Без кварцевого стекла невозможна точная работа спутников, мощных лазеров и современной микроэлектроники. Из него делают иллюминаторы космических кораблей, линзы в оборудовании для печати микрочипов и чувствительные элементы навигационных гироскопов — те самые детали, что отвечают за ориентацию в пространстве.
В чем же секрет этого материала? Обычное оконное стекло делают из смеси песка, соды и извести. Соду и известь добавляют, чтобы удешевить производство: они снижают температуру плавления и придают материалу прочность. Но именно эти добавки и неизбежные примеси лишают стекло термостойкости, прозрачности для ультрафиолета и способности сохранять форму при перепадах температур.
Кварцевое стекло устроено иначе — это практически чистый оксид кремния. Тот же песок, только из него убрали все лишнее и расплавили при температуре почти в две тысячи градусов. Благодаря такой чистоте оно выдерживает нагрев выше тысячи градусов и не размягчается, свободно пропускает даже жесткий ультрафиолет и почти не меняет размеры при нагреве и охлаждении.
Эти три свойства напрямую определяют, где и как применяется материал. У спутника есть несколько иллюминаторов — по сути, это окна из кварцевого стекла, вмонтированные в корпус. Один может быть обращен к палящему солнцу, другой — в ледяной космический вакуум, при этом каждый из них одной поверхностью контактирует с открытым космосом, а другой — с герметичным отсеком, где поддерживается нормальная температура. Перепад в сотни градусов обычное стекло разрывает или заставляет помутнеть, кварцевое же остается целым и прозрачным.
В мощном лазере стоят линзы и защитные окошки из кварцевого стекла, через которые проходит луч. Обычный материал под таким излучением перегрелся бы, изменил форму и искривил бы луч — как кривое зеркало в комнате смеха. Кварцевое стекло не поглощает свет, не нагревается и не деформируется. Оно остается идеально ровным и прозрачным, поэтому лазер бьет точно в цель.
В навигационном приборе спутника находится крошечная вибрирующая деталь из кварцевого стекла. Ее задача — колебаться с постоянной частотой, как камертон. Если от нагрева она хоть немного изменит форму, частота колебаний собьется. Прибор перестанет точно определять свое положение, и спутник потеряет ориентацию в пространстве. Этот материал не меняет форму от тепла, поэтому ритм остается неизменным, а навигация работает без сбоев.
Долгие годы технологией производства особо чистого кварцевого стекла владели лишь несколько стран — США, Германия и Япония. Для России собственное производство такого материала — это возможность обеспечить технологическую независимость там, где без него не обойтись: в космической отрасли, лазерной технике, микроэлектронике, оптоволоконной связи, медицине и научном приборостроении.
Однако у традиционной зарубежной технологии, которая сегодня доминирует на мировом рынке и задает стандарт качества, есть свои недостатки. Во-первых, она опирается на хлорсодержащие вещества, выделяющие при производстве ядовитый газ. Это вынуждает заводы устанавливать дорогие системы очистки воздуха, да и сам процесс остается небезопасным для экологии. Во-вторых, получить стекло с высокой прозрачностью в ультрафиолете традиционным способом непросто: даже при тщательном контроле в материале могут сохраняться мельчайшие пустоты и неоднородности. Они рассеивают свет, и стекло теряет прозрачность именно в том диапазоне, который критически важен для космоса, лазеров и микроэлектроники. Чтобы справиться с этим, производители вынуждены использовать сверхчистое сырье и сложные методы очистки.
Ученые Пермского Политеха предложили новую технологию, которая решает обе эти проблемы. Она полностью отечественная, не использует хлор и позволяет получить стекло с высоким показателем пропускания в ультрафиолете. Статья опубликована в международном научном журнале Ceramics International.
Исследователи предложили добавить промежуточный этап при плавлении кварцевого стекла — высокотемпературную выдержку в вакуумной печи до температуры размягчения материала.
За это время на поверхности каждой песчинки образуется прочная кристаллическая оболочка — кристобалит, особая разновидность кварца. Зачем это нужно? При образовании кристобалита происходит формирование упорядоченной структуры материала и вытеснение избыточного кислорода. После этого сырье плавят и получают готовое изделие. Весь цикл идет в герметичной вакуумной камере, без хлора и других токсичных веществ. Затем у готового стекла измерили пропускание. Особое внимание уделили двум ключевым показателям: прозрачности в ультрафиолете и в видимой области спектра.
— Лучший образец имел пропускание в ультрафиолетовой области спектра более 80%. Это уровень лучших зарубежных аналогов, то есть кварцевое стекло остается практически идеально прозрачным, — поясняет Иван Ряпосов, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Подбор температуры и времени критически важен для получения необходимого соотношения кристаллической и аморфной фазы, которое дает при плавлении стекло с максимальным пропусканием.
— Мы впервые детально показали, как именно предварительная кристаллизация порошка в кристобалит при строго определенной температуре влияет на структуру и оптические свойства будущего стекла. Это позволило нам на практике получить материал, который по качеству не уступает мировым аналогам, — дополняет Иван Ряпосов.
Таким образом, ученые Пермского Политеха предложили экологически чистую альтернативу производства сверхчистого кварцевого стекла с качеством, сопоставимым с мировыми лидерами. Эта разработка открывает путь к созданию отечественных материалов для космической отрасли, лазерной техники и микроэлектроники — без оглядки на зарубежных поставщиков и без ущерба для окружающей среды. В перспективе технология может быть масштабирована для промышленного выпуска оптического стекла широкого назначения.