микоп. КонспектЧ1. Оптические материалы и заводы оптического стекла
 Скачать 3.13 Mb.
|
|
Оптические материалы и заводы оптического стекла Оптические материалы:первоначально под понятием оптические материалы подразумевались исключительно оптические неорганические стекла на основе кремнезема SiO2. К оптическим материалам относят: • Стекло оптическое, бесцветное; • Оптическое цветное стекло; • Оптическое кварцевое стекло; • Оптические ситаллы; • Лазерные стекла; • Оптические кристаллы; • Оптическую керамику; • Оптические термопластмассовые материалы; • Металлооптику. Заводы оптического стекла:оптические материалы производятся на заводах оптического стекла (ЗОС). Действующие в РФ ЗОС: • ОАО ЛЗОС (Лыткаринский Завод Оптического Стекла); • Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова (бывший «ЛенЗОС»); • Гусевский стекольный завод. Основные параметры оптических материалов I. Базовые оптические постоянные материалов. Определяются оптико-физическими свойствами веществ, входящих в их состав. Используются при расчете оптических систем. II. Параметры, характеризующие качество оптических материалов. Определяются технологией их производства. Они определяют работоспособность оптических систем. III. Параметры, определяемые химическим составом оптических материалов. Не нормируются ГОСТом и имеют фиксированные значения. Базовые оптические постоянные материалов (ГОСТ 23136–93) Параметры, характеризующие качество оптических материалов (ГОСТ 23136–93) Показатель преломления – безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах. • n е или n d или n D (е – линия в спектре Hg с = 0,54607 мкм; d – линия гелия с λ=0,58756мкм; D – линия в спектре Na с = 0,5893 мкм). • n i (i – линия в спектре Hg с = 0,365 мкм) для материалов, используемых в ультрафиолетовой области спектра. • n 1.06 или n 10.6 (1,06 мкм– линия излучения Nd (в лазере Nd:YAG); 10,6 мкм – линия излучения CO 2 (в CO 2 лазере)) для материалов, используемых в инфракрасной области спектра. Коэффициент дисперсии Дисперсия света – совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты (или от длины волны). • Для материалов, прозрачных в видимой области спектра: 𝑣 𝑒 = 𝑛 𝑒 ′ − 1 𝑛 𝐹 ′ − 𝑛 𝐶 ′ , 𝑣 𝑑 = 𝑛 𝑑 − 1 𝑛 𝐹 − 𝑛 𝐶 • Для материалов, используемых в ультрафиолетовой области спектра: 𝑣 ℎ = 𝑛 ℎ − 1 𝑛 𝑖 − 𝑛 𝑔 • Для материалов, используемых в инфракрасной области спектра: 𝑣 10,6 = 𝑛 10,6 − 1 𝑛 8,0 − 𝑛 12,5 где 𝑒 – линия в спектре Hg с , равной 0,54607 мкм, 𝐹 ′ , 𝐶 ′ – линии в спектре Cd с , равными соответственно 0,47999 и 0,6438 мкм. 𝑖, ℎ, 𝑔 линии в спектре Hg c , равными соответственно 0,3650, 0,40466 и 0,43583 мкм. 𝐹, 𝐶 – линия в спектре Н 2 с , равными соответственно 0,48613 и 0,65628 мкм. Показатель ослабления — величина, обратная расстоянию, на котором поток излучения, образующий параллельный пучок, уменьшается за счет поглощения и рассеяния в среде в некоторое заранее оговоренное число раз. Используются два значения степени ослабления: 10 и e раз (μ и μ’ соответственно). Спектральный показатель ослабления μ(λ) и μ’(λ) - зависимость показатель ослабления от длины волны приводится в виде соответствующих графиков. Так же к базовым оптическим постоянным материалов относятся: Граница пропускания.Характеризуется длиной волны λ гр , при которой спектральный коэффициент пропускания материала равен 0,50 при заданной толщине слоя. Показатели, характеризующие особое оптическое свойство.К ним относят: характеристики люминесценции, мелкозернистую неоднородность, дозиметрические характеристики, ориентацию осей, блочность кристаллов и т. д. Радиационно-оптическая устойчивость.Радиационнооптическая устойчивость (РОУ) оценивалась путем сопоставления оптической плотности до и после гамма-облучения. Классы А, Б, В рекомендуется применять для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм (табл. слева). Класс В рекомендуется применять для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм (табл. справа). По однородности по спектральному показателю ослабления устанавливается два класса, характеризуемые величиной [μ max (λ) – μ min (λ)]/μ max (λ) в пределах светового диаметра заготовки (детали). Оптическая однородность: • Для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной не более 150 мм устанавливается пять категорий, характеризуемых разрешающей способностью при λ = 0,55 мкм. • Для заготовок с диаметром или с наибольшей стороной более 150 мм устанавливается пять категорий, характеризуемых сочетанием параметров неоднородности показателя преломления (К ф – характеризует неоднородность показателя преломления, возникающую в процессе отжига; ΔК – характеризует асимметричные относительно оси заготовки неоднородности показателя преломления, возникающие в процессе отжига; К x – характеризует неоднородность показателя преломления, возникающую в процессе варки и разделки стекломассы). Двулучепреломление — оптическое свойство анизотропных материалов, в которых показатель преломления зависит от направления распространения света. В таких материалах может наблюдаться эффект расщепления луча света на две составляющие, когда при попадании в материал образуется не один, а два преломленных луча с разным направлением и поляризацией. • Установлено шесть категорий, характеризуемых разностью хода двух лучей при длине волны 0,55 мкм, на которые разделяется падающий луч под воздействием внутренних напряжений при прохождении в направлении наибольшего размера заготовки. Место и направление измерения разности хода обозначены на рисунке. • Допускается устанавливать пять категорий, характеризуемых разностью хода двух лучей при длине волны 0,55 мкм, измеряемой в месте и в направлении, указанном на рисунке. Дефекты Свили – прозрачные участки стекла, отличающиеся по показателю преломления от окружающей массы стекла и имеющие форму нитей, лент и слоистых потоков, небольших сфер с отходящими от них нитями. По бессвильности оптические материалы характеризуют по оценке длины свили, расстояния между ними, площади, занятой свилями, глубины их залегания и т. д. В бесцветном и цветном стекле 1-й и 2-й категорий допускаются узловые свили длиной ≤ 10 мм в количестве ≤ 10 шт. /кг Пузырь (в стекле) – дефект стекла в виде полости различного размера (заполнены газом). Пузыри могут быть первичными, т. е. образовавшиеся в процессе варки и не удалённые в процессе осветления, и вторичными, образовавшимися в осветлённой стекломассе в результате её вторичного разогрева. Первичный пузырь – образовавшийся в процессе варки и не удалённый в процессе осветления. Вторичный пузырь – образовавшийся в осветлённой стекломассе в результате её вторичного разогрева. Наборный пузырь – образовавшийся, во время набора порции стекломассы в процессе выработки изделия. Мошка – пузырь в стекле, размеры которого не превышают 1.0 мм. Закрытый пузырь – удалённый от поверхности изделия, целостность стенок которого не нарушена. Открытый пузырь – расположенный близко к поверхности изделия, одна из стенок которого нарушена. Качество по пузырности определяется с учётом видимости пузыря и возможности подсчёта пузырей в заготовке. Инородное включение – дефект стекла (или другого оптического материала), представляющий собой твердое непрозрачное включение, отличающееся от окружающего оптического материала физико- химическими свойствами. Огнеупорный камень – инородное включение в стекле в виде частиц огнеупорных изделий (куски горшка или мешалки). Шихтный камень – инородное включение в стекле от непроваренных компонентов шихты. Окалина – маленький кусочек оксида металла или угля, заключенный в стекле. Черная точка – черное включение в стекле, вызванное рудой, содержащей хром и железо. Камень кристаллизации (расстекловывание; рух) – инородное включение, имеющее кристаллическую структуру в результате кристаллизации стекломассы. Для оптического бесцветного и цветного стекол включения приравниваются к пузырям, для остальных оптических материалов нормируются в соответствии с допустимым их размером. По включениям устанавливают пять категорий, характеризуемых размером наибольшего включения, допустимого в заготовке в 100 см3 сырьевого материала. Параметры, определяемые химическим составом оптических материалов: Термооптические характеристики: удельная теплоёмкость; коэффициент теплопроводности; температурный коэффициент линейного расширения; температурный показателя преломления; термооптические постоянные; удельная теплоемкость; теплопроводность; термостойкость; значения температуры отжига и спекания. Механические характеристики:плотность; прочностные свойства (модуль упругости; модуль сдвига; коэффициент поперечной деформации); твёрдость; фотоупругие свойства. Химические характеристики: химическая устойчивость. Магнитные и электрические характеристики: магнитооптическая постоянна; диэлектрическая проницаемость; удельное сопротивление. Оптическое стекло и основы его производство Твёрдое агрегатное состояние может иметь кристаллическую структуру, а может быть аморфно (отсутствует строгое расположение частиц). Характерные особенности аморфных тел: 1. Отсутствует строгое расположение частиц, нет кристаллической решётки. 2. Нет строго определенной температуры плавления. Стекло – твёрдый аморфный материал, получаемый в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. Стекло не плавится при нагревании, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. Стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Оптическое стекло – основной оптический материал. Основные отличительные признаки: 1. Высокая однородность; 2. Высокая прозрачность (К А ˂0,4%); 3. Большой интервал значений показателей преломления света (1,44–2,35) и строгая воспроизводимость показателей преломления независимо от времени и места изготовления стекла. Интегральный коэффициент светопоглощения КА – отношение потока белого света, поглощенного стеклом на пути 1 см, к световому потоку в начале этого пути, выражается в процентах. Производство оптического стекла: 1. Выбор и подготовка сырьевых материалов (подготовка сырьевых компонентов и получение шихты); 2. Варка стекла (включает и процесс производства стекловаренных горшков и мешалок); 3. Тонкий отжиг оптического стекла. Сырьевые материалы: в качестве сырьевых материалов стекловарения используются как продуктами химической промышленности, так и природные материалы (Главные и Вспомогательные). Главные сырьевые материалы служат для введения в стекломассу стеклообразующие вещества. Вспомогательные сырьевые материалы служат для осветления, окрашивания, ускорения варки стекла, улучшения качества стекломассы и т.д. Стеклообразующие вещества: кислотные, щелочные щелочноземельные окислы (SiO 2 , B 2 О 3 , P 2 О 5 , GeO 2 , As 2 О 3 , Sb 2 О 3 ), халькогениды (As 2 S 3 , As 2 Se 3 ), фториды (BeF 2 ), хлориды (ZnCl 2 ). Введение одного и того же элемента в стекло может осуществляться через различные соединения: окислы, гидроокиси, соли. Стеклообразующие кислотные окислы: 1. Двуокись кремния (кремнезем) SiO 2 – главный компонент большинства оптических стекол. Для ввода используют природный кристаллический кварц (горный хрусталь) и синтетическую двуокись кремния. Содержание SiO 2 в кусковом кварце должно быть не менее 99,5%. 2. Борный ангидрид B 2 О 3 способствует осветлению стекломассы, увеличивает скорость провара, снижает склонность стекла к кристаллизации. 3. Окись алюминия (глинозем) Al 2 О 3 уменьшает показатель преломления и среднюю дисперсию, снижает склонность стекломассы к кристаллизации, увеличивает механическую прочность, термическую и химическую стойкость стекол. 4. Двуокись германия GeO 2 и Двуокись теллура TeO 2 увеличивают светопропускание в инфракрасной области. 5. Двуокись циркония ZrO 2 повышает химическую стойкость стекла, увеличивает показатель преломления, уменьшает коэффициент термического расширения. Стеклообразующие щелочные окислы: 1. Окись натрия Na 2 О — важнейшая составная часть большинства стекол. Вводят в шихту посредством соды Na 2 СО 3 и селитры NaNO 3 . Na 2 О ускоряет стеклообразование, понижает температуру варки стекла и облегчает процесс удаления пузырей из стекломассы. 2. Окись калия K 2 О вводят в шихту в виде поташа K 2 СО 3 или калиевой селитры KNO 3 K 2 О снижает склонность стекла к кристаллизации, значительно увеличивает среднюю дисперсию. 3. Окись лития Li 2 О чаще всего вводят в виде углекислого лития Li 2 СО 3 . Он понижает коэффициент термического расширения стекла, облегчает его провар. Щелочноземельные и некоторые другие окислы: 1. Окись кальция CaO – одна из важнейших составных частей стекла. Вводится в шихту посредством углекислого кальция (мела) CaCO 3 . CaO облегчает варку стекла и содействует осветлению стекломассы, придает стеклу химическую стойкость. 2. Окись магния MgO вводят в шихту посредством магнезита MgCO 3 . MgO повышает химическую стойкость и механическую прочность стекла, снижает его склонность к кристаллизации, увеличивает среднюю дисперсию. 3. Окись бария BaO вводят в шихту в виде азотно-бариевой соли Ba(NO 3 ) 2 и углекислого бария BaCO 3 . BaO увеличивает показатель преломления. 4. Окись бериллия BeO увеличивает прозрачность стекла в ультрафиолетовой области, повышает коэффициент преломления и термическую стойкость. 5. Окись свинца PbO вводят в шихту в виде свинцового глета PbO или свинцового сурика Pb3O4. Свинцовые стекла имеют самый высокий показатель преломления и большую плотность. Вспомогательные сырьевые материалы: Осветлители способствуют осветлению стекломассы в процессе ее варки, т. е. освобождению стекломассы от газовых включений – пузырей. К таким материалам относят трехокись сурьмы Sb 2 О 3 , хлористый NaCl, трехокись мышьяка As 2 О 3 Красители – соединения металлов, растворимые в стекломассе (молекулярные красители), или образующие в ней взвешенные микрочастицы металлов и их соединений (коллоидные красители). Глушители – материалы, которые придают стеклам свойство рассеивать свет и казаться полупрозрачными (опалесцирующими) или делают их полностью непрозрачными (глушеными). К глушителям относят фтористые соединения (Nа 2 SiF 6 , Na 3 AlF 6 ), соединения олова и фосфора. Окислители и восстановители – соединения, используемые для регулирования условий варки оптических стекол. Окислительное действие оказывают баритовая, натриевая и калиевая селитры (Ba(NO 3 ) 2 , NaNO 3 , KNO 3 ), а также оксиды мышьяка, сурьмы и церия. В качестве восстановителя применяют углерод, вводимый в шихту в виде древесного угля или кокса, калиевые соли, соединения олова, а также алюминий и магний. Получение шихты Шихта – смесь для варки стекла заданного состава. Шихта представляет собой однородную смесь предварительно подготовленных и отвешенных в определенном соотношении сырьевых материалов и сортированного боя стекла, состоящего из измельченных, очищенных от загрязнений и включений, отходов стекла предыдущих варок. Этапы приготовления шихты: 1. Подготовка сырьевых материалов (приведение их в соответствие с требованиями по зерновому составу и чистоте). 2. Подготовка боя (сортировка, измельчении и очистка). 3. Смешивание компонентов шихты. Требования, предъявляемые к шихте: 1. Зерновой состав: размеры зерен для каждого вида сырья различны. Чем больше плотность вещества, тем больше его измельчают. 2. Чистота компонентов. В шихте не должно быть инородных включений. 3. Влажность. Должна быть от 3 до 8%. 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. |