Кварцевые стекла: особенности производства, ГОСТ. Стекло кварцевое оптическое: применение

Стекло – один из самых древних материалов, который широко применяется во всех сферах практической деятельности человека благодаря набору полезных качеств и свойств. За время существования (а это более 5 тыс. лет) его химическая формула осталась практически той же, изменились лишь его качества.

Кварцевое стекло

В течение долгих лет человек стремился создать стекло все более прозрачным и устойчивым к различным разрушающим факторам. В результате такого целенаправленного совершенствования появились кварцевые стекла – совершенно новый тип материала с поражающими сознание характеристиками. Возможно, именно это стекло определит направление дальнейшего развития человечества.

Кварцевое стекло – это продукт плавления чистого оксида кремния (SiO₂). В отличие от обычного стекла, этот материал находится в аморфном состоянии, то есть не имеет точной температуры плавления и при нагревании из твердого состояния в жидкое переходит постепенно. Во многом благодаря именно этому свойству кварцевое, или силикатное, стекло нашло столь широкое применение в промышленности.

Структура кварцевого стекла

Аморфность материала объясняется его структурой, основу которой составляют кремниево-кислородные тетраэдры. Молекулы SiO₂ «связываются» друг с другом благодаря взаимному притяжению атомов кислорода.

Вместе они образуют трехмерные сетки, несмотря на то, что строгого порядка в расположении молекул друг относительно друга нет. Именно поэтому кварцевые стекла обладают свойствами аморфных материалов.

Силикатное стекло, как и обычное, получают путем плавления исходного сырья. В качестве такого может использоваться чистый кремнезем – горный хрусталь, жильный кварц, кварцевый песок, а также оксид кремния, полученный искусственным путем.

Отличия кварцевого стекла от обычного

В зависимости от выбранного типа сырья определяют и некоторые свойства конечного продукта. Так, для получения кристально чистого и прозрачного материала используют горный хрусталь.

Основным отличием силикатного стекла от обычного является высокая температура плавления – более 1500 С^о. При этом оксид кремния начинает испускать интенсивное световое излучение в видимом спектре, то есть начинает светиться.

Ввиду аморфной структуры сырья процесс плавления может продолжаться значительное время. Расплавленный состав отличается высокой вязкостью, что не позволяет его стапливать или перемещать. Это затрудняет производство кварцевого стекла с одинаковой толщиной стенок.

Особенности производства

Ввиду всех перечисленных особенностей производство силикатного стекла возможно только на специализированном оборудовании. В плавильнях должна поддерживаться высокая температура, а для создания стеклянных изделий необходимо поддержание струи открытого пламени температурой 1800 С^о и выше.

Предъявляются специальные требования и к производственному помещению – оно должно быть стерильным. Незначительное количество чужеродных частиц неминуемо приведет к тому, что готовые кварцевые стекла в скором времени растрескаются и потеряют свои свойства.

Особыми качествами должны обладать и сотрудники производства – стеклодувы. Им приходится иметь дело с экстремально высокими температурами – одна ошибка во время работы может привести к серьезным травмам, ожогам.

Все основные инструменты стеклодува изготовлены из жаропрочных материалов – гранита, вольфрама, которые, помимо прочего, отличаются большим весом. Поэтому сотрудники должны быть физически сильными и выносливыми.

Свойства кварцевого стекла

Силикатное стекло обладает низкими показателями электропроводности, поэтому оно часто используется как диэлектрик в сложных электроприборах. Главные полезные свойства, коими обладают кварцевые стекла, можно разделить на три группы:

1. Термические. Устойчивость к высоким температурам (1200 С^о), высокий коэффициент температурного расширения (в 15 раз выше, чем у обычного стекла), чем обуславливается стойкость к резким и значительным температурным колебаниям (на производстве продукцию охлаждают струей ледяной воды).
2. Химические. Стекло химически нейтрально, не вступает в реакцию со всеми щелочами и кислотами, кроме фосфорной и плавиковой кислоты (реакция начинается при температуре выше 300 С^о).
3. Оптические. Показатель преломления кварцевого стекла в 150 раз ниже, чем у обычного (n_e=1,46). Благодаря этому оно безупречно пропускает не только солнечный и обычный свет, но и не задерживает ни инфракрасное, ни ультрафиолетовое излучение.

Все эти свойства позволяют использовать кварцевое стекло в качестве строительного материала, а также для производства лабораторной посуды, оптических приборов, электрооборудования, термостойких огнеупорных материалов. Одна из основных сфер его применения – изготовление оптических волокон.

Оптическое кварцевое стекло

В зависимости от примененной при производстве технологии кварцевое стекло может быть непрозрачным и прозрачным. В первом случае в его структуре будет присутствовать большое количество пузырьков газа, которые интенсивно рассеивают свет.

Прозрачное стекло, или стекло кварцевое оптическое, как его еще называют, абсолютно однородно, не содержит пузырьков. Благодаря этой особенности материал используется при производстве оптических кабелей высокоскоростной передачи данных, оптических линз и призм.

Марки и серии оптического стекла

Различают несколько марок оптического стекла: КУ-1, КИ, и КВ. Продукция отличается между собой способностью пропускать видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Самым прозрачным является стекло марки КИ – оно способно пропускать свет при длине волны 2600-2800 нм, наименее прозрачное – КВ.

В зависимости от используемого сырья различные светопропускные способности может иметь оптическое стекло кварцевое. ГОСТ 15130-86 содержит сведения о трех сериях:

• 0 – материал, используемый при обычных эксплуатационных условиях;
• 100 – стекло, устойчивое к ионизирующему излучению незначительной силы;
• 200 – сырье, которое допускается использовать в условиях интенсивного ионизирующего излучения.

Марка и серия стекла образуют шифр продукции. Он наносится на производстве и определяет конкретный вид стекла. В нашей стране нет единой системы шифрования, поэтому каждое предприятие обозначает свою продукцию по своему разумению.

Область применения

Из силикатного стекла изготавливается большое количество разнообразной продукции. В научных и производственных лабораториях востребованы трубки из кварцевого стекла, которые используются для замеров уровня жидкости, изготовления электронагревательных приборов, проведения химических реакций и хранения агрессивных веществ.

Широкое применение на производстве получило и непрозрачное стекло. Оно используется там, где необходим контроль жидких продуктов при высоких температурах и, благодаря низкой стоимости, применяется повсеместно.

Оптическое стекло применяется в судо- и ракетостроении, главным образом для производства осветительных приборов. На нефтехимических предприятиях этот материал ценится за высокую устойчивость к химическим веществам и используется для контроля агрессивных жидкостей. В самолетах им остекляют кабины, а также используют в качестве теплоизоляции.

Производители изготавливают продукцию согласно требованиям ГОСТ 22291-83. Кварцевое стекло, трубки, окна, призмы, линзы и другие изделия изготавливаются как массово, так и в индивидуальном порядке.