Оптическое материаловедение и

121

Как видно из спектральной характеристики пропускания различных стекол обычное оконное стекло пропускает ИК солнечное излучение почти так же хорошо, как и видимый свет. В спектре ИК излучения характеристики обычного оконного стек-

ла соответственно равны: τ = 0,82; ρ = 0,07; α = 0,11.

Тепло, поступающее в помещение за счет солнечной радиации, аккумулируется внутренними стенами и перекрытиями, что приводит к их перегреву, неблагоприятно ощущаемому человеком. Создается так называемый "парниковый эффект". Аналогичные ощущения можно испытать в автомобиле, долгое время простоявшем на солнце, при аккумуляции тепла салоном.

Согласно уравнению распределения излучения идея солнцезащитного остекления состоит в понижении его пропускания τ в ИК спектре с соответствующим увеличением отражения или поглощения солнечной энергии.

Аналогично работе стекла в длинноволновом ИК диапазоне, отражение или поглощение солнечного тепла достигается за счет использования металлов или их оксидов, вводимых в

массу стекла или напыляемых в качестве покрытия. Оксиды железа, меди или кобальта, вводимые в стекломассу, окрашивают стекло в зеленовато - голубоватые или серые тона. Стекла, окрашенные в массе, обычно определяются в специальной литературе как "теплопоглощающие" и имеют осредненные характеристики, близкие к следующим значениям: τ = 0,19; ρ = 0,08; α = 0,73. Высокое значение α характеризует способность таких стекол поглощать солнечную энергию.

Стекла с солнцезащитными покрытиями имеют характерную окраску в отраженном свете и классифицируются в литературных источниках как "теплоотражающие". Современные технологии нанесения покрытий позволяют получить практически неограниченную цветовую гамму остекления с различной степенью яркости. Цветовые решения, особенно в фасадном остеклении, диктуются архитектурными стилями и традициями каждой страны. Так, например, в ряде стран существуют ограничения на яркость отражения солнца фасадными стеклами с точки зрения их влияния на противостоящие здания, а также на безопасность дорожного движения.

122

Солнцеотражающие покрытия, отличающиеся большим разнообразием, могут быть подразделены на две основные группы, характеризующие отражение солнечной энергии. Неселективные покрытия отражают солнечную радиацию во всем спектре солнечного излучения, включая видимый свет. Селективные покрытия пропускают видимый свет с длиной волны λ = 0,38-0,78 мкм и отражают ИК излучение с длиной волны λ = 0,78 мкм.

Неселективные покрытия выполняются на основе оксидов железа, хрома, никеля и титана; наносятся с одной или с обеих сторон стекла. Эти покрытия наносятся, как правило, по технологии "on - line" и относятся таким образом к "жестким покрытиям". Солнцеотражающий эффект неселективных стекол основан на отражении и абсорбции металлического слоя, толщиной 5-30 нм, в основном состоящего из элементов 8-й подгруппы периодической таблицы - хрома (Cr), NiCr или других сплавов. Металлический слой может быть покрыт низко абсорбирующим слоем диэлектрика или двумя слоями - с целью получения эффекта интерференции.

Селективные покрытия выполняются на основе серебряного слоя, толщиной 10-20 нм (до недавнего времени в качестве базового слоя использовалось золото).

Солнцезащитный эффект таких покрытий основан на отражении коротковолнового ИК излучения за счет наличия в покрытии свободных электронов. Работа покрытия может быть улучшена за счет дополнительных слоев из низко абсорбирующих диэлектрических материалов - олова, цинка, оксида титана, сульфата цинка и др. Эти дополнительные слои определяют цвет покрытия. Все селективные солнцезащитные покрытия относятся к так называемым "мягким покрытиям", и могут быть применены только в стеклопакетах при условии, что покрытие обращено внутрь воздушной камеры.

10.5. Стекла поглощающие ультрафиолетовые

лучи

Благотворно влияя на организм человека и животных, ультрафиолетовые (УФ) лучи разрушающе действуют на бумагу, пергамент, краски, чернила, ткани и другие материалы. По-

123

этому помещения, в которых хранятся ценные книги, картины, документы, архивные материалы и т.п., должны освещаться солнечным светом, лишенным УФ лучей. Эта цель может быть достигнута при применении остекления стеклами, поглощающими УФ лучи солнечного спектра. Такие стекла можно вырабатывать вытягиванием и прокаткой.

Стекла, поглощающие УФ лучи, могут быть двух основных типов — окрашенные в массе и с оксидно-металлическими пленочными покрытиями. В зависимости от требований, предъявляемых к условиям освещения помещений, такие стекла можно разделить на три группы.

Бесцветные стекла, поглощающие короткие и частично длинные УФ лучи с длиной волны менее 360-370 нм. Пропускание их характеризуется кривыми, изображенными на рис. 10.8,а. Эти стекла поглощают в основном УФ (невидимую) часть спектра, поэтому они совершенно бесцветны или слегка желтоваты.

Стекла, поглощающие все УФ лучи, характеризующиеся кривыми пропускания, приведенными на рис.10.8,б. Стекла частично поглощают фиолетовые и синие лучи видимой части спектра и имеют слабую желтую окраску.

Желтые стекла, поглощающие УФ, фиолетовые и синие лучи и характеризующиеся кривыми пропускания, показанными на рис.10.8,в. Стекла этой группы поглощают УФ и коротковолновое видимое излучение и могут применяться в тех случаях, когда допустимо освещение желтым светом.

Свойства стекол, поглощающих УФ излучение, полностью зависят от химического состава и тех оксидов металлов, которые входят в их состав.

124

Рис. 10.8. Спектральное пропускание стекол, поглощающих УФ лучи: а — составы стекол по Табл. 1; б — то же по Табл.2; в — то же по Табл.10.3.

Бесцветные стекла имеют в своем составе оксиды свинца, церия и ванадия, не окрашивающие стекло, но вызывающие поглощение коротких и частично длинных УФ лучей.

Составы таких стекол приведены в таблице 10.1. Таблица 10.1. Составы бесцветных стекол, поглощаю-

щих УФ лучи

Все стекла этой группы требуют окислительного режима варки и введения в шихту окислителей, что диктуется свойствами окислов PbO, CeO2 и V2O5. Стекла 1 и 2 содержат в своем составе диоксид церия. Несмотря на то, что в стекле 1 CeO2 значительно меньше, оно интенсивнее поглощает УФ лучи, чем стекло 2 с большим содержанием CeO2. Интенсивное поглощение УФ лучей вызывает оксид свинца, содержание которого в стекле 1 равно 45%. Оксид свинца при восстановительных условиях варки восстанавливается до металлического свинца. Это приводит к изменению состава стекла, и оно приобретает легкую серую окраску. Поэтому варить данное стекло надо в окислительных условиях с введением в шихту окислителей.

Церий образует два основных оксида — закись Ce2O3 и окись CeO2.

В стекле оба оксида находятся в равновесии, которое сдвигается в сторону Ce2O3 при варке в восстановительных условиях и в сторону CeO2 при окислительных условиях варки. Стекла с CeO2 бесцветны, а с Ce2O3 имеют слабую желтую окраску. Для лучшего пропускания видимого света желателен сдвиг равновесия в сторону CeO2, что обеспечивается окислительными условиями варки.

Аналогично церию ванадий в стекле находится также в двух степенях окисления — V2O3 и V2O5. Стекла с V2O5 менее

125

интенсивно окрашены, поэтому для ванадиевых стекол также требуется окислительный режим варки.

Стекло 3 имеет состав обычного оконного стекла, в которое для поглощения УФ лучей введен пятиоксид ванадия. При толщине 2,71 мм стекло пропускает 83,4% в видимой части спектра.

Близким ему по основному составу можно считать стекло 4. Оно окрашено полиритом, который является отходом производства диоксида церия и содержит около 50% CeO2 и 50% оксидов других редкоземельных металлов и применяется для полировки стекла, откуда он и получил свое название. Стекло, окрашенное в слабый серый цвет, хорошо поглощает УФ лучи с длиной волны короче 360 нм. Пропускание его в видимой части спектра составляет 76% при толщине 2,7 мм.

Стекла, составы которых приведены в табл.10.2, а графики пропускания на рис.10.8,б, относятся ко второй группе строительных стекол, полностью поглощающих УФ часть спектра.

Таблица 10.2. Составы стекол, полностью поглощающих УФ часть спектра

Стекло 2, окрашенное сернистым кадмием с небольшой добавкой селена, по своим светотехническим характеристикам предпочтительнее стекла 1. Так, при хорошем поглощении УФ лучей оно имеет 90% пропускания в видимой части при толщине стекла 5 мм, в то время как стекло 1 толщиной 2 мм пропускает всего 77%. Однако стекло 1, окрашенное оксидами хрома, не содержит дорогостоящих компонентов, что позволяет рекомендовать его в качестве строительного стекла.

Как и стекла первой группы, стекло с оксидом хрома должно вариться в окислительных условиях с введением в шихту окислителей. В процессе варки хром образует в стекле два вида оксидов — Cr2O3 и CrO3. Стекла с CrO3 более интенсивно поглощают УФ лучи и больше пропускают видимый свет. Сдви-

126

гу равновесия в сторону CrO3 способствуют окислительные условия варки и введение в шихту окислителей.

Третья группа стекол, составы которых приведены в Табл. 10.3, а графики пропускания — на рис.10.8,в, являются по существу светофильтрами, поглощающими не только всю УФ часть спектра, но и значительную часть фиолетовых и синих лучей.

Стекло 1 этой группы отличается от стекла 2 второй группы лишь большим содержанием селена, что приводит к существенному смещению пределов пропускания стекла в сторону длинноволновой части спектра. Эти стекла, хотя и обладают хорошими светотехническими свойствами, требуют для производства дорогих и дефицитных материалов — сернистого кадмия, селена, цинковых белил.

Более перспективными являются стекла 2 и 3: в их состав не входят дефицитные материалы, а стекло имеет достаточно высокий коэффициент пропускания в видимой части спектра (70% при толщине 3 мм). Стекло 3 можно применять для нужд железнодорожного транспорта.

Довольно большой ассортимент стекол, отличающихся избирательной способностью поглощения УФ участка спектра, позволяет проектировщикам и строителям выбирать вид стекла, соответствующий по своим светотехническим характеристикам требованиям к естественному освещению конкретного объекта.

Стекла первой группы практически бесцветные. Они интенсивно поглощают коротковолновую часть УФ лучей, особенно активно разрушающих бумагу, краски, чернила и ткани. Их целесообразно применять для остекления светопроемов в библиотечных залах, картинных галереях и музеях, в лабораторных помещениях для устройства экранирующих перегородок с постоянным или продолжительным пребыванием людей. При применении таких стекол не меняется спектральный состав видимого света и не искажается цветопередача предметов.

Стекла второй и тем более третьей группы следует использовать преимущественно для устройства остекления в помещениях, где необходимо полностью исключить влияние УФ излучения: в книгохранилищах, архивах, запасниках музеев.

129

нию царапин в процессе эксплуатации, но этот недостаток устраняется путем нанесения упрочняющих покрытий.

Астигматические линзы предназначены для устранения цилиндрических отклонений формы хрусталика и роговицы глаза.

Бифокальные линзы созданы в помощь людям с различным зрением вблизи и в даль. Они состоят из двух линз с различными фокусными расстояниями.

Прогрессивные линзы – это современный улучшенный вариант бифокальных линз. В центральной части таких линз есть участок шириной 4-7 мм, в котором показатель преломления плавно меняется. Это позволяет людям прекрасно видеть предметы с различным удалением.

Минеральные высокопреломляющие линзы появились раньше органических, однако то, что увеличение показателя преломления у них было связано с добавлением свинца, привело к увеличению веса линз. Когда появились первые пластиковые линзы из CR-39 с показателем преломления 1,498, то на их основе было разработано большое разнообразие материалов (Табл.10.4). Оптические пластмассы с более высокими показателями преломления из сополимеров CR-39 были созданы для получения более тонких линз высоких рефракций.

Таблица 10.4.. Свойства материалов для производства очковых линз

Все материалы с показателем преломления выше, чем у очкового стекла (1,52), но ниже, чем у поликарбоната (1,59) стали называть материалами со средними значениями показателя

131

преломления. Материалы, начиная с поликарбоната и включая минеральные стекла с показателем преломления 1,9, отнесли к высокопреломляющим или высокоиндексным линзам.

Чем больше показатель преломления, тем тоньше линза. Но для минеральных линз при этом характерно возрастание удельного веса (добавление свинца и т.п.), в результате чего линза, в половину тоньше обычной, может весить столько же, сколько линза из стандартного очкового стекла. Органическим материалам это также свойственно.

Низкое число Аббе высокопреломляющих линз приводит к хроматическим абберациям в периферийной области линз. Но с этим явлением следует считаться, начиная с оптической силы +- 7,0. Решается эта проблема с помощью оправ с небольшими световыми проемами.

Более высокий показатель преломления материала способствует уменьшению его светопропускания и увеличению количества отраженного света (Табл. 10.5). Эта проблема устраняется с помощью нанесения просветляющих покрытий. Суммарное отражение от обеих поверхностей можно уменьшить до 1%.

Таблица 10.5. Отражение от поверхности очковых линз в зависимости от показателя преломления

Просветляющие покрытия являются многослойными интерференционными, равномерно уменьшающие отражение от каждой поверхности линзы во всем видимом спектральном диапазоне до 0,5% (см. рис.10.10). В результате устраняются блики видимого изображения, возникающие из-за переотражения от поверхностей линз. Такие линзы практически полностью блокируют вредное ультрафиолетовое излучение (рис.10.10). Про-

132

светляющие многослойные покрытия наносятся на поверхности линз методом напыления в вакуумных установках.

Рис. 10.10. Спектральное отражение стекла.

Линзы с просветляющим покрытием в обязательном порядке рекомендуются для высокопреломляющих линз (потери из-за отражения которых значительны), а также при использовании очков в условиях недостаточной освещенности, при вождении в вечернее и ночное время, при выполнении работ, связанных с высоким напряжением глазных мышц (работы с мелкими предметами, на компьютере, просмотр телевизора и т.п.). Также подобные линзы необходимы при съемках в кино и на телевидении, т.к. устраняются блики на линзах, а также всем, кто хочет хорошо видеть и хорошо выглядеть.

Рис. 10.11. Спектральное пропускание стекла.

133

Увеличение светового проема очковых оправ и, следовательно, размера линз приводит к возрастанию искажения изображения по краю (рис.10.11). Эти искажения называются краевым астигматизмом. Сферические линзы с сильными положительными рефракциями имеют большую толщину по центру и вес.

Для устранения этих недостатков были созданы линзы с асферическим дизайном. Они обеспечили линзам меньшую толщину, вес и косметическую привлекательность – меньше выдаются за рамку оправы. Более того, асферические линзы обеспечивают значительно лучшее зрение в периферийной части

(рис.10.12).

Рис. 10.12. Сферическая и асферическая линзы. Асферический дизайн позволяет уменьшать оптическую

силу линз от центра к периферии, что обеспечивает более высокую остроту зрения при существенном уменьшении зрительного комфорта. Косметические преимущества очевидны начиная с аметропии +- 3,0 и выше. Размер глаз при ношении таких линз не искажается. Асферические линзы не искажают видимые размеры окружающих предметов (положительные сферические линзы размеры увеличивают, а отрицательные – уменьшают). К недостаткам асферических линз можно отнести увеличение отражения от их более плоских поверхностей. Поэтому рекомендуется наносить просветляющие покрытия.

Фотохромные линзы темнеют под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечного света (на открытом воздухе) и светлеют при ее отсутствии (в помещении). Современные минеральные и пластиковые линзы являются надежной за-

134

щитой от УФ излучения. Внесение фотохромных элементов в линзы дополняет защиту и снижает яркость пропускаемого света. Основными параметрами фотохромных линз являются зависимость от температуры, длительность сохранения фотохромных свойств, скорости затемнения и осветления.

Степень затемнения зависит от температуры окружающей среды и интенсивности УФ излучения. Чем ниже температура окружающей среды, тем эффективнее потемнение линз. Время, за которое поглощение проходящего света достигает 6085% составляет порядка 30 секунд, просветление занимает больший промежуток времени – примерно 5 минут.

Первые образцы поляризационных линз были изготовлены еще в 1929 г. Принцип действия поляризационных линз основан на пропускании только света с определенным направлением поляризации. Поэтому такие линзы автоматически имеют 50% пропускание.

Основой поляризационных линз является поляризационная пленка, линейные молекулярные цепочки которой имеют одинаковую направленность. Современные минеральные и пластиковые линзы изготавливают либо с нанесением тонкой пленки поляризатора на поверхность, либо ее размещением между двумя линзами. На самом деле структура подобных линз может быть и сложнее: с упрочняющими покрытиями и ультрафиолетовой защитой. Внесение добавок позволяет получать различные цвета линз.

Последней новинкой являются фотохромные поляризационные линзы, позволяющие понизить светопропускание под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения.

135

Лекция 11 Органическое стекло

Органи́ ческое стекло́ (оргстекло́), или полиметилметакрилат (ПММА) — синтетический полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик, продаваемый под торговыми марками плексиглас, лимакрил, перспекс, плазкрил, акрилекс, акрилайт, акрипласт и др., также известный под названием акриловое стекло или акрил.

История

Материал под маркой Plexiglas создан в 1928 году, с 1933 года началось его промышленное производство фирмой «Röhm and Haas Company» (Дармштадт), в настоящее время Röhm GmbH. Появление органического стекла (в то время "плексиглас") в период между двумя мировыми войнами было востребовано бурным развитием авиации, непрерывным ростом скоростей полёта всех типов самолётов и появлением машин с закрытой кабиной пилота (экипажа). Необходимым элементом таких конструкций является фонарь кабины пилота. Для применения в авиации того времени органическое стекло обладало удачным сочетанием необходимых свойств: оптическая прозрачность, безосколочность, т. е. — безопасность для лётчика, водостойкость, нечувствительность к действию авиационного бензина и масел. В СССР отечественный плексиглас-оргстекло был синтезирован в 1936 году в НИИ Пластмасс. В годы Второй мировой войны органическое стекло широко применялось в конструкциях фонаря кабины, турелей оборонительного вооружения тяжелых самолетов, элементов остекления перископов подводных лодок.

В наши дни теплостойкие фторакрилатные органические стекла используются в качестве легких и надежных деталей остекления высокоскоростных самолетов ОКБ «МиГ» в сочетании с высокопрочными конструкциями из алюминиевых, титановых сплавов и сталей, — работоспособны при температурах эксплуатации 230—250°C.

Тем не менее, полимеры только частично способны заменять термостойкие стёкла повышенной прочности — в большинстве случаев они употребимы только в виде композитов.

136

Развитие авиации подразумевает полёты в верхних слоях атмосферы и гиперзвуковые скорости, высокие температуры и давление, когда органическое стекло вообще неприменимо. Примером тому могут служить летательные аппараты, сочетающие в себе качества космических кораблей и самолётов — «Спейс Шаттл» и «Буран».

Существуют органические альтернативы акриловому стеклу — прозрачные поликарбонат, поливинилхлорид и полистирол.

Свойства

Эти органические материалы только формально именуются стеклом, и относится к совершенно иному классу веществ, о чём говорит и само название, и чем в основном определяются ограничения свойств, и, как следствие того — возможностей применения несопоставимых со стеклом по многим параметрам; оранические стекла способны приблизиться по свойствам к большинству видов неорганических стёкол только в композитных материалах, однако огнеупорными они уже никогда не будут; стойкось к агрессивным средам органических стёкол также определяется значительно более узким диапазоном.

Тем не менее, материал этот, когда его свойства дают очевидные преимущества (исключая специальные виды стёкол), используется как альтернатива силикатному стеклу. Различия в свойствах этих двух материалов следующие:

ПММА легче: его плотность (1190 кг/м³) приблизительно в два раза меньше плотности обычного стекла;

ПММА более мягок чем обычное стекло и чувствителен

кцарапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких

кцарапинам покрытий);

ПММА может быть легко деформирован при температурах выше 100°C; при охлаждении в воде приданная форма сохраняется;

ПММА легко поддаётся механической обработке обычным металлорежущим инструментом;

ПММА лучше, чем неспециальные, разработанные с этой целью виды стёкол, пропускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, отражая при этом инфракрасное; свето-

137

пропускание оргстекла несколько ниже (92—93 % против 99 % у лучших сортов силикатного);

ПММА не устойчив к действию спиртов, ацетона и бен-

зола.

Существует два типа оргстекла — литьевое и экструзи-

онное.

Оргстекло (акриловое стекло, полиметилметакрилат (ПММА)) – продукт полимеризации метилметакрилата.

Химический состав стандартного оргстекла у всех производителей одинаков. Другое дело, когда необходимо получить материал с разными специфическими свойствами: ударопрочными (антивандальными), светорассеивающими, светопропускающими, шумозащитными, УФ-защитными, теплостойкими и др. Тогда в процессе получения листового материала может быть изменена его структура или в него могут быть добавлены соответствующие компоненты, обеспечивающие комплекс необходимых характеристик.

Получение оргстекла.

Оргстекло получают двумя способами: экструзией и литьем. Сам способ производства накладывает ряд ограничений и определяет некоторые свойства пластика. Экструзионное оргстекло - от англ. exstrusion, от нем. Extrudiert - получают методом непрерывной экструзии расплавленной массы гранулированного ПММА через щелевую головку с последующим охлаждением и резкой по заданным размерам. Блочное (в России утвердился термин "литьевое" - от англ. cast) - получают методом заливки мономера ММА между двумя плоскими стеклами с дальнейшей его полимеризацией до твердого состояния.

Особенности экструзионного оргстекла по сравнению с литым оргстеклом: ряд возможных толщин листов меньше, что определяется возможностью экструдера, возможная длина листов больше, разнотолщинность листов в партии меньше (допуск по толщине 5% вместо 30% у литого акрила), меньшая ударостойкость, меньшая химическая стойкость, большая чувствительность к концентрации напряжений, лучшая способность к склеиванию, меньший и более низкий диапазон температур при термоформовке (примерно 150-170°С вместо 150-190°С),

138

меньшее усилие при формовке, большая усадка при нагреве (6% вместо 2% у литого акрила).

Основные преимущества оргстекла: высокая свето-

пропускаемость - 92%, которая не изменяется с течением времени, сохраняя свой оригинальный цвет сопротивляемость удару в 5 раз больше, чем у стекла при одинаковой толщине оргстекло весит почти в 2,5 раза меньше, чем стекло, поэтому конструкция не требует дополнительных опор, что создает иллюзию открытого пространства устойчиво к действию влаги, бактерий и микроорганизмов, поэтому может использоваться для остекления яхт, производства аквариумов экологически чистое, при горении не выделяет никаких ядовитых газов возможность придавать разнообразные формы при помощи термоформования, без нарушения оптических свойств, с прекрасной деталировкой механическая обработка осуществляется с такой же легкостью, как и обработка дерева устойчивость во внешней среде, морозостойкость пропускает 73% ультрафиолетовых лучей, при этом УФ-лучи не вызывают пожелтения и деградации акрилового стекла устойчивость в химических средах электроизоляционные свойства подлежит утилизации Недостатки оргстекла: склонность к поверхностным повреждениям (твердость 180-190 Н/мм2) технологические трудности при термо- и вакуумформовании изделий - появление внутренних напряжений в местах сгиба при формовке, что ведет к последующему появлению микротрещин легковоспламеняющийся материал (t воспламенения 260 град.)

Стойкость к химическим воздействиям:

На оргстекло воздействуют разбавленные фтористоводородные и цианистоводородные кислоты, а также концентрированные серная, азотная и хромовая кислоты. Растворителями оргстекла являются хлорированные углеводороды (дихлорэтан, хлороформ), альдегиды, кетоны и сложные эфиры. На оргстекло также воздействуют спирты: метиловый, бутиловый, этиловый, пропиловый. При непродолжительном воздействии 10% этилового спирта взаимодействие с оргстеклом отсутствует.

Способы обработки: сверление нарезание резьбы резьбовое соединение фрезерование обработка на токарном станке обработка резанием пемзование шлифование полирование фор-

139

мование втягивание вдувание сгибание охлаждение отжиг стыкование склеивание сварка окрашивание и металлизация.

Применение оргстекла. Полимерные оптические волокна.

Оптические волокна по виду применяемого материала можно разделить на волокна из неорганического и органического стекла. Неcмотря на то, что достигнут значительный прогресс в производстве оптических волокон высокой прочности из неорганических стекол, их небольшое относительное удлинение при разрыве ограничивает диаметр волокна, исходя из практических требований к радиусу изгиба. Кроме того, поверхность световода из стекла необходимо защищать от влияния внешней среды с помощью полимерного покрытия.

Полимерные оптические волокна (ПОВ) обладают исключительной гибкостью при относительно больших диаметрах и способностью выдерживать без разрушения многократный изгиб. Так, радиус изгиба ПОВ диаметром 0,75 мм определяется оптическими, а не механическими свойствами. При диаметре 1,5

мм минимально допустимый радиус изгиба этих материалов равен 8 мм. Кроме того, они обладают малой плотностью, хорошей механической прочностью, радиационной стойкостью, технологичны. Из существующих типов оптических волокон наибольшее относительное удлинение имеют полимерные волокна (рис. 1). В частности, ПОВ из метилметакрилата могут выдерживать обратимые деформации, равные 13%. У более хрупких полимеров, таких, как полиэфир, упругая деформация составляет 6%. Путем предварительной ориентации молекул полимера можно подавить рост микротрещин и увеличить эластичность.

Показатель преломления изменяется от 1,32 - для материалов на основе акрилатов со значительными добавками фтора; до 1,6 - для некоторых фенольных смол. Большой апертурный угол (около 60°) облегчает процесс согласования ПОВ при их соединении, что снижает требования к точности изготовления элементов соединителя. Оптические соединители для ПОВ изготовляют из термопластичных материалов методом литья под давлением, что снижает их стоимость. Высокие оптические потери и температурный коэффициент линейного расширения

140

(ТКЛР), низкая абразивная прочность, склонность к быстрому старению, малый коэффициент широкополосности сужают область их применения. В основном они используются в системах связи и освещения, автомобилестроении, медицине, для изготовления датчиков, информационных табло и панелей, бытовых электроприборов и пр.

Рис. 11.1. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении в оптических волокнах от относительного удлинения: 1 - кварцевое волокно, 2 - полимерное волокно с сердечником из полиметилметакрилата

ПОВ применяются в локальных волоконно-оптических системах связи на участках длиной до 3 км, а также для внутриобъектовой связи. Стоимость кабелей на их основе на 70-90% дешевле, чем кабелей на основе кварцевых волокон.

На основе ПОВ изготовляют гибкие изолирующие вставки, которые применяются на электрических подстанциях для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего системы управления мощными выключателями.

Высокая гибкость ПОВ позволяет выпускать волокна диаметром свыше 400 мкм, что облегчает условия ввода в них излучения и стимулирует их применение.

Оптические свойства полимеров