Научно-исследовательский раздел Описание и анализ технологического процесса

Фторидные (галогенидные) стекла – практически единственные материалы с широким диапазоном прозрачности от глубокого ультрафиолета до средней области инфракрасного спектра. Именно фторидные стекла имеют минимальный теоретический уровень собственных оптических потерь, как среди оксидных, так и бескислородных материалов. Они выделяются низким показателем преломления, малой дисперсией, минимальным уровнем релеевского рассеяния.

Области применения фторидных оптических стеклоизделий:

• элементы проходной (конструкционной) оптики ядерных установок, датчиков мощности и дозы радиационного облучения;

• легированные сцинтиллирующие стекла для одновременной селективной (раздельной) регистрации нейтронного и гамма-излучений радионуклидов;

• фторидные (галогенидные) световоды с низкими оптическими потерями для создания элементной базы инфракрасного приборостроения.

Одним из основных способов получения бескислородных фторидных стекол является метод принудительного холодного формования под давлением. Использование экструзионных процессов широко распространено при получении профильных металлических изделий, порошковой металлургии. Горячее прессование является основой технологии ряда керамических материалов, магнитов, ферритов. Наиболее очевидное назначение высоких давлений в технологии связано, напротив, со снижением температуры получения неорганических материалов. С этой точки зрения, низкотемпературные технологии, использующие высокие давления для придания необходимой формы стеклам, а также кристаллам, составляют отдельное материаловедческое направление.

Метод принудительного холодного формования под давлением позволяет получать тонкие длинномерные заготовки и заготовки большого диаметра, что практически невозможно в литьевых методах. При этом отпадает необходимость в повторном плавлении стекла, что особенно важно для фторидных стекол, обладающих высокой склонностью к кристаллизации. Кроме того, изделия из фторидных стекол, полученные методом «принудительного холодного формования под давлением» вследствие горячей полировки имеют полированную поверхность, тогда как образцы, полученные методом литья – кованную. Альтернативой этому методу могло бы быть перетягивание. Однако при вторичном плавлении снижается качество образца и увеличивается вероятность кристаллизации.

Фторидные стекла отличаются многокомпонентностью, которая позволяет дозировать их редкоземельными элементами (РЗЭ), что необходимо для создания радиационно-чувствительных материалов.

Применение низкотемпературных технологий давно является необходимостью при разработке легкокристаллизующихся стекол. В большинстве случаев для них невозможно использовать традиционные стекольные технологии. Уникальные свойства многих легкокристаллизующихся стекол до настоящего времени остаются практически невостребованными из-за развития кристаллизационных явлений в этих стеклах при получении из них габаритных стеклоизделий – стержней, трубок, двухслойных преформ. Для оптических волокон недопустимы даже начальные стадии образования микрокристаллов. Предкристаллизация может на несколько порядков ухудшить оптические и механические их свойства.

Физико-химические принципы холодного получения стекол основаны на формовании стеклоизделий на нижней границе температурной, далекой от опасных Таммановских, зоны зарождения и роста кристаллов. Для преодоления сопротивления высоковязкой стекольной среды необходимо принудительное формование при высоких давлениях.

Особое значение метод ПХФД имеет для получения крупногабаритных заготовок из легкокристаллизующихся стекол, к которым, в том числе, относятся фторидные стекла. Возможности обычных литьевых методов для них ограничены. Попытки введения в состав фторидных стекол ингибиторов, замедляющих зарождение и рост кристаллов в стекольной матрице, продолжаются, однако, не принесли пока ощутимых результатов.

В технологическом процессе получения фторидных стекол методу холодного давления предшествует синтез фторидного стекла. В результате на предыдущей стадии получаются заготовки необходимых свойств и размеров.

Синтез фторидного стекла, предназначенного для экструзии, проводят в стандартных условиях. После извлечения готового модуля его тщательно осматривают на предмет выявления дефектов – кристаллизации или непровара. После визуального осмотра модуль режется на образцы диаметром не более и высотой не более , которые затем тщательно шлифуются и полируются. Подготовленный таким образом образец помещается в матрицу, которая, в свою очередь, после сборки устанавливается в пресс-камеру, закрываемая крышкой. Все болты на крышке камеры должны быть тщательно закручены во избежание подсоса воздуха.

Процесс формования стеклоизделий в методе ПХФД протекает в две стадии:

1. деформационное прессование, моллирование;

2. экструзионное формирование стеклоизделия.

Рис. 1. Блок-схема получения фторидных стержней

На стадии моллирования стекломасса разогревается до температуры и находится в зоне , заполняет объем и принимает форму матрицы. Одновременно происходит выделение растворенных газов с образованием свободного объема в виде пор, которые под давлением замещаются подвижной стекломассой. Основная роль высокого давления, кроме движущей силы формования, заключается в снижении температуры формования стекла, так как процесс должен осуществляться в области температур далеких от опасных зон зарождения и роста кристаллов.

После завершения моллирования высоковязкая стекломасса, находящаяся при низкой температуре и высоком давлении, экструдируется через фильеру. На стадии экструзионного формирования стержня стекло проходит сквозь фильерное отверстие, образуя длинномерный стержень. Стадии моллирования и экструдирования четко разграничены по фактору времени и давления. Завершение моллирования сопровождается прекращением усадки. Формование стержня начинается только после достижения высокого давления при экструдировании.

Основополагающим преимуществом разработанной технологии ПХФД является то, что она обеспечивает оптическое качество боковой поверхности длинномерных стеклоизделий. Отпадает необходимость в оптико-механической обработке или химической полировке штабиков.

Метод, разработанный для легкокристаллизующихся стекол, был использован для создания низкотемпературной технологии получения фторидных стеклоизделий – тонких длинномерных стержней, преформ, а также цилиндрических изделий большого диаметра, что практически невозможно в литьевых методах. Для фторидных стекол с их высокой склонностью к кристаллизации любое повторное плавление стекла является нежелательным. Альтернативой этому методу могла бы быть перетяжка габаритного блока цилиндрической формы. Однако при размягчении больших объемов стекла неизбежно проявление процессов объемной и поверхностной кристаллизации. В методе ПХФД температура экструдируемого стекла существенно ниже, чем температура в луковице при перетяжке. Использование вакуумной пресс-камеры, сводит к минимуму процессы гидролиза, а боковая поверхность образцов является полированной.

Технологическая схема получения фторидных стержней методом ПХФД включает в себя следующие основные стадии:

• синтез стекла;

• термоградиентное, механоактивируемое формование стекольного цилиндрического модуля;

• оптико-механическую обработку;

• перемещение в вакуумную пресс-камеру;

• основные процессы «холодного» формования стеклоизделий под давлением – моллирование и экструзия.

Конструктивно-технологическое решение метода ПХФД основано на проведении процессов деформационного прессования и экструдирования в вакуумных пресс-камерах с наружным расположением нагревательной печи. Обобщенные показатели процесса получения фторидных стержней:

• температура моллирования – ;

• скорость усадки – ;

• температура экструдирования – ;

• прессовое усилие – .

Технология позволила получить уникальные фторидные стеклоизделия – длинномерные стержни с диаметром и длиной с оптическими потерями менее .