Как сделать оптическое стекло
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 05.10.2024
Стеклообразование, осветление и гомогенизация начинаются одновременно. После окончания стеклообразования последние стадии проходят совместно до завершения процесса варки. В результате протекания каждой стадии изменяется состояние стекла в физическом и химическом отношении по признакам которых удобно разделить процесс варки.
Силикатообразование начинает происходить уже при температуре 400°C когда заканчиваются основные химические реакции в твердых частицах и улетучиваются газообразные составы, испаряется вода, а не прореагировавшие компоненты спекаются. С дальнейшим повышением температуры плавятся эвтектические соединения и некоторые соли, твердые вещества растворяются в расплавах и реакции ускоряются. Большинство реакций эндотермические и для ускорения провара нужна интенсификация подачи стекла.
Стеклообразование начинается когда стекло представляет собой еще пенистый расплав, который насыщен частицами шихты, кварца и пузырьками газов. Кварцевый песок растворяется в расплаве силикатов, а силикаты провариваются, стекло становится прозрачным, число пузырей и пена уменьшается. Стеклообразование продолжительно во времени особенно для вязких составов стекла. Для низкотемпературных стеклообразующих необходимо интенсивно увеличивать температуру, перемешивать стекломешалкой, бурным выделением газов.
Осветление заключается в освобождении стекла от газовых пузырьков, т.е. выравнивание ее в физическом отношении. Шихта содержит до 18% песка связных газов, которые в большинстве испаряется в печи но часть их остается в виде пузырьков, растворенных в стекле. Газы выделяются из расплава стекла благодаря причинам: изменению химического состава, неравномерному состоянию химически связных компонентов, контакту с парами, кристаллами огнеупора горшка. Из газов образуются пузыри, содержащие СО2, СО, SO2, О2, пары воды. Большое количество пузырей делает стекло не пригодным для изготовления оптических деталей. Чтобы легче удалить пузыри нужно сделать стекло менее вязким и создать в нем восходящий поток. Для этого повышают температуру на 100°C выше температуры провара шихты, и интенсивным механическим перемешиванием стекла, добавкой в состав стекла осветителей, которые интенсивно выделяют легкие пузырьки О2, способствующие перемешиванию стекла и удалению тяжелых пузырей из СО и СО2.
Гомогенизация – процесс приведения стекла к состоянию химической однородности. В следствии разнородности исходных гранулометрического и химического состава компонентов шихты жидкое стекло состоит из частиц малых объемов различных сплавов между которыми есть границы раздела. Тепловое и механическое движение частиц возникающее при проваре и осветлении в стекле, растягивает частицы имеющие разный химический состав и показатели преломления, в потоки, одиночные волокна – свили. Выравнивание составов потоков происходит путем диффузии. Гомогенизация ускоряется движением пузырей, конвекционных потоков и мешалки, растягивающих потоки грубых свилей в тонкие волокна, которые исчезают в результате диффузии.
Охлаждение необходимо для получения стекла вязкостью обеспечивающей ее отлив из стекло варенного сосуда. При охлаждении в стекле продолжаются процессы осветления и гомогенизации. Режим охлаждения должен выдерживаться строго по графику – чтобы избежать появление кристаллизации. Нарушение теплового и концентрационного равновесия, самопроизвольного выделения по всему объему газов в виде мельчайших пузырей.
Технологические операции варки оптического стекла
Построение технологического процесса варки оптического стекла различных марок в общем одинаковы. Различие заключается в графике температурных режимов, и во времени затрачиваемом на различные операции. Регулировка процесса варки преследует цель получения стекла наивысшего качества с минимальными пороками и дефектами. Технологический процесс варки оптического стекла делят на последовательно выполняемые во времени операции:
1) выводка горшка;
2) засыпка и провар шихты;
3) осветление расплава;
4) охлаждение стекла.
Выводка горшка заключается в том, что стекловаренный горшок перемещают из печи обжига (температура 900-1000°C) в стекловарную печь (температура 850-900°C). Горшок центрируют относительно оси вращения мешалки для обеспечения равномерности перемешивания. Потом для повышения сопротивления стенок горшка горячего стекла его нагревают до температуры 1450-1500°C и выдерживают 2-4 часа. Потом охлаждают в печи до уровня необходимого для засыпки шихты. Полное время выводка горшка – 10-15 часов.
Засыпка и провар шихты – на дно горшка засыпают возвратный бой из предыдущего стекла чтобы создать на дне слой стекла толщиной в несколько сантиметров защищающего дно горшка от разъедания расплавляющейся смеси стекла. После бурления разваренного боя засыпку смеси стекломатериала производят так, чтобы вершина образовавшегося конуса была на уровне среза горшка. Сверху этот конус покрывают слоем боя для ускорения образования расплава и уменьшения улетучивания компонентов шихты. Шихту засыпают в 3-5 приемов, последовательно перемешивая шихта и возвратный бой.
Осветление расплава начинается с повышения температуры в печи на 100°C и бурления стекла – берут мокрую осиновую чурку, набивают на конец стержня из жаропрочной стали не образующей оксиды и водят чурку в круговую не касаясь стенок горшка при этом вода из чурки испаряется и образует много крупных пузырей которые вызывают бурление стекла. Потом вводят в стекло разогретую предварительно мешалку, начинают перемешивание при малой частоте вращения, т.к. расплав еще вязок, особенно в нижних, более холодных слоях. В начальный период перемешивания способствуют температуре стекла по вертикали и проваривают шихта. Потом постепенно увеличивают скорость вращения до затвердевания провара шихты, т.е. когда начинается интенсивное удаление пузырей. Продолжительность осветления расплава – 4-5 часов.
Охлаждение стекла начинается после того когда количество пузырей уменьшается до допустимого предела. Сначала охлаждение ведут понижением температуры на 50-60°С/ч, и не уменьшают частоты вращения мешалки т.к. осветление расплава еще продолжается. При достижении расплавом вязкости 10 Па·с с поверхности стекла снимают слой стекла с пеной на глубину до 50 см. Потом скорость мешалки увеличивают, чтобы избавить стекло от оставшихся химических неоднородностей – гомогенизировать. С понижением температуры вязкость стекла повышается, и скорость мешалки уменьшается. При вязкости 500-1000 Па·с мешалку извлекают, открывают печь и вывозят стекловаренный горшок, потом начинается этап разделки стекла. Охлаждение стекла длится до 35-40 часов.
Пороки и дефекты стекла
Пороки оптического стекла – инородные включения: пузыри, свили, кристаллы и камни, которые образуются в процессе варки стекла в стекловаренных сосудах из-за разъедания и откалывания их стенок
. Дефекты оптического стекла – отклонение фактических значений показателя преломления, дисперсии и светопоглощения от номинальных значений, установленных для данной марки стекла соответствующими нормативными документами и техническими условиями на его изготовление
. Пузыри всегда есть в стекле – имеют размер 0,01-5 мм, крупные пузыри легче выходят из стекла в процессе его варки, а мелкие остаются в стекломассе. Наименее пузырные – кроны, легкие флинты и флинты, наиболее пузырны – тяжелый крон и тяжелый флинт. Главный способ удаления пузырей и уменьшения пузырности стекла, соответственно – повышение температуры варки и интенсивное перемешивание стекломассы в стекловаренных сосудах.
Свили обнаруживают в стекле как разделения объемов стекла отличающихся один от другого показателями преломления и химическим составом. Бывают грубые слоистые и тонкие одиночные нитевидные свили. Разность показателей преломления в свильных объемах оптического стекла колеблется от 10 -6 до 0,1·10 -6 . Свили образуются также в результате растворения материала стенок горшка и корпуса мешалки в стекломассе, которые приводят к изменению химического состава сваренного стекла. Чтобы избавится от них необходимо проводить интенсивное перемешивание и постепенное медленное охлаждение стекла.
Кристаллы выделяются из самой стекломассы, или привносятся в нее огнеупором. Согласно ГОСТ 3514-76 размеры кристаллов приравниваются к пузырям. При нарушении режимов варки может начаться недопустимая кристаллизация стекла. Чтобы ее избежать необходимо как можно быстрее проходить температурную область кристаллизации стекломассы.
Камни привносятся в стекло извне, достаточно редкий порок стекла, может возникать еще из-за разъедания стекломассой дна горшка. Кусок керамики от горшка попадает в стекло, под ее воздействием округляется, уменьшается в размерах и превращается в тонкую свиль.
Отклонение показателя преломления ne и дисперсии nF'nC' – происходят из-за привнесения в стекло компонентов разъедания стенок горшка и неравномерности улетучивания компонентов смеси сырьевых материалов в процессе варки. Эти два процесса затрудняют получение хорошей повторяемости состава стекла от одной варки к другой в промышленных условиях.
Светопоглощение в оптических стеклах достигает 0,4-1,5 % на 1 см длинны хода луча света в стекломассе, а в сверхпрозрачных стеклах 0,1-0,15 % на 1 см хода луча света, соответственно. Основная причина повышения светопоглощения – это наличие дополнительных примесей в стекломатериале, возвратном бое, керамике горшков и мешалок. Наиболее вредные примеси – окислы железа, хрома, никеля, кобальта, которые повышают светопоглащение в стекле. Понижение светопоглощения достигается путем использования химически чистых и тщательно обогащенных стекломатериалов стекловарения, применением технологической оснастки дополнительно защищенной от соприкосновения сырьевой шихты с железными корпусами используемого технологического оборудования.
Выпуклые линзы собирают световые лучи в один пучок, и на некотором расстоянии от линз эти лучи пересекаются в одной точке. Вогнутые же линзы рассеивают световые лучи. По выходе из такой линзы пучок световых лучей расходится. Вот из этой-то способности линз собирать и рассеивать световые лучи и на способности зеркал отражать их основано действие всех оптических приборов.
В XVI веке появились первые очки, потом — зрительные трубы и микроскопы.
В конце прошлого века появились бинокли — как бы объединение двух подзорных труб в одно целое. Затем появились фотоаппараты, у которых объектив состоит из стеклянных линз, и, наконец, перископы для подводных лодок. Для всех этих приборов все больше и больше требовалось особо чистое, прозрачное, так называемое оптическое, стекло, которое бы пропускало максимум световых лучей.
Это стекло должно отличаться от обычного стекла однородностью всех своих частей. Если внимательно присмотреться к оконному стеклу, то, помимо полос, вызванных недостаточно ровной поверхностью, можно обнаружить в самой толще стекла небольшие пузырьки, полупрозрачные матовые точки, прозрачные нити и полосы — свили. Все они попали в лист стекла из расплавленной стекольной массы.
Кроме того, если внимательно присмотреться к оконному стеклу, можно заметить, что оно в различных частях немного искажает изображения.
В оптическом стекле всех этих пороков быть не должно. Здесь требуются особенно чистые материалы. И варка оптического стекла проводилась не в ванных печах, а в сравнительно небольших горшках. Однако сварить чистое оптическое стекло долго не удавалось.
В старину многие аптекари для получения аптекарской посуды и часовщики для получения часовых стекол сами варили и шлифовали стекла. Это же делал и часовщик Пьер Луи Гинан в Швейцарии. Однажды он услышал, что требуется приготовить очень чистое стекло для очков и микроскопов, — и взялся за это дело.
Сколько часовщик проделал опытов и как он достиг чудесного результата, никто так и не узнал. Но в 1755 году слух о том, что Гинан в Швейцарии умеет готовить линзы без пузырьков и полосок, облетел весь мир. Это было первое в мире оптическое стекло.
Многие заводчики, инженеры и ученые обращались к Гинану с просьбой открыть им свою тайну, но Гинан был молчалив и скрытен. Он приготовлял оптическое стекло, продавал его и наживал на этом большие деньги. Его завод был единственным в мире, который поставлял стекло всем странам для оптических приборов.
Умирая, Гинан завещал сыну не выпускать за пределы семьи тайны оптического стекла и передавать ее из рода в род, так как это будет постоянным источником дохода.
Сын был достоин своего отца. Он продолжал его дело и бережно хранил тайну. Прошло почти сто лет, а секрет Гинана так и не был раскрыт.
Однако мысль человеческая продолжала развиваться, « тайна оптического стекла не могла навеки оставаться тайной. В конце XIX века физик Аббе и химик Шотт, разработав методы варки стекла, также получили первосортное оптическое стекло и построили завод оптического стекла в Иене. А в начале XX века в Европе было уже три таких завода: во Франции завод Парра-Мантуа, в Англии завод братьев Ченс и в Иене фирма Шотта-Цейса. Все три завода, так же как и Гинан, держали методы варки оптического стекла в строжайшей тайне.
Все начинается с горшка
Мы побывали на Лыткаринском заводе оптического стекла, где делают зеркала для самых больших мировых телескопов
Все начинается с горшка
Ничего лишнего
Медленно остыть
Тонкая наводка
При охлаждении крупных (более 50 см) заготовок для деталей астрономических инструментов грубый и тонкий отжиг обычно совмещают. Для зеркал телескопов оптическая однородность материала отходит на второй план по сравнению с термомеханическими свойствами. Чтобы температура меньше влияла на форму зеркал, их изготавливают не из стекла, а из астроситалла, прочного стеклокерамического материала с почти нулевым коэффициентом температурного расширения.
Надежный тыл
Свет мой, зеркальце
Полировать зеркала можно не только механически. В соседнем цехе расположена установка ионно-лучевой обработки, которая полирует поверхность пучком ионов аргона и ксенона. А рядом — камера напыления покрытий, где на уже готовую плоскость зеркала с помощью магнетронного распыления в скрещенных электрических и магнитных полях наносят многослойные (сотни слоев толщиной порядка 2 нм каждый) покрытия, которые и будут отражать свет далеких звезд.
Когда процесс варки закончен, шаржирный кран вынимает горшок с расплавленным стеклом из печи и переносит его к месту литья в форму.
Даже во время заполнения литейной формы важно не допускать неравномерного охлаждения различных областей, иначе в стекле появятся свили — оптические неоднородности, области с различными показателями преломления.
Отжиг, то есть контролируемое охлаждение стеклянной отливки, — очень медленный процесс. Заготовки для крупных деталей, таких как зеркала из астроситалла диаметром 2-4 м, могут остывать в специальной печи по заданной программе на протяжении одного-двух лет.
Выборка с задней поверхности с помощью станка с ЧПУ, управляющего алмазной фрезой, позволяет облегчить деталь по сравнению со сплошной на 80%, превратив массив тяжелой стеклокерамики в ажурную, но жесткую конструкцию.
Рабочая поверхность зеркала после полировки контролируется с помощью интерферометра. На основе полученной интерферограммы создается программа управления для станка с ЧПУ. Точность обработки зеркал может составлять порядка десятков нанометров.
Часть зеркал, установленных на стендах в цехе финишной обработки, предназначены не для телескопов — это вспомогательные зеркала систем оптического контроля изготавливаемой оптики.
Башня, возвышающаяся над территорией завода на семьдесят с лишним метров, построена вовсе не для красоты. Внутри сооружения расположена вакуумная камера высотой 72 м для измерения различных характеристик крупных длиннофокусных зеркал. Испытания в вакууме позволяют нивелировать влияние потоков воздуха и пыли и тем самым значительно повысить точность измерений.
Читайте также: