1054
.pdf
11.1. Способы получения кварцевого стекла
Электротермический способ
Исходный материал – кварцевая крупка из природного кварца (иногда – прошедшего химическую очистку).
Процесс идет в невысоком вакууме при остаточном давлении Не или Н2 ~ 0,01– 1,0 Па.
Окислительно-восстановительные условия регулируются составом газовой среды
(О2 + Н2).
Крупка подается в пламя электрической дуги сверху, а расплав стекает в тигли, изготовленные из молибдена или графита.
Недостатки метода
Зернистость микроструктуры.
Высокая пузырность* стекла, которая является следствием высокой вязкости из-за невысокой температуры процесса.
* Пузырность уменьшается вакуум-компрес- сионным методом (всестороннее сжатие под давлением заставляет пузыри схлопываться).
91
Газопламенный способ
Крупка поступает сверху в пламя, образованное водородно-кислородными горелками, расположенными по кругу.
Окислительно-восстановительные условия регулируются соотношением О2 и Н2.
По сравнению с электротермическим способом обеспечивается большая однородность стекла и меньшее количество пузырей.
Недостатком как газопламенного, так и электротермического способа является загрязнение примесями оксидов переходных металлов (Cu, Fe, Ni, Mn и др.), всегда содержащихся в природном сырье, а также окислами молибдена из материала тигля.
Эти загрязнения делают невозможным использование такого стекла для ультрафиолетового диапазона.
92
Современной разновидностью газопламенного метода является метод APVD, в котором на стержень сердцевины оптического волокна при помощи плазменной горелки осаждается крупка очищенного природного кварца.
Синтез из газовой фазы (паросинтетический метод) 
В этом методе используется реакция образования SiO2 при воздействии паров воды или кислорода на четыреххлористый кремний.
SiCl4 +2H2O →SiO2 +4HCl;
SiCl4 +O2 →SiO2 +2Cl2.
Процесс идет в пламени водородно-кис- лородной горелки, состав смеси которой регулируется для обеспечения оптимальных условий реакции.
Капли – частицы SiO2 имеют радиус примерно 0,1 мкм и слипаются, падая в накопитель.
Достоинства метода |
Недостатки метода |
– отсутствие окислов переходных ме- |
– наличие «водяных» полос поглоще- |
таллов; |
ния в ИК-области (1,0–2,72 мкм), |
– беспузырность; |
обусловленное неизбежным присут- |
– отсутствие «зернистости»; |
ствием гидроксильных групп; |
– возможность получать большие за- |
– всегда присутствует ~0,01 % эле- |
готовки (до 3,7 м в диаметре и |
ментарного хлора. |
толщиной до 0,5 м). |
|
Современные разновидности паросинтетического метода
|
|
Методы |
|
|
|
|
|
|
Метод осевого |
Метод наружного |
|
|
наружного |
||
|
парофазного осаждения |
парофазного осаждения |
|
|
осаждения |
||
|
(VAD) |
(OVD) |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
93
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модифицированный |
Методы |
Плазменный метод |
|
|
метод парофазного |
парофазного осаждения |
||
|
внутреннего |
|||
|
осаждения (MCVD) |
(РCVD) |
||
|
осаждения |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Печной метод парофазного |
|
|
|
|
осаждения (FCVD) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эти процессы предназначены в основном для формирования стеклянной сердцевины оптических волокон.
Методы осевого парофазного осаждения (VAD) и наружного парофазного осаждения (OVD)
В основе обоих методов лежит химический процесс гидролиза в пламени, при котором в результате реакции в паровой фазе формируются наночастицы стекла, конденсирующиеся в осевом направлении на вращающемся кварцевом стержне путем термофорезного осаждения.
94
Получившаяся пористая заготовка спекается (дегидратируется и остекловывается), а потом вытягивается в стержень, готовый к наращиванию оболочки.
Оба метода характеризуются очень точным и повторяемым процессом осаждения, возможностью создавать заданный состав стекла и профиль показателя преломления.
Методы VAD и OVD отличаются только конструктивно и лучше всего подходят для изготовления оптических волокон с низким содержанием гидроксильных групп.
Методы внутреннего парофазного осаждения MCVD, FCVD и PCVD 
В методах внутреннего парофазного осаждения процесс образования субмикронных частиц кварца осуществляется внутри высококачественной вращающейся опорной трубы.
95
Методы MCVD, FCVD и PCVD отличаются только способом нагрева реакционного пространства.
В процессе MCVD источником тепла являются расположенные снаружи кислородно-водо- родные горелки.
В процессе РCVD вместо кислород- но-водородных горелок используется плазма низкого давления, создаваемая радиочастотным полем.
В процессе FCVD источником тепла является печь. 
11.2. Марки кварцевого стекла (по ГОСТ 15130–86)
КУ-1 |
Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой и види- |
|
мой областях спектра, без полос поглощения в интервале длин волн |
|
170–250 нм, с полосами поглощения в интервалах длин волн 2100–2300 |
|
и 2600–2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устой- |
|
чивое. |
КУ-2 |
Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой и види- |
|
мой областях спектра, со слабой полосой поглощения в интервале длин |
|
волн 170–250 нм, с полосой поглощения в интервале 2600–2800 нм. |
КB |
Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в видимой области спектра, |
|
с полосами поглощения в интервалах длин волн 170–250 и 2600– |
|
2800 нм. |
КИ |
Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в видимой и инфракрасной |
|
областях спектра, без полосы поглощения в интервале длин волн 2600– |
|
2800 нм. |
КУВИ |
Стекло кварцевое оптическое, прозрачное в ультрафиолетовой, видимой |
|
и инфракрасной областях спектра, со слабыми полосами поглощения в |
|
интервалах длин волн 170–250 и 320–350 нм, с полосой поглощения в |
|
интервале 2600–2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически |
|
устойчивое. |
96
Спектры пропускания кварцевого стекла
КУ-1 
КВ
КИ
97
КС-4В
Пропускание, %
Длина волны
11.3. Теплофизические характеристики кварцевого стекла
Марка |
Температура размягчения, |
|
Температура начала деформации, |
|||
стекла |
К (°C) |
|
К (°C) |
|
|
|
КУ-1 |
1933 (1660) |
1523 (1250) |
|
|
||
КВ |
1973 (1700) |
1613 (1340) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Марка |
|
Температура отжига, К (°C) |
|
|
||
|
Нижняя |
|
Верхняя |
|
|
|
стекла |
|
(соответствует вязкости |
|
12 |
|
|
|
|
(соответствует вязкости 10 |
Па·с) |
|||
|
|
1013,5 Па·с) |
|
|
||
КУ-1 |
|
1253 (980) |
|
1353 (1080) |
|
|
КВ |
|
1363 (1090) |
|
1453 (1180) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Марка |
Зарубежные аналоги |
|
|
|||
стекла |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
КУ-1 |
4040 (Япония), Spectrasil (Англия), Suprasil (Германия), |
|
|
|||
Tetrasil (Франция), Corning 7940, GE -151, Dunnasil (США) |
|
|
||||
|
|
|
|
|||
КВ |
1020, 1030, 1060, 1320, 1330 (Япония), Pirsiloptique (Франция), |
|
|
|||
OG – Vitreosil, OH – Vitreosil (Англия), Herasil, Heralux, Homosil (Гер- |
||||||
|
|
мания), Cl – 120, 104 (США) |
|
|
|
|
98
Лекция 12. СИЛИКАТНЫЕ СТЕКЛА
В зависимости от содержания основных стеклообразующих компонентов (стеклообразователей) различают следующие разновидности оксидных стекол:
Силикатные – SiO2nR2O
Свинцовосиликатные –
SiO2 nR2O, PbO
Силикотитанатные –
SiO2, nR2O, TiO2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Боросиликатные – |
|
|
|
Алюмосиликатные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Силикоцирконатные – |
|
||
|
SiO2nR2O, В2O3 |
|
|
|
SiO2nR2O, Аl2O3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SiO2, nR2O, ZrО2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бороалюмосиликатные –
SiO2 nR2O, В2O3, Аl2O3
Если в составе стекла содержится два и более стеклообразователей, то они традиционно перечисляются в названии стекла по мере увеличения их содержания.
В оптическом стеклоделии используется более 40 элементов периодической системы.
Большинство оптических стекол содержат по 5–8 или даже 10–12 компонентов.
Оптический каталог базируется на стеклах системы Na2O–СаО–SiO2. 
В зависимости от сочетания значений показателя преломления и дисперсии оптические стекла делят на две группы: кроны и флинты.
99
Кроны характеризуются сравнительно низким показателем преломления (от 1,47 до 1,67) и высоким коэффициентом дисперсии
(от 47 до 100).
Флинты отличаются высокими значениями показателя преломления (от 1,52 до 1,9) в сочетании с низкими значениями коэффициента дисперсии (от 54 до 15).
Обычные натриево-кальциево-силикатные стекла принадлежат к группе кронов с nD = 1,48...1,53 и νD = 58...70.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СТЕКОЛ (диаграмма АББЕ)
К Р О Н Ы
Ф Л И Н Т Ы
100