Файл: Оптические материалы и заводы оптического стекла.pdf

4. Качество перемешивания. Однородность и продолжительность перемешивания зависят от конструкции смесителей. Чем сложнее движение частиц материала внутри смесителя, тем быстрее и более однородной получится шихта.
5. Способ транспортирования и хранения. Способ транспортирования должен предотвращать расслаивание шихты. При транспортировании необходимо избегать вибраций и уменьшать длину пути перемещения шихты. При хранении и транспортировке должна исключаться возможность попадания частиц извне в шихту.
Смесители стекольной шихты:
1 – электродвигатель; 2 – главный привод; 3 – чаша; 4 – траверса; 5 – загрузочная воронка;
6 – кронштейны мешалок; 7 – лопасти мешалок; 8 – подгребная лопасть; 9 – стакан чаши;
10 – затвор; 11 – разгрузочная воронка.
Методы варки оптического стекла:
1. Варка в горшковых печах периодического действия. В методе периодической варки используются пламенные или электрические горшковые печи.
При варке в пламенных печах используют керамические горшки различной емкости.
Электрические, высокочастотные печи применяются для варки стекол, сильно растворяющих керамический огнеупор, (ТК, СТК, БФ и ТБФ). Для варки используют платиновые сосуды.
2. Варка непрерывным методом (слева). Используются ванные печи и им подобные установки для непрерывной варки с периодической и непрерывной выработкой стекла в виде полуфабриката (прутки, дроты, пластины) и готовых прессовок (для массовых заготовок).
3.

Стекловаренные горшки и мешалки:
В зависимости от состава стекла и метода варки применяются керамические, кварцевые или платиновые горшки.
В процессе варки расплав оптического стекла перемешивают керамической мешалкой пропеллерного а) или пальчикового б) типов.
Горшки и мешалки изготавливают из огнеупорных глин с высоким содержанием глинозема Al2O3 (≈ 40 масс. %). Емкость горшков 100–1000 л. Горшки имеют снаружи форму цилиндра, внутри – усеченного конуса. Диаметр превышает высоту на
25-30%. Перед использованием горшки и мешалки обжигают до t=900-1000С (1,5-3 суток).
Процесс варки оптического стекла:
1. Выводка горшка – образование плотного поверхностного слоя на стенках горшка (10–
20 ч).
2. Обмазка – покрытие горшка изнутри слоем возвратного боя (уменьшает разъедание стенок горшка).
3. Возвратный бой – отходы стекла той же марки.
Засыпка шихты (3–6 ч) ведётся послойно: смесь сырьевых материалов – бой. После засыпки каждого слоя (3–5 раз) осуществляют провар.
Осветление расплава – удаление пузырьков газа из расплава и выравнивание химического состава стекломассы за счёт перемешивания мешалкой (1-2 ч). Добившись требуемой пробы на пузыри, начинают снижать температуру печи.
Охлаждение стекломассы:
1. Плавное охлаждение с перемешиванием (скорость мешалки такая же как в конце процесса осветления). Допустимая скорость охлаждения определяется составом стекла. Ведется контроль вязкости (F) стекломассы. При F =10 Пас этап заканчивается. Перед началом второго этапа поверхность расплава хальмуют – снимают поверхностный слой вокруг стержня мешалки и у стенок горшка.
2. Число оборотов мешалки увеличивают. В течение второго этапа протекает процесс гомогенизации – процесс, при котором, физические свойства вещества (состав, плотность, давление…) становятся однородными и изотропными в пространстве.
3. Число оборотов мешалки уменьшают. При вязкости 500–1000 Пас (t = 900-1100С) открывают печь, извлекают мешалку, хальмуют и вывозят горшок. С этого момента начинают разделку стекломассы с доведением ее до комнатной температуры.
Разделка стекломассы:
1. Разделка студкой (охлаждением) в горшке (Горшок накрывают крышкой, засыпают песком. Медленное охлаждение (≈3 недели). Развал горшка – горшок разбивается, стекло разваливается на крупные бесформенные куски (сырец).)
2. Разделка отливом(Разлив стекломассы в формы площадью 2-4 м2 и толщиной 1530 см. Медленное охлаждение в печи (7–20 суток).)

После отмечают дефекты и вырезают куски годные для дальнейшей обработки.
Тонкий отжиг оптического стекла:
Отжиг стекла – термическая обработка стекла призванная уменьшить его внутренние напряжения.
Тонкий отжиг – завершающая стадия производства оптического стекла, суть которой придать стеклу требуемую оптическую однородность.
1 – Быстрый нагрев до температуры t в
тонкого отжига (до вязкости F ≈10 Пас);
2 – Выдержка. Снятие механических напряжений и оптических неоднородностей;
3 – Медленное охлаждение до t н
«ответственное охлаждение»;
4 – Быстрое охлаждение стекла до температуры помещения t к
(1,5-2 раза медленнее, чем нагрев 1)
Стекло оптическое, бесцветное: классификация оптических стёкол по химическому составу – КРОНЫ по ВаО (PbO ˂ 3%) и ФЛИНТЫ (PbO ˂ 3%)
Классификация оптических стёкол по показателю преломления и числу Аббе:
В основу классификации положены значения показателя преломления n е
(е – линия в спектре Hg (ртути) с длиной волны , равной 0,5460 мкм) и коэффициента дисперсии е (числа
Аббе).
????
????
=
????
????
′
− 1
????
????
′
− ????
????
′
где ????
′
– линия в спектре кадмия с  = 0,4800 мкм,
????
′
– линия в спектре кадмия с  = 0,6438 мкм
Химический состав оптических стёкол:
Синтетический состав стекла – состав оптического стекла, выраженный в массовых процентах окислов, вводимых в шихту через те или иные химические соединения.
Фактический состав стекла
– устанавливается исключительно химическим анализом и отличается от синтетического состава.
Причины отличия фактического состава стекла от синтетического:
1. Потери летучих компонентов;
2. Растворение варочного сосуда;
3. Наличие в сырьевых материалах примесей, не учитываемых при расчете и составлении шихты.
Химический состав кронов:
1. Силикатные (ЛК, К, БК, ТК),
2. Селикатоборатные(СТК),
3. Фосфатные (ТФК, ФК),
4. Фторфосфатные(ОК).
Химический состав флинтов:
1. Силикатные и силикатоборатные флинты (ЛФ, Ф, ТФ, СТФ, КФ, БФ, ТБФ);
2. Несиликатные флинты (ОФ)
Итог: Химический состав оптических стекол определяет всю совокупность их оптико- физических, технологических и физико-химических свойств. Только термическая обработка стекла в той или иной мере отражается на показателе преломления, плотности, прочности и некоторых других свойствах. Но при постоянном термическом прошлом свойства стекла зависят только от его химического состава.
Если при одинаковых значениях n e
и 
e двух стекол их химический состав различен, то им присваиваются различные марки.

Оптическое цветное стекло
Оптическим диапазоном спектра:от ≈ 1 мм до ≈ 1 нм
Видимая область спектра: ≈ от 400 (фиол) нм до 780 (красн) нм
Цветное оптическое стекло – бесцветное оптическим стекло, в синтетический состав шихты которого введены красящие вещества (красители).
Молекулярные красители – оксиды металлов (Со, Си, Mn, Fe, Mo, Те, Cr, Va, W, Ti, Ni и др.). При варке стекла они полностью растворяются в его основе. Избирательное поглощение света в стекле вызывается резонансными колебаниями электронов красителей. Характер спектральной кривой пропускания у стёкол, окрашенных молекулярными красителями, при изменении концентрации красителя практически не меняется, изменяется лишь пропускание.
При вторичной термообработке окраска таких стёкол не изменяется.
Коллоидные красители – кристаллы металлов (Se, Cd, Au, Ag и др), окраска которыми основана на избирательном рассеянии света частицами красителей. Стёкла содержащие коллоидные красители в атомарном состоянии, бесцветны. Окраска появляется в результате роста кристаллов металла при вторичной термообработке «наводке».
Классификация цветных оптических стёкол:

Цветное стекло является основой для изготовления светофильтров.
Светофильтр – плоскопараллельный слой оптически прозрачной среды, обладающей избирательным пропусканием света. Примеры:
1.Стекла типа ЖС и ОС применяются для повышения контрастности изображения в условиях пониженной видимости. Применяют в системах наблюдения.
2. Нейтральные стекла НС используют в фотометрии и спектрометрии для общего ослабления света.
3. Красные стекла КС – в оптической пирометрии и фотографии.
Основные нормируемые показатели цветных стёкол:
Показатель поглощения  а(), определяемый для слоя стекла толщиной 1 мм для длин волн излучения, заданных для каждой марки стекла (стекла, окрашенные молекулярными красителями); показатель поглощения  а(
0
), для слоя стекла, равного толщине светофильтра
(стекла, окрашенные сульфоселенидами и сульфидами металлов); двулучепреломление;
пузырность; бессвильность. Также: спектральные кривые коэффициента внутреннего пропускания стекол в слоях различной толщины; показатели преломления n
e
; группы химической устойчивости; среднее число пузырей и их минимальный размер, с которого начинают подсчет числа пузырей в стекле каждой марки; оптический коэффициент напряжения; плотность и т. д.
Кварцевое оптическое стекло
Кремнезём - двуокись кремния (SiO
2
)
Кварц - природный кремнезём (диоксид кремния SiO
2
).
Кварцевое стекло - однокомпонентное силикатное стекло, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма – горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. Основу микроструктуры кварцевого стекла составляют кремний-кислородные тетраэдры [SiO
4
]
4-
. Эти тетраэдры, соединяясь друг с другом через ионы кислорода, образуют сплошные трехмерные сетки. Дальний порядок (т. е. строгая периодичность) в расположении тетраэдров отсутствует, что является признаком аморфного тела.
Проблемы, связанные с получением оптического кварцевого стекла в промышленных масштабах:
1. Вязкость расплавленного кварца, даже при очень высоких температурах (2000 °C и более), слишком велика, для того чтобы пузырьки воздуха, заключенные в нём, могли подняться на поверхность.
2. При температурах, соответствующих варки кварцевого стекла, расплавленный кремнезём взаимодействует с большинством материалов, которые находятся в твёрдом агрегатном состоянии при этих температурах (могут быть использованы для тиглей).
Способы производства кварцевых стёкол:
1. Электротермический (получают кварцевое стекло в вакуумных тигельных и стержневых электропечах, а также в тигельных печах в среде быстро диффундирующих газов – Не, Н2);
2. Газопламенный;
3. Плазменный;
4. Парофазный.
Вакуумные тигельные печи (индукционные и печи сопротивления): при плавке крупку кремнезема засыпают в графитовый или молибденовый тигель, тигель помещают внутрь печи сопротивления или индукционной.
Плавка происходит при температуре 1750 градусов в вакууме. Для получения стекла оптического качества в конце плавки в печь подаётся газ, не взаимодействующий с тигелем и кварцем, с целью выбить пузырьки.

Плавка в стержневых вакуумных электропечах (в роторных
горизонтальных стрежневых печах и вертикальных стрежневых
печах):
- При варке в РГСП крупку засыпают во вращающийся металлический цилиндр и центробежными силами плотно прижимают её к стенкам. В центре в полость помещают графитовый стержень – нагреватель. Плавка происходит в гарнисажном слое. Заготовки получаются в виде трубок.
- При варке в ВСП графитовый стержень – нагреватель размещают вдоль оси печи и надевают на него трубку из кварцевого стекла. Пространство между трубкой и стенками печи засыпают кварцевой крупкой. Плавка происходит в гарнисажном слое. Модификация – замена вакуума на среду быстро дефундирующих газов в расплаве SiO
2
(Н или Не).
Газопламенный или плазменный способы получения кварцевого
стекла: крупка подаётся на поверхность расплавленного кремнезёма, разогретую кислородно-водородным пламенем, температура факела 2100-2200 градусов. Пролетая через пламя, крупка плавится за доли секунды. Пролетая через факел газовые включения не успевают скрыться и кремнезём не успевает испариться.
Попадая на более холодную поверхность заготовки, частицы SiO
2
растекаются по ней, но не перемешиваются с другими слоями
(слишком большая вязкость). Наплавление происходит послойно, поэтому присутствует слоистая неоднородность и пузырность. Рисунок: 1 – муфель; 2 – горелка; 3 – узел крепления и вращения затравки; 4 – привод; 5 – транспортер; 6 – люнеты; 7 – подвижные опоры люнет;
8 – устройство подачи кварцевого сырья; 9 – затравка; 10 – заготовка.
Плазменный способ – вместо факела кислородно-водородного пламени используют факел высокочастотной плазмы, при этом газоноситель плазмы – аргон, азот или их смесь.
Парофазный способ получения кварцевого стекла: при парофазном синтезе SiO2 с использованием реакционной парогазовой смеси применяют, в основном, два метода:
1. парофазный гидролиз SiCl4 в пламени горелки
2. окисление SiCl4 в кислородной ВЧ-плазме.
Свойства кварцевых стёкол:
1. Высокая механическая прочность (по сравнению с оптическим стеклом);
2. Высокая пропускающая способность в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра;
3. Высокая термостойкость;
4. Негигроскопичность;
5. Устойчивость к действию кислот
(кроме плавиковой
HF) и воды.