О ВЫБОРЕ РЕЖИМА СТЕКЛОВАНИЯ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Волков Петр Вячеславович

аспирант ЧГПУ, г. Челябинск

Е-mail: peter-007@mail.ru

Брызгалов Александр Николаевич

д-р. физ.-мат. наук, профессор ЧГПУ, г. Челябинск

Е-mail: brizgalovan@cspu.ru

Живулин Дмитрий Евгеньевич

аспирант ЧГПУ, г. Челябинск

Е-mail: zhivulinde@cspu.ru

Кварцевое стекло — материал, нашедший широкое применение в промышленности, оптике, технике и других областях народного хозяйства. Способы получения кварцевых стекол сильно отличаются от способов получения многокомпонентных технических стекол. Это связано с высокой вязкостью расплава кремнезема и тугоплавкостью  кристаллических модификаций диоксида кремния. Производство высококачественного кварцевого стекла зависит от множества факторов, в том числе от режима стеклования [5]. Несмотря на значительное число работ, посвященных изучению кварцевых стекол и представленных в [4], закономерности этого процесса исследованы далеко не в полной мере.

Целью настоящей работы является установление зависимости совершенства субструктуры кварцевого стекла от температурного режима стеклования.

Возможные технологические дефекты стекла [1; 3], такие как макровключения, неоднородности, газовые пузыри, сколы и т.п. определялись методом оптической микроскопии (рис. 1). Субструктура также выявлена микроскопией после применения метода химического травления. Влияние структурных дефектов на режим стеклования в данной работе не рассматривалось.

Рисунок 1. Морфология поверхности кварцевого стекла с технологическими дефектами. ×500

Эксперимент проводился на стеклах КУ-1 размером 20×20×3 мм³, синтезированных методом высокотемпературного гидролиза SiCl₄ в факеле водородно-кислородного пламени.

Образцы были получены разными температурными режимами охлаждения расплава: быстрым охлаждением с t=1500 °С и медленным — с t=1300 °С.

С целью установления субструктуры образцы подвергли травлению. Считается, что основным веществом, активно взаимодействующим со стеклом и кварцем, является плавиковая кислота. При травлении основная химическая реакция происходит между кислотой и диоксидом кремния, из которого образована структурная сетка стекла. Продукт реакции — газообразный фторид кремния, удаляющийся из зоны реакции. Кроме HF в раствор, в зависимости от характера обработки, могут входить и некоторые другие компоненты, например, концентрированная серная кислота.

Однако этот метод травления имеет ряд недостатков: глубокое поверхностное разрушение материала, токсичность HF и т. д. Поэтому модификация метода была осуществлена следующим образом: химическое травление проводилось 20% раствором NH₄F при t=50 ºС в течение 20 минут с применением ультразвуковой ванны для ускорения процесса и удаления продуктов травления. Результаты представлены на рис.2:

Рисунок 2. Субструктура поверхностей стекол после травления. ×500

(а — быстрое охлаждение с t=1500 °С, б — медленное охлаждение с t=1300°С)

Субструктура образуется в результате распределения энергии, излучаемой в процессе стеклования расплава. Часть энергии (диссипативная) рассеивается на дефектах и в окружающую среду, а другая часть - в результате низкой теплопроводности материала, сохраняется и распределяется внутри расплава, образуя ячеистость [2].

При охлаждении расплава происходит процесс структурного стеклования. Состояние стекла и его субструктура определяются начальной температурой и временем стеклования, а разница в плотностях исходного сырья — кварца (ρ=2,65 г/см³) и полученного из него стекла (ρ=2,20 г/см³) заполняется газом и ионами гидроксильных групп —ОН.

При быстром охлаждении (рис. 2а), начиная с t=1500 °C и вязкости η~10⁸П, формируется мелкоячеистая высокопрочная субструктура. На этом участке крупные пузыри всплывают по закону Паскаля, т.е. происходит так называемая «самоочистка» поверхности.

При медленном охлаждении (рис. 2б), начиная с t=1300 ºС и вязкости η~10¹⁰П, образуется крупноячеистая субструктура, т.к. пузыри остаются в расплаве. Этот дефект проявляется при механической обработке в виде сколов. На последней стадии свободный объем, заполненный пузырями, составляет ~12% всей площади. При быстром охлаждении ниже t=1000 ºС образуются трещины.

Таким образом, скорость и начальная температура охлаждения расплава, т. е. режим стеклования, является определяющим фактором для получения равномерной мелкоячеистой субструктуры кварцевого стекла. Чем мельче размер субструктуры, тем более высокими упругими свойствами будет обладать материал.

Список литературы:

1.Волков П.В. Влияние состояния поверхности на форму ИК-спектров кварцевого стекла [Текст] / П.В. Волков, А.Н. Брызгалов, Д.Е. Живулин // Наука в современном обществе: материалы II Международной науной конференции. — Ставрополь: Центр научного знания «Логос», 2012. — С. 153 — 155

2.Волков П.В. Некоторые особенности механической и химической обработок поверхности силикатного стекла [Текст] / П.В. Волков, А.Н. Брызгалов, Д.Е. Живулин // «Вопросы естественных наук: биология, химия, физика»: материалы международной заочной научно-практической конференции. (04 апреля 2012 г.) — Новосибирск: Изд. «Сибирская ассоциация консультантов», 2012. — С. 134 — 138

3.Волков П.В. Структура и дефекты кварцевого стекла марки КУ-1 [Текст] / П.В. Волков, А.Н. Брызгалов, Д.Е. Живулин // Достижения и перспективы естественных и технических наук: материалы I Международной научно-практической конференции. — Ставрополь: Центр научного знания «Логос», 2012. — С. 167 — 170

4.Леко В.К., Мазурин О В. Свойства кварцевого стекла. М.: Наука, 1985. 168 с.

5.R. Brűckner “Silicon Dioxide” // Encyclopedia of Applied Physics, vol.18, 1997