеет пропускание более 80% в ультрафиолетовой области на длине волны 190 нанометров и более 90% в видимой области спектра — это уровень лучших мировых аналогов.
Долгие годы технологией производства особо чистого кварцевого стекла владели лишь несколько стран — США, Германия и Япония. Для России собственное производство такого материала — это возможность обеспечить технологическую независимость там, где без него не обойтись: в космической отрасли, лазерной технике, микроэлектронике, оптоволоконной связи, медицине и научном приборостроении.
Однако у традиционной зарубежной технологии, которая сегодня доминирует на мировом рынке и задает стандарт качества, есть свои недостатки. Во-первых, она опирается на хлорсодержащие вещества, выделяющие при производстве ядовитый газ. Это вынуждает заводы устанавливать дорогие системы очистки воздуха, да и сам процесс остается небезопасным для экологии. Во-вторых, получить стекло с высокой прозрачностью в ультрафиолете традиционным способом непросто: даже при тщательном контроле в материале могут сохраняться мельчайшие пустоты и неоднородности. Они рассеивают свет, и стекло теряет прозрачность именно в том диапазоне, который критически важен для космоса, лазеров и микроэлектроники. Чтобы справиться с этим, производители вынуждены использовать сверхчистое сырье и сложные методы очистки.
Ученые Пермского Политеха предложили новую технологию, которая решает обе эти проблемы. Она полностью отечественная, не использует хлор и позволяет получить стекло с высоким показателем пропускания в ультрафиолете. Статья опубликована в международном научном журнале Ceramics International.
Исследователи предложили добавить промежуточный этап при плавлении кварцевого стекла — высокотемпературную выдержку в вакуумной печи до температуры размягчения материала.
За это время на поверхности каждой песчинки образуется прочная кристаллическая оболочка — кристобалит, особая разновидность кварца. При образовании кристобалита происходит формирование упорядоченной структуры материала и вытеснение избыточного кислорода. После этого сырье плавят и получают готовое изделие. Весь цикл идет в герметичной вакуумной камере, без хлора и других токсичных веществ. Затем у готового стекла измерили пропускание. Особое внимание уделили двум ключевым показателям: прозрачности в ультрафиолете и в видимой области спектра.
— Лучший образец имел пропускание в ультрафиолетовой области спектра более 80%. Это уровень лучших зарубежных аналогов, то есть кварцевое стекло остается практически идеально прозрачным, — поясняет Иван Ряпосов, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Подбор температуры и времени критически важен для получения необходимого соотношения кристаллической и аморфной фазы, которое дает при плавлении стекло с максимальным пропусканием.
— Мы впервые детально показали, как именно предварительная кристаллизация порошка в кристобалит при строго определенной температуре влияет на структуру и оптические свойства будущего стекла. Это позволило нам на практике получить материал, который по качеству не уступает мировым аналогам, — дополняет Иван Ряпосов.
Таким образом, ученые Пермского Политеха предложили экологически чистую альтернативу производства сверхчистого кварцевого стекла с качеством, сопоставимым с мировыми лидерами. Эта разработка открывает путь к созданию отечественных материалов для космической отрасли, лазерной техники и микроэлектроники — без оглядки на зарубежных поставщиков и без ущерба для окружающей среды. В перспективе технология может быть масштабирована для промышленного выпуска оптического стекла широкого назначения.
По материалам naked-science.ru
