Оптическое материаловедение и

101

Лекция 9 Применение оптических стекол.

9.1. Стекла для оптических волокон, работающих на длине волны 0,63-1,55 мкм.

Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой и ближней инфракрасной области спектра обладает плавленый кварц - при условии высокой степени очистки и гомогенности. Значительные преимущества кварца обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Для оп-

тических волокон (ОВ) из плавленого кварца самое низкое значение поглощения составляет 1,9 дБ/км на длине волны 0,85 мкм, 0,291 дБ/км на длине волны 1,3 мкм и 0,154 дБ/км на длине волны 1,55 мкм. Таким образом, собственное поглощение материала еще меньше. Однако высокая температура плавления кварца, с одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического волокна (ОВ), а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые испаряются при более низких температурах.

Стекла, применяемые для изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны 0,589 мкм), снижающий показатель преломле-

ния (рис. 9.1).

Длительный отжиг боросиликатного стекла приводит к увеличению n.

Другой способ понизить показатель преломления плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации фтора вплоть до нескольких процентов.

102

Рис. 9.1. Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы В2О3 – SiO2 от молярной доли оксида кремния М (SiO2).

Показатель преломления кварца уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери. Однако легирование фтором увеличивает вероятность возникновения трещин и уменьшает прочность стекла, а, кроме того, делает кварц более чувствительным к диффузии водорода.

Рис. 9.2. Зависимость показателя преломления плавленного кварца от молярной доли оксида германия М (GeO2).

Все другие добавки к плавленому кварцу - такие, как GeO2, P2O5, TiO2, Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по сравнению с чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%. Показатель преломле-

103

ния увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли GeO2 на 1% (рис. 9.2). При молярной концентрации двуокиси германия 20-процентный показатель преломления увеличивает-

ся на 1,4%.

Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве материала сердцевины ОВ, имеет широкое окно прозрачности почти до 1,7 мкм.

Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более дешевого) является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно. Фосфорный ангидрид сублимируется при температуре 300°С, гигроскопичен и имеет температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он образует с ним (кварцем) устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях Р2О5 вплоть до 25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции к ликвации или кристаллизации. Оно также устойчиво к воздействию воды. Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во всяком случае, для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления при изменении молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет 0,043%. Вязкость и ТКЛР Р2О5 и SiO2 различаются, и это ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может быть введено в плавленый кварц для изготовления ОВ. При добавлении в массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на 0,026%. Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хороша тем, что титан может входить в матрицу стекла с различными степенями ионизации.

Причем некоторые из них обладают заметным поглощением в спектральной области, представляющей рабочий интервал ОВ. Добавка Ti3+ особо сильный поглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная термическая обработка титана при наличии воды и температуре ниже точки

104

плавления стекла, которая приводит к образованию двуокиси титана и водорода.

Для повышения показателя преломления можно использовать оксид алюминия, потери на рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же оксид алюминия (Al2O3) очень стойкий в противоположность оксиду германия GeO2, который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.

Оксид алюминия весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его в стекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействию парциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2. Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что ускоряет процессы затвердевания.

Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получить большее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки по сравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образования кристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не превышает 1,5%.

Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в значительной степени определяет его высокое качество по всем контролируемым параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое, основные потери связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия, железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца), а также гидроксильными группами.

Гидроксильные группы OH являются основной примесью в кварцевых стеклах, которая приводит к значительным потерям. Причина - реакция групп OH с водородом, содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на длине волны 0,95 и 1,4 мкм. Слабые полосы поглощения появляются на длинах волн 0,725, 0,825, и 0,875 мкм, которые являются гармониками основного резонанса при λ = 2,7 мкм.

Снижения потерь в стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до нескольких десятков миллиграмм на килограмм. При этом коэффициент затухания на длине волны 1,2 мкм может снизиться до 0,5 дБ/км.

105

Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах, легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия, достигающих в натуральном кварце 10-15 частиц на миллион, а в синтетическом менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2, присутствие группы OH приводит к увеличению потерь пропорционально концентрации P2O5.

Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, как натрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие температуры плавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2) 1400°C; щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C; натрийалюминийсиликатное стекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C; натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают также более высоким показателем преломления и могут быть модифицированы для получения материала с низким показателем преломления (для оптической оболочки). Показатели преломления натрийборосиликатного стекла можно уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на 4%, щелочносвинцового силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются между собой по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины и оптической оболочки ОВ.

Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол в большей вероятности загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет их очистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за низких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла (и ОВ) на всех стадиях производства.

Для формирования многокомпонентных ОВ необходимо подобрать пару стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы следующим требованиям:

Минимальные диффузионные процессы на границе раздела пары стекол, которые достигаются путем уравновешивания их состава по роду и концентрации щелочных оксидов. Это позволит максимально сохранить исходные значения показателя преломления каждого стекла из пары и ожидаемой числовой апертуры световода.

106

Максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их раздела при вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают новообразования, газовые пузырьки и ликвация.

Низкотемпературное плавление при 1250-1350°С высокочистой гомогенной шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении расплавом, особенно стекла сердцевины.

Итак, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые стекла, поскольку они обладают рядом преимуществ. При этом двуокись кремния как составная часть может быть получена с очень высокой степенью чистоты.

9.2. Стекла для оптических волокон, работающих в средней и дальней инфракрасной области

Материалы, работающие в ИК диапазоне, должны обладать способностью передавать свет на максимальные расстояния с минимальными потерями. На рис. 9.3 показаны теоретические спектральные характеристики потерь различных типов стекол. Минимум потерь прослеживается между областями собственного УФ и ИК поглощения.

Рис. 9.3. Спектральная зависимость материальной дисперсии стекла на основе As2S3.

Использование волн ИК-диапазона для ОВ позволит уменьшить рэлеевские потери, что значительно увеличит дальность передачи и улучшит экономические показатели оптических систем связи. Для этого предлагается заменить кварцевые стекла, работающие на длинах волн до 1,7 мкм, на стекла, легированные германием и содержащие добавки Bi2O3, Tl2O, PbO,

107

Sb2O3. Характеристики германиевых стекол: плотность (5,4- 7,66) г/см куб., ТКЛР = (10,6-15,9)х10-6 °С-1, n = 1,93948-2,28553,

дисперсия равна нулю в диапазоне λ = 2,08-2,81 мкм, минимальные потери могут составить менее 0,1 дБ/км.

В 1954 году Б.Т. Коломийцем и Н.А. Горюновой был открыт новый класс полупроводниковых веществ халькогенидные стеклообразные полупроводники стекла, в состав которых входят халькогены VI группы периодической таблицы Менделеева. Типичные представители сульфид и селенид мышьяка.

Халькогенидные стекла изготавливают на основе эле-

ментов Ge, P, As, Sb, S, Se, Te. Типичные композиции: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te

и др.

Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью в ИКобласти спектра от 1 до 18 мкм. Для стекла As2S материальная дисперсия равна нулю на длиневолны 4,85 мкм (рис. 9.3). Для стекол на основе As S и As Se область, в которой материальная дисперсия равна нулю, находится в диапазоне 46 мкм. Теоретически минимальные оптические потери для этих стекол в области прозрачности материала и с учетом потерь на рэлеевское рассеивание составляют (2-3)х10-2 дБ/км (рис. 9.4). Халькогенидные стекла на основе Ge P S могут иметь потери порядка (10-1 – 10-2) дБ/км на длине волны 5,5 мкм.

Рис. 9.4. Спектральная зависимость оптических потерь стекол на основе: 1- As2S3; 2 – As2Se3.

Халькогенидные стекла трудно совместимы со стеклами других типов. Это объясняется резким отличием температуры

108

их стеклования (139-400)°С и ТКЛР (11-30)10-6 °С-1 от тех же

параметров у стекол из других составов. В частности, для стекол из As2Se3 ТКЛР = 25х10-6 °С-1, а для As2S3 ТКЛР = 19х10-6 °С-1.

Показатель преломления для As2Se3 на длине волны 5 мкм n = 2,481, а для As2S3 n = 2,406. При этом соотношение показателей преломления As2Se3 и As2S3 в области длин волн 2 -12 мкм остается примерно постоянным. Модуль Юнга халькогенидных стекол лежит в пределах 20-41 ГПа.

Близкие значения ТКЛР селенида и сульфида мышьяка и отмеченные выше свойства показателей преломления могут быть применены при изготовлении ОВ, в которых один из материалов используется в качестве сердцевины, а другой оптической оболочки.

В настоящее время в России разработаны физикохимические основы и методы получения серы, селена, теллура и мышьяка с низким содержанием газообразующих примесей в форме взвешенных частиц. Проведены исследования на предмет влияния примесей водорода и углерода на оптические потери в стеклах систем As S, As Se. Разработаны физикохимические основы и методы получения высокочистых стекол систем As S, As Se, Ge As Se. Получены образцы стекол с содержанием газообразующих примесей 10-4 -10-6 % ат. и субмикронных включений менее 1·104 см-3. Разработан метод получения волоконных световодов и халькогенидных стекол с рекордно низкими (25-100 дБ/км) оптическими потерями в среднем ИК диапазоне. Основной причиной, вызывающей столь высокие потери, можно назвать абсорбцию из-за наличия примесей, оксидов различных элементов, молекул воды и рассеяния из-за наличия включений.

Преимущества халькогенидных стекол таковы: сравнитель-

но широкая область стеклования, высокая стойкость к воздействию влаги и (особенно для тяжелых халькогенидов) большая длина волны отсечки. Галогенидные стекла (галиды) имеют в своей основе хлориды и фториды различных металлов. При использовании галоидной добавки ZnCl2 основная частота смещается в инфракрасную область (около 38 мкм), что значительно уменьшает потери на рэлеевское рассеяние. Известны стекла на основе хлоридов калия и натрия. У хлоридных стекол минимальные внутренние потери, но они более чувствительны к за-

109

грязнению (чем стекла на основе фторидов) и растворимы в воде.

Фторидные фторхлорсодержащие стекла (BeF2 и ZnCl2) в перспективе могут обеспечить коэффициент затухания 10-2-10-3 дБ/км соответственно. Однако берилловые стекла весьма токсичны, а цинковые обладают высокой гигроскопичностью.

Стекла на основе фторидов циркония и гафния с добавками BaF2 (30-40%), некоторого количества щелочи, щелочной земли, фторидов редкоземельных элементов, обеспечивающие стабильность стекла, характеризуются коэффициентом затухания (5-8)10-3 дБ/км на λ= (2,4 ± 0,1) мкм. При этом из стекла необходимо удалить примеси железа, никеля, гидроксильные группы, имеющие высокие потери на абсорбцию в интервале длин волн 2-3 мкм. Кроме того, фторидные стекла имеют относительно узкую область стеклообразования и малую термостабильность, приводящую к расстекловыванию, а в некоторых стеклах к появлению кристаллов размером от 10 до 50 мкм. В этой связи основной упор делается на разработку комплексных композиций, содержащих 46 фторидных компонентов, чтобы повысить стабильность и достичь вязкости, обеспечивающей вытяжку ОВ.

Наиболее стабильные композиции основаны на ZrF4- BaF2-LaF3-AlF3-NaF стеклах. Главные компоненты распределены следующим образом: ZrF4 обеспечивает формирование цепочки, BaF2 модификатор, LaF3 стабилизатор, AlF3 и NaF добавляют для изменения вязкости и улучшения стабильности. Чтобы улучшить технологичность при вытяжке ОВ в композицию, кроме указанных, могут быть добавлены фториды Ce, Gd, Lu, Al, Nd. Введение ионов Nd+3 в стекло дает возможность генерировать лазерное излучение с λ~ 1,06 мкм.

Введение в стекла ZrBaLaAlNa добавок Nd+3 или Er+3 обеспечивает создание нового класса ОВ т.н. активных ОВ, обладающих усиливающими свойствами и позволяющих реализовать их на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм.

Многие композиции стекол базируются на комбинации MF2 AlF3, где M один или несколько элементов ряда Ca, Sr, Ba, Pb, Ra, Cd, Hg, J. Системы на основе AlF3 обладают максимумом

110

абсорбции на λ = 18 мкм, в то время как стекла с группой ZrF4 имеют слабый пик на λ = 23 мкм.

У фторидных стекол наблюдается тенденция к поверхностной рекристаллизации в результате воздействия атмосферной влаги и кислорода. Для их защиты необходимо применять специальную технику нанесения покрытия на волокно.

Фторидные стекла характеризуются высокой прозрачностью в широком диапазоне длин волн от ближней ультрафиолетовой (0,3 мкм) до средней и дальней ИК областей. Они имеют

Стекла на основе фторида бария, торий иттрия, цинка, алюминия с добавками фторида индия, заменяющими фторид алюминия, дают хорошую стабильность и прозрачность в ИК области от 7 до 8 мкм.

Иодидные и бромидные стекла обладают малой стабильностью. Для применения в дальнем ИК диапазоне могут быть использованы поликристаллические стекла на основе галидов таллия и серебра.

Монокристаллические стекла обладают значительными преимуществами, так как имеют меньшие потери на абсорбцию, в частности, изза отсутствия границ между кристаллами. К ним относятся стекла, содержащие AgBr, CsBr, KCl, KBr, KCl KBr, а также твердые растворы TlBr и TlI и др. Минимальные оптические потери в ИК кристаллах и световодах составляют: AgCl 500 дБ/км (λ = 8 мкм); AgBr 510 дБ/км (λ = 12 мкм); CsI 300 дБ/км (λ = 15,4 мкм); KPC 13 200 дБ/км (λ = 9 мкм); KPC 5 120 дБ/км (λ = 12,9 мкм); KPC 6 1000 дБ/км (λ = 7,9 мкм). Теорети-

чески коэффициент затухания для этих материалов составляет

102 -104 дБ/км.

111

Лекция 10 Светотехнические свойства остекления

Основной функцией светопрозрачных конструкций является освещение помещений естественным светом. Для начала приведем несколько определений.

Оптическим излучением или светом называют элек-

тромагнитные волны (электромагнитное излучение), длины которых в вакууме лежат в диапазоне от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению относятся видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.

Инфракрасным излучением (ИК) (тепловое излуче-

ние) называется электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого в вакууме лежат в пределах от 1 мм до 770 нм.

Видимым излучением или видимым светом называет-

ся электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 770 до 380 нм, которое способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.

Ультрафиолетовым излучением (УФ) называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 380 до 10 нм. В области от 10 до 200 нм УФ излучение сильно поглощается.

От всего солнечного излучения интенсивность УФ составляет порядка 1 %. При этом в ультрафиолетовом спектре можно условно выделить три области, оказывающие позитивное влияние на деятельность человека.

1.В области 200 - 280 нм УФ излучение применяется для стерилизации помещений. При этом уничтожаются болезнетворные для человека микробы.

2.В области 280 - 315 нм ультрафиолет оказывает тонизирующее действие и способствует развитию фосфорнокальциевого обмена. УФ излучение в этом спектре применяют для лечения больных рахитом.

3.В области 315 - 400нм УФ находит разнообразное техническое применение.

Следует, однако, помнить о специфическом биологическом действии УФ, выражающемся в химических изменениях в

112

поглощающих его молекулах живых клеток, что приводит к разрушению ДНК, нарушению деления и гибели клеток. Поэтому благотворное действие на человека и животных УФ оказывает лишь в малых дозах. Кроме того, избыточное ультрафиолетовое излучение приводит к обесцвечиванию мебели, ковровых покрытий, картин и др.

При проектировании светопрозрачных ограждений в строительной технике принято рассматривать четыре аспекта, связанных с воздействием оптического излучения на микроклимат зданий и отдельных помещений, и характеризующих оптическую работу остекления в различных участках спектра.

1.Естественное освещение помещений рассеянным (диффузным) солнечным светом, отраженным от небосвода.

2.Теплопотери из помещения (на протяжении отопительного периода) в окружающую среду за счет длинноволнового ИК излучения через остекление.

3.Теплопоступления в помещения (солнечная радиация) за счет коротковолнового ИК спектра солнечного излучения, проходящего через остекление.

4.Инсоляция - облучение помещений прямыми солнечными лучами.

Передача солнечного излучения через стекло

Для анализа закономерностей энергообмена через свето-

прозрачные конструкции, прежде всего, необходимо исходить из того, что в естественном природном теплообмене каждое тело излучает тепловую энергию. При этом длина волны излучения зависит от температуры тела. Стекло, установленное в наружной ограждающей конструкции здания, подвергается воздействию теплового излучения, идущего от солнца и внутренних поверхностей помещения, абсолютная температура которых близка к абсолютной температуре поверхности Земли и составляет в среднем 293 К (20 °С).

Спектры теплового излучения Солнца и внутренних поверхностей помещения (условно - Земли) представлены на рис. 10.1.

113

Рис. 10.1. Спектры теплового излучения Солнца и внутренних поверхностей помещения

Поскольку, как это видно из рисунка, УФ излучение занимает незначительную долю тепловой энергии, излучаемой солнцем, и совсем не присутствует в спектре излучения внутренних поверхностей помещения, рассмотрение его в строительных расчетах имеет практическое значение только для помещений специального назначения - большей частью в медицинских учреждениях.

Передача солнечного излучения через стеклопакет

Рис.10.2. Передача солнечного излучения через стекло-

пакет.

Таким образом, основной задачей проектирования оптических характеристик остекления является круглогодичное обеспечение его оптимальной работы в видимом и ИК участках

114

спектра в соответствии с заданными условиями для конкретного помещения.

На рисунке 10.2. показана схема передачи солнечного излучения через конструкцию остекления. Часть тепловой энергии, падающей на стекло (или стеклопакет), проникает сквозь него, часть тепловой энергии отражается от поверхности стекла, и часть поглощается стеклом.

10.1. Поведение стекла в видимой части спектра

В видимой части спектра поведение стекла характеризуется цветовыми координатами (или так называемым "цветовым коробом"), определяющими его визуальное восприятие человеческим глазом. Для обычного флоат-стекла характерен так называемый "нейтральный аспект" - воспринимаемая зрительно прозрачность.

Характеристики обычного стекла, имеющего пропускание в видимой части τ = 0,9 и отражение ρ = 0,08, могут служить в качестве ориентира для оценки зрительного восприятия. Так у "k - стекла" с напылением, воспринимаемого зрительно почти также как обычное стекло, эти величины составляют соответственно τ = 0,84 и ρ = 0,11, а для зеркального стекла τ = 0,32 и ρ

= 0,46.

10.2. Стекла, поглощающие инфракрасную часть спектра (теплопоглощающие стекла)

Одним из способов защиты помещений от вредного воздействия солнечной радиации является применение стекол, поглощающих инфракрасную (ИК) часть спектра — так называемых теплопоглощающих стекол. Архитекторы с большим успехом применяют теплопоглощающие и нейтральные стекла и считают, что помимо своего функционального назначения — снижения интенсивности солнечной радиации — эти стекла в сочетании с отделочными материалами являются прекрасным оформлением фасадов.

Теплопоглощающие стекла по технологии изготовления можно подразделить на две группы:

стекла, окрашенные в массе; стекла с пленочными оксидно-металлическими покры-

тиями.

115

Стекла, окрашенные в массе, в свою очередь делятся на:

—силикатные,

—фосфатные,

—фотохромные.

Как правило, их пропускание в ИК зоне очень мало, что снижает общее количество теплопоступлений в помещение. “Идеальным” теплопоглощающим стеклом стало бы такое, которое является непрозрачным экраном для ИК лучей и совершенно не поглощает видимую часть спектра. Кривая пропускания такого “идеального” стекла приведена на рис.10.3.

В таком идеальном случае в помещение будет проникать только та часть тепловой солнечной радиации, которую несут с собой видимые и ультрафиолетовые лучи — примерно 50% интегрального потока. Однако практически такое стекло получить невозможно. Реальные стекла, поглощающее ИК область спектра, поглощают обычно и часть видимых лучей, как правило, красных (λ = 620-760 нм) и фиолетовых (λ = 390-455 нм). Избирательность поглощения видимых лучей этими стеклами является следствием их зеленовато-голубой окраски.

Рис.10.3. Селектривное пропускание теплопоглощающих

стекол

1 — идеальное теплопоглощающее стекло;

2 — реальное теплопоглощающее стекло; 3 — оконное

стекло

Солнечная радиация, проходя через любое стекло, частично отражается, а частично поглощается, а оставшаяся часть

116

падающей на стекло энергии проходит внутрь помещений. На рис.10.4 показан механизм перераспределения лучистого потока, падающего на обычное и теплопоглощающее стекла. Теплопоглощающие стекла значительно сильнее, чем обыкновенные поглощают лучистую энергию, то есть имеют ярко выраженную поглощательную способность.

Рис. 10.4. Схемы прохождения солнечной радиации через различные типы остекления: а — обыкновенное стекло; б — теплопоглощающее стекло; в — теплопоглощающее стекло в сочетании с обычным

Несмотря на то, что механические и физические свойства силикатного теплопоглощающего стекла близки к свойствам обычного листового строительного стекла, при устройстве остекления с теплопоглощающим стеклом возникает ряд специфических требований, предъявляемых к таким ограждениям.

Обычное строительное силикатное стекло хорошо пропускает ИК лучи длиной до 2000 нм. Резкое снижение пропускания ИК части спектра наблюдается у него в зоне λ = 20003000 нм, а при λ = 5000 нм оно падает практически до нуля. Вместе с тем в солнечном излучении, доходящем до земли, присутствуют ИК лучи с длиной волны от 750 до 2500 нм. Таким образом, оказывается, что оконное стекло практически не задерживает и хорошо пропускает всю тепловую радиацию Солнца.

Для того чтобы силикатное стекло поглощало тепловые лучи, в его состав вводятся химические соединения, обладающие способностью поглощать ИК часть спектра. К таким соединениям относятся оксиды меди, кобальта, никеля и железа. В то время как присутствие в стекле оксидов меди, кобальта и никеля приводит к снижению пропускания не только ИК радиации, но и

119

При введении определенного количества восстановителя цвет стекла изменяется с желтовато-зеленоватого на голубой. При дальнейшем увеличении восстановителя появляется желто- вато-зеленоватое, а затем и грязно-желтое окрашивание.

Появление желтой окраски связано с образованием сернистого железа. Даже малые доли процента серы в составе стекла способны вызвать желтую окраску. Появление сернистого железа наблюдается при избыточном применении восстановителей при использовании для варки стекла даже весьма чистых материалов. Образование сернистого железа можно свести к минимуму введением в состав стекла оксида цинка: при содержании 10-15% ZnO небольшие количества образующейся в стекле сульфида связываются с цинком.

Правильно сваренные теплопоглощающие стекла, содержащие закись железа, должны иметь голубую окраску. От количества оксида железа зависят светотехнические свойства стекла: поглощение в ИК и пропускание в видимой области спектра, причем между этими показателями имеется определенная зависимость.

Стекла с уменьшенным пропусканием можно легко получить, увеличивая толщину стекла. Если же необходимо получить 3-6-мм стекла с одинаковым пропусканием, то содержание Fe2O3 в них должно быть разным. Тонкое листовое стекло (толщиной около 2 мм) содержит обычно 1% Fe2O3, а витринное (толщиной 5 мм) — 0,3-0,4% Fe2O3. Таким образом, количество красителя выбирается с учетом требуемого пропускания видимого света, степени поглощения ИК радиации и необходимой толщины стекла.

10.3. Поведение стекла в области длинноволнового ИК излучения. Низкоэмиссионные стекла.

Способность стекла отражать направленное на него длинноволновое ИК излучение (в области комнатных температур) характеризуется его излучательной способностью - ε. Чем меньше ε, тем больше тепловой энергии отразится от стекла обратно в помещение. Под излучательной способностью ε понимают отношение мощности излучения поверхности к мощности излучения так называемой абсолютно черной поверхности (или абсолютно черного тела - АЧТ).

120

Для обычного оконного стекла излучательная способность ε составляет приблизительно 0,84, а у стекол с низкоэмиссионным покрытием колеблется в пределах 0,04-0,2 в зависимости от назначения и типа покрытия.

Таким образом, становится понятным термин "низкоэмиссионное стекло", т. е. стекло, имеющее низкую излучательную (эмиссионную - от англ. - emission) способность.

Рис. 10.7. Спектральная характеристика пропускания различных стекол: 1 - обычное оконное стекло, 2 - стекло с низкоэмиссионным покрытием

На рисунке показана сравнительная спектральная характеристика обычного оконного стекла и стекла с низкоэмиссионным покрытием. Из рисунка хорошо видно, что низкоэмиссионное стекло достаточно хорошо пропускает видимый свет, и почти полностью отражает тепловую энергию в длинноволновом ИК диапазоне (с длиной волны более 800 нм).

10.4. Поведение стекла в области коротковолнового ИК излучения. Солнцезащитные стекла.

Вопрос о работе стекления в области коротковолнового ИК солнечного излучения, как правило, возникает при проектировании так называемого "солнцезащитного" остекления, - проблема, актуальная не только для стран с жарким климатом, но и в условиях стран СНГ и Центральной Европы.