3. Материалы конструкционной оптики

Для изготовления прозрачных элементов ИКО используются различные неметаллические материалы, обладающие необходимыми оптическими характеристиками. Требования стойкости ИКО к внешним воздействиям в условиях эксплуатации удовлетворяются конструкцией изделия с использованием материалов с оптимальным комплексом свойств для каждого конкретного назначения.

Таблица 2.

Конструктивные особенности ИКО и характеристики материалов, обеспечивающие выполнение основных функциональных требований и стойкость к внешним воздействиям

Функциональные требования и условия внешних воздействий	Конструктив-ные особенности	Характеристики материалов
Весовые ограничения	Габариты, толщина	Плотность, прочность
Аэродинамика	Форма поверхности	Формуемость, вязкость
Оптика	Форма и точность сопряжения поверх­ностей	Диапазон и уровень пропускания, оптическая однородность, показа-тель преломления, поляризация света
Статические и динами­ческие перегрузки	Оптимальная схема нагружения	Прочность, модуль упругости, ударная вязкость
Вибрация	Способ крепления	Длительная прочность
Температура высокая Низкая	Термоэкран, камера Нагреватель	Температура размягчения, отжига, теплопроводность, термостой­кость, тепловое расширение. Электропроводимость
Агрессивная среда	Защитные покрытия	Химстойкость, абразивостойкость, твердость
Солнечное излучение	Оптические покрытия	Коэффициенты отражения, поглощения
Ионизирующая радиация	Защитный экран	Радиационно-оптическая устой-чивость, люминесценция

(Привести таблицу 2 в список на экран из папки Кингст\МГУПИ\Лек-1-Фото/Таб-2)

Прозрачные материалы, используемые для изготовления ИКО, в подавляющем большинстве своем являются хрупкими, т.е. не обладают пластической деформацией, неспособны к релаксации напряжений, которые, увеличиваясь по мере роста нагрузки, достигают предела прочности, вследствие чего в материале появляются трещины, растущие с большой скоростью, и он разрушается.

Причем эти микротрещины возникают на поверхности стекла самопроизвольно, даже под действием атмосферной влаги и, по мнению Гриффитса являются концентраторами напряжений.

Гриффитс вывел следующее выражение для разрушающего напряжения стекла [Прочность стекла. Сборник статей. Пер. с англ. В.А. Берштейна, И.М. Неймарк, Я.А. Федоровского под. ред. В.А. Степанова. Изд. «МИР»., М. 1969, 339 с.].

σ_разр = ( )

Где σ_разр – разрушающее напряжение,

Е – модуль упругости,

ϒ – поверхностное натяжение,

с – глубина эллипсовидной трещины

Инглис вывел выражение между напряжением на дне трещины и приложенным напряжением:

σ_с = σ_m (1 + ) ≈ σ_m ( )

Где σ_с – напряжение на дне трещины

σ_m – приложенное напряжение,

с – глубина эллипсовидной трещины,

ρ – радиус кривизны у дна трещины.

(Папка/Кингстон/МГУПИ/Гриффитс)

В связи с низкой стойкостью к появлению и развитию трещин хрупкие материалы не позволяют применить к ним широко используемый в авиационной технике принцип "допустимого и безопасного повреждения".

Этот принцип можно реализовать в масштабе конструкции всего изделия, а также создания безопасно повреждаемых композиций из разнородных материалов.

3.1. Силикатное стекло

Основным материалом для изготовления ИКО авиационного назначения является термически полированное листовое силикатное стекло вырабатываемое методом формования поверхности на расплаве олова (флоат-процесс).

Силикатное стекло по своей природе это структурированная переохлажденная жидкость, имеющая ближний порядок.

Это можно показать на примере кристаллического кварца и кварцевого стекла.

Одним из первых предположение о полимерной структуре двуокиси кремния высказал Д.И. Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он нелетучесть и тугоплавкость веществ состава SiO₂ или, правильнее, (SiO₂)_n.

Рентгеноструктурные исследования наших дней подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер [http//www.n-t.ru/ps/pb014.htm. Популярная библиотека химических элементов. Кремний ]

У кристаллического кремнезема структура имеет дальний порядок, т.е. длина связей, углы между атомами кремния и кислорода в отдельном тетраэдре и в кристаллической решетке в целом имеют одинаковые значения. Все атомы кислорода мостиковые, т.е. каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Температура плавления кварца около 1610^оС, кристаболита 1730^оС, тридимита 1680^оС (разновидности кристаллического SiO₂) [В.А. Рабинович, З.Я. Хавин Краткий химический справочник. Издательство «ХИМИЯ», Л, 1978, 392 С .

Полимерная структура кристаллического кремнезема условно на плоскости показана на рисунке 1Si_k (папка /фото/IMG_0779).

Рис. Si_k

Объемная полимерная структура кристаллического кремнезема условно показана на плоскости. Можно считать, что у тетраэдров (SiO₄) , у которых Si⁴⁺ изображен черным цветом - четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO₄), у которых Si⁴⁺ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас. Красным цветом изображены атомы (ионы) кислорода. Все они мостиковые, т.е. все связи Si – O – Si ковалентные, а это значит очень прочные.

Подобные связи имеют, например алмаз, корунд. Все эти кристаллические вещества имеют высокую прочность, твердость, высокую температуру плавления.

Неорганические кристаллические вещества могут иметь также ионную связь, например NaCl (поваренная соль – хлорид натрия) или MgF₂ (фторид магния) эта связь также довольно прочная, однако уступает ковалентной связи. Подобные вещества имеют меньшую прочность, твердость и температуру плавления, чем вещества с ковалентной связью.

Также имеются вещества с вандерваальсовыми связями. Например, каждая отдельная молекула кислорода или фтора образует ковалентные связи и газообразная молекула О₂, или F₂ образует электронную оболочку инертного газа. Это значит, что между собой эти молекулы О₂ или F₂ новых связей, например, О₄ или F₄ практически не образуют. Исключение – молекула озона, но там своя особенность. Однако если эти газы охлаждать до температур конденсации и ниже, то они образуют слабосвязанную молекулярную жидкость или низкоплавкие кристаллы. Прочность этих связей между молекулами кислорода или фтора в жидкости или в кристалле на несколько порядков ниже, чем прочность ковалентных или ионных связей в жидком или кристаллическом SiO₂ или NaCl [Химия. Курс средней школы. Пер. с англ д.х.н. К.Н. Семененко, под ред. Проф. Г.Д. Вовченко. Второе издание. Изд. «Мир», М. 1972., 680 С.].

Дать пояснение образования химических связей по принципу заполняемости орбиталей до оболочки инертного газа с использованием периодической таблицы Менделеева. (папка /фото/IMG_0003 и IMG_0005).

При плавлении кристаллическая решетка SiO₂ разрушается с образованием, в зависимости от температуры, пространственной трехмерной структуры, двухмерной или даже одномерной. При повышении температуры до температуры кипения (2950^оС) структура SiO₂ распадается до отдельных молекул.

Если расплавленный кремнезем охлаждать очень медленно и дать выдержку при температуре 1730^оС, то расплав будет кристаллизоваться с образованием кристаболита, как показано на рисунке 1Кр. После окончания кристаллизации дальше будет охлаждаться твердое кристаллическое вещество.

При охлаждении расплавленного металла скорость охлаждения может быть намного больше и при температуре плавления/кристаллизации металла почти всегда, будет образовываться твердое кристаллическое вещество. Это потому, что вязкость расплавленного металла при температуре кристаллизации на несколько порядков меньше аналогичной вязкости расплавленного кремнезема и атомы металла при обычных скоростях охлаждения успевают при такой вязкости образовывать кристаллическую структуру.

Если расплавленный кремнезем охлаждать быстро, то вследствие значительного нарастания вязкости переохлажденной структурированной жидкости углы и длины связей между отдельными тетраэдрами SiO₄ не успевают выстроиться как в кристаллическом кремнеземе на протяжении всей структуры вещества. Т.е. дальний порядок отсутствует, имеется непрерывная беспорядочная сетка тетраэдров SiO₄, но сохраняется ближний порядок, углы и длины связей в отдельном тетраэдре SiO₄ соответствуют таковым в кристаллическом кремнеземе [Шульц М.М.//СОЖ, 1996, №3, с.49-55].

Полимерная структура кварцевого стекла условно на плоскости показана на рисунке 2Si_g (папка/Кингстон/фото/IMG_0775).

Как и у структуры кристаллического кремнезема можно считать, что у тетраэдров (SiO₄), у которых Si⁴⁺ изображен черным цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO₄), у которых Si⁴⁺ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас.

У кварцевого стекла также все атомы кислорода мостиковые. Чтобы их разрушить, нужно затратить значительно большую энергию, чем для разрушения ионных связей. Отсюда у кварцевого стекла высокая вязкость, высокая температура размягчения и низкий ТКЛР.

Непрерывность полимерной сетки из кремнекислородных тетраэдров определяется степенью связности кремнекислородного каркаса. Степень связности характеризуется коэффициентом f_Si ,равным отношению числа ионов (атомов) кремния к числу ионов (атомов) кислорода [100 - Справочник по производству стекла под ред. И.И. Китайгородского и С.И. Сильвестровича., т.1. М, 1963, 1026 с. ]. Максимальная степень связности у кварцевого стекла, равная 0,5 соответствует непрерывности полимерной сетки из кремнекислородных тетраэдров в трех измерениях.

Силикатное листовое флоат-стекло отличается от кварцевого стекла наличием в составе модификаторов, массовый состав которого содержит %: 72-73% SiO₂, 13-13,5⁰/o Na₂0, 7-9% CaO, 3-3,5% MgO, 1,5-2% А1₂О₃, 0,01% Fе₂О₃,

Состав силикатного стекла в мол.%: 71,3% SiO₂, 14,3⁰/o Na₂0, 8,3% CaO, 5,2% MgO, 0,9% А1₂О₃

Молекулярная формула силикатного листового флоат-стекла выглядит следующим образом: Na₂O ^. 5SiO₂ ^. 0,06Al₂O₃ ^. 0,6CaO ^. 0,36MgO

Na₂0, CaO, MgO – являются модификаторами, их общая молекулярная сумма составляет около 2 на 5 молекул SiO₂. Это значит, что примерно около 40% тетраэдров SiO₄ имеют немостиковые связи.

(Папка МГУПИ/Состав Сил ст)

Полимерная структура силикатного флоат-стекла условно на плоскости показана на рисунке 3Si_g

(папка/Кингстон(F)/фото/IMG_0777).

Как и у структуры кристаллического кремнезема можно считать, что у тетраэдров (SiO₄), у которых Si⁴⁺ изображен черным цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена к нам, а у тетраэдров (SiO₄) , у которых Si⁴⁺ изображен синим цветом, четвертая вершина тетраэдра направлена от нас. Кроме того, тетраэдры должны быть хаотично повернуты относительно друг друга, как у кварцевого стекла. Красным цветом показаны мостиковые атомы кислорода. Зеленым цветом немостиковые. Причем на связи O-Na непрерывность связи между двумя атомами кремния прерывается. В случае связи Si-O-Mg (Ca)-O-Si два соседних атома кремния связаны между собой через атом магния или кальция. Эта связь менее прочная, чем связь Si-O-Si. В этих местах тетраэдры еще более повернуты относительно друг друга.

В тех случаях, когда Al³⁺ занимает место Si⁴⁺ в тетраэдре, то для компенсации заряда кислорода в данный тетраэдр внедряется ион Na⁺, что тоже способствует деформации тетраэдра, так как ионный объем двух ионов Al³⁺ и Na⁺ значительно превышает ионный объем Si⁴⁺.

На рисунке 4ИО приведены ионные радиусы различных элементов.

(Папка фото/фото книжки.)

Этим объясняется значительно более низкая температура плавления силикатного стекла по сравнению с кварцевым стеклом и соответственно более низкая вязкость при одинаковой температуре, более высокий ТКЛР, более низкая термостойкость и т.д.

Степень связности листового силикатного стекла равняется 0,42. При степени связности равной 0,4 согласно [100] структурная сетка из кремнекислородных тетраэдров непрерывна только в двух измерениях.

Структурные параметры или структура стекла определяет все его основные свойства.

Дать описание свойств стекла, зависящих от вязкости.

Стекло вырабатывается в виде бесконечной ленты толщиной от 3 до 25 мм шириной 1200-3200 мм, которая режется на листы-форматки длиной 1600-6000 мм и шириной 1000-3000 мм или другие размеры в соответствии с требованиями заказчика.

Силикатное стекло является абразивостойким, водо- и кислотостойким материалом, растворяется только во фтористоводородной (плавиковой) кислоте и щелочах. Плотность 2,51-2,54 г/см³, температура стеклования 510-530°С, интервал стеклования 510-750°С, температура начала деформации 580-600°С, модуль упругости 68-73 ГПа, термический коэф­фициент линейного расширения 85-90^.10^-7К^-1 в интервале 0-300^оС, термостойкость 70-90°С, светопропускание листового стекла толщиной 5-6 мм не менее 85%, показатель преломления 1,50 -1,52.

Так как силикатное стекло входит в состав ИКО, которое является элементом конструкции фонаря, то важнейшим из свойств стекла является прочность.

Пределы прочности стекла на растяжение и изгиб в 10 раз меньше, чем на сжатие, поэтому под прочностью стекла всегда подразумевают его прочность на изгиб или растяжение, так как именно эти величины определяют прочность изделий.

Теоретическая прочность стекла, рассчитанная на основе прочности внутренней химической связи между атомами, чрезвычайно высока и находится на уровне 25-30 ГПа, практически не зависит от состава стекла. Однако реальная прочность стекла в сотни раз ниже из-за дефектов на его поверхности и краях, возникающих при выработке, транспортировке, хранении, переработке и служащих концентраторами напряжений.

При выработке микродефекты на поверхности могут появляться из-за наличия микропузырей в расплаве (недостаточно полно завершены процессы осветления - погоня за увеличением производительности установок по производству стекла) – характерно для строительного стекла.

Могут возникать дефекты на нижней оловянной поверхности стекла – из-за уноса микрочастиц олова из флоат-ванны.

При транспортировке микродефекты могут наноситься на поверхность стекла из-за попадания пыли в пространство между листами стекла.

При хранении вследствие перепада суточных температур может при определенных условиях образовываться конденсат на поверхности стекла, приводящий к выщелачиванию поверхности.

При переработке вследствие небрежного обращения со стеклом могут образовываться микродефекты, приводящие к снижению прочности стекла.

Для производства ИКО должно применяться техническое силикатное стекло, отличающееся от строительного как условиями выработки, так и составом.

(Проблемы с техническим стеклом, начиная от прочности и кончая светопропусканием) ТУ на импортное стекло

При увеличении поверхности стеклянного образца или изделия вероятность встретить опасные дефекты увеличивается, а прочность снижается (масштабный фактор). При поперечном изгибе прочность сырого стекла не превышает 30-50 МПа. При испытании по методу центрального симметричного изгиба, исключающему влияние края стекла, прочность достигает 100-150 МПа.

Для защиты поверхности стекла от повреждения служат различные технологические покрытия, удаляемые с поверхности на последних стадиях технологической переработки. Это позволяет сохранить прочность сырого стекла на более высоком уровне.

При изготовлении ИКО используется в основном силикатное стекло, упрочненное различными методами.

Поскольку прочность стекла зависит главным образом от состояния его поверхности, его упрочняют, устраняя поверхностные дефекты (микротрещины, посечки, царапины) с помощью химического травления, или локализуют их разупрочняющее действие созданием в поверхностных слоях значительных сжимающих напряжений, препятствующих распространению трещин. Для создания таких напряжений в основном используют термическую закалку стекла на воздухе и в кремнийорганических жидкостях или ионный обмен (обработка стекла в расплавах щелочных солей).

Привести таблицы прочности стекол после разных способов упрочнения (КИНГСТОН/ ЦСИ/ и Ста-20-Конф)

Особенно эффективны комбинированные способы упрочнения, сочетающие улучшение качества поверхности с созданием сжимающих напряжений, например, закалка с травлением, ионный обмен с подтравливанием (табл.3).

Таблица 3

Влияние состояния стекла на его прочность

Состояние стекла	Предел кратковременной прочности при изгибе, МПа
Сырое	30-60
Отожженное	90-120
Упрочненное:
воздушной закалкой	120-350
жидкостной закалкой	200-400
ионным обменом	300-700
Травлением	1500-2000
комбинированными способами	1000-1700

Привести (Кингстон/табл.3)

Для определения величины конструкционной прочности стекла, закладываемой в расчеты с учетом величины и продолжительности действия эксплуатационных нагрузок, важными являются данные о длительной прочности стекла. С увеличением времени пребывания под нагрузкой с 10 с до 28 ч прочность стекла как сырого, так и упрочненного снижается вдвое. Зависимость долговечности стекла (τ), т.е. времени наступления разрушения под нагрузкой ( σ ), описывается логарифмическим законом

lg τ = a - γ lg σ

где а и γ - коэффициенты, характеризующие предел кратковременной прочности стекла (при τ = 1с ), и его статическую усталость.

Циклические нагрузки снижают прочность стекла аналогично статическим. Статическая усталость стекла усиливается в воде и по мере увеличения влажности воздуха, что свидетельствует об усилении взаимодействия между стеклом и химической средой.

К особенностям механических свойств стекла относится его способность "запоминать" механические воздействия, если величина вызываемых напряжений превышает 10 МПа.

С увеличением температуры от комнатной до 200°С кратковременная прочность стекла на воздухе снижается на 30-40%. Дальнейшее повышение температуры до 400°С приводит к возврату и даже некоторому возрастанию значений прочности. Но наибольшую прочность показывают образцы стекла, испытываемые при температуре жидкого азота (около минус 200°С).

Причиной высокотемпературного повышения прочности является закругление острых краев микротрещин и снижение их опасности с началом пластической деформации стекла. "Залечивание" трещин оказывает большее

влияние на прочность стекла, чем ослабление химических связей между атомами, вызванное нагреванием (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость кратковременной и длительной прочности стекла

Материал, условия испытаний	σкр, МПа	σдлит, МПа	σдлит σкр
Стекло упрочненное травлением	2000	1000	0,5
Стекло с искуственно поврежденной поверх­ностью при температуре ( ° С )
20	25	12,5	0,5
100	23	11,7	0,5
200	25	12,6	0,5
300	32	16,0	0,5

Привести (Кингстон/табл.3)

Важным фактором, влияющим на температурную зависимость прочности стекла, является коррозионное воздействие окружающей среды, в частности воды, усиливающееся при возрастании температуры до 100-200°С и ослабляющееся при более высоких температурах. С уменьшением температуры в области отрицательных значений протекание физико-химических процессов с участием влаги затормаживается, что ведет к повышению прочности стекла.

Аналогичные температурные зависимости наблюдаются по показателям твердости и абразивной стойкости стекла.

3.2. Органическое стекло

Для остекления фонарей кабин и салонов самолетов и вертолетов применяют органические стекла (термопласты) - полиметилметакрилаты (ПММА) СО-95, СО-120, СО-180 (Э-2) и СО-200 и поликарбонат СО-150 (цифры обозначают температуру стеклования).

Органические стекла по сравнению с силикатными стеклами обладают пониженной в 2 раза плотностью ( d ) и повышенной удельной ударной вязкостью. Стекла бесцветны, имеют границу пропускания в УФ-области при 300-400 нм, уровень пропускания в видимой области 80-90% (табл. 5 ).

В зависимости от температуры органические стекла могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. В результате процесса ориентации резко повышается ударная вязкость, несколько повышается прочность стекол и значительно уменьшаются их пластические характеристики. Полиметилметакрилаты весьма склонны к образованию поверхностных волосяных трещин ("серебра"), возникающих под действием растягивающих напряжений при производстве, монтаже, в условиях эксплуатации под действием избыточного давления, аэродинамических нагрузок, температурных перепадов, уф-облучения, влажной среды и т.п.

Кроме склонности к возникновению "серебра", недостатком органических стекол является оптическая нетермостойкость, выражающаяся в появлении оптических дефектов (сыпи, ряби, полосности, светлых точек и т.п.), вызывающих недопустимые оптические искажения после формования при температурах выше температуры стеклования. Резко выраженная оптическая нетермостойкость стекол СО-180 и СО-200 послужила основанием для изготовления гнутых деталей фонарей, иллюминаторов методом формования в процессе полимеризации в профилированных матрицах из силикатного стекла. Однако, если рабочие температуры превышают температуру стеклования этих стекол, под влиянием постоянно возникающих и развивающихся факторов оптической нетермостойкости начинают снижаться оптические характеристики остекления. ( Проблемы с оптикой «Оптика не нормируется» и с самим материалом (Су-35, МиГ-31 и др)

Органические стекла, в особенности поликарбонат, легко царапаются, поэтому требуют специальных покрытий или зашиты силикатным стеклом. Царапины и дефекты оптической нетермостойкости устраняют шлифовкой и полировкой оргстекла по мере их возникновения в условиях эксплуатации.

Таблица 5

Основные физико-механические свойства органических стекол

Марка	Химическая природа стекла	d, кг/м3	Тстекл °С	σ Р, МПа	σиз, МПа	а, кДж/м22	Е, МПа
СО-95	Пластифицированный ПММА	1180	95	77,5	99	13	2900
СО-120	Непластифицированный ПММА	1200	120	81,5	126,5	14,5	3050
АО-120	Непластифицированный ПММА	1200	120	82	128	34	3050
СО-150 (дифлон)	Поликарбонат	1200	150	60	100	120	2200
СО-1 80 (Э-2)	Теплостойкий акрилат	1200	180	96	-	17	3550
СО-200	Сополимер	1100	200	95	-	18	3550

Привести (Кингстон/табл.3)

Рабочая температура оргстекла СО-120, определяемая по комплексу физико-механичсских свойств, ограничена 80°С (длительно) и 100°С (кратковременно). Более высокими механическими свойствами, в том числе длительной прочностью и ползучестью, обладает оргстекло СО-180 (Э-2) и его ориентированный вариант АО-180 (Э-2у). Благодаря повышенной термопрочности и термоустойчивости эти стекла могут эксплуатироваться при 100°С и кратковременно при 200° С.

У ориентированных стекол снижение длительной прочности происходит быстрее, чем у неориентированных; при этом имеет значение степень ориентации и температура эксплуатации. Максимальное значение предела прочности при растяжении (σ_р) длительной прочности, модуля упругости (Е) и других свойств стекла АО-120 приходится на степень вытяжки 55-60%.

(Рассказать в каких случаях предпочтительнее использовать оргстекло – иллюминаторы, форточки – из файла Airbas)

3.3. Кварцевое стекло

Важнейшим материалом, используемым в настоящее время в качестве прозрачного элемента космического аппарата, жаропрочного остекления самолетов, свето- и ИК-прозрачных люков бортовых оптических приборов, является кварцевое стекло, обладающее высокими показателями отдельных свойств и их благоприятным сочетанием. Являясь практически однокомпонентным веществом (содержание SiQ₂ 99,99-99,999%), кварцевое стекло может быть получено различными способами, не допускающими внесения нежелательных примесей.

Сырьем для кварцевого стекла служит природный кварц, горный хрусталь, искусственно выращенные кристаллы кварца, синтетическая двуокись кремния, летучие соединения кремния, окисляемые при высокой температуре (табл. 6).

Большинство физических свойств кварцевых стекол различных марок одинаково: плотность - 2,203 г/см³, модуль упругости 74,5 ГПа, температурный коэффициент линейного расширения в интервале 20-1000°С - около 5 • 10^-7 К^-1. При низких температурах (около -100°С) ТКЛР становится близким к 0 и отрицательным в области -200° С. Среди известных стеклообразных материалов кварцевое стекло отличается наиболее высокой термостойкостью, способно выдерживать без разрушения резкие теплосмены или градиенты температур в 1000°.

Таблица 6

Типы промышленных кварцевых стекол

Способ производства	Содержание примесей	Марки стекол
Плавка крупки кремнезема в вакууме или вакуум-компрес­сионных печах	металлов < 10-2 ОН-групп <5.10-4	КИ
Плавка кварцевой крупки в водородно-кислородном пламени	металлов < 10-2 ОН-групп (1,5-6).10-2	КУ-2, KB
Высокотемпературный гидролиз «SiCl4» в пламени водородно-кислородной смеси или природного газа	металлов < 10-4 ОН-групп 0,2 хлора (1-3) • 10-2	КУ-1, КУ-1.1, КСГ
Окисление SiCl4 -в высокочас-тотной плазме и напыление заготовки методом высокотем­пературного гидролиза SiCl4 и ее остеклование в сухой атмосфере	металлов < 10-4 OH-гpyпп 0,4. 10-2 хлора < 6 • 10-2	КУВИ, КСП

Привести (Кингстон/табл.3)

В то же время прочность кварцевого стекла невысока (при поперечном изгибе 50-70 МПа). Из-за низкого ТКЛР кварцевое стекло не упрочняется закалкой, а из-за отсутствия щелочных ионов в своем составе не подвергается упрочнению ионным обменом.

Это можно объяснить следующим образом.

(Кингстон/МГУПИ/Степень закалки)

Степень закалки стекла в соответствии с [Справочник по производству стекла Т.2……] равна:

 = В^.10⁷ (^.Е/(1-))Т_g (),

Где:  - степень закалки (Кг/см²);

В – оптическая постоянная напряжения в (см²/кг);

 - Коэффициент линейного расширения в (1/град);

Е – модуль Юнга (упругости) в (Кг/см²);

 - коэффициент Пуассона;

Т_g – температура стеклования, (^оС)

 - постоянная, зависящая оп параметра охлаждения;

 - параметр охлаждения, зависящий от параметра БИО.

Кварцевое стекло:

данные из: О.В. Мазурин, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайковская. Свойства стекол и стеклообразующих расплавов. Справочник т.1, изд. Наука. Л.1973, 443 С.

Т_g – температура стеклования кв. стекла = 1225 (^оС)

Е – модуль Юнга = 7100 кг/мм² =710000 кг/см²

 = 0,16

В = 3,56^.10^-13 см²/дин = 3,56^.10^-10 см²/Н = 3,6^.10^-9 см²/кг

^. = 5^.10^-7, (1/град);

Листовое стекло

Т_g – температура стеклования листового стекла = 540 (^оС)

Е – модуль Юнга = 6900 кг/мм² = 690000 кг/см²

 = 0,22

В = 3,56^.10^-13 см²/дин= 3,56^.10^-10 см²/Н = 3,6^.10^-9 см²/кг

^. = 90^.10^-7, (1/град);

Для одинаковых условий охлаждения листового и кварцевого стекла можно записать :

() = _кв.ст./ В^.10⁷ (_кв.ст.^.Е _кв.ст./(1- _кв.ст.))Т_{g кв.ст.}

() = _{лист.ст.}/ В^.10⁷ (_{лист.ст.}^.Е _{лист.ст.}/(1- _{лист.ст.}))Т_{g лист.ст.}

_кв.ст. = _{лист.ст.} В^.10⁷ (_кв.ст.^.Е _кв.ст./(1- _кв.ст.))Т_{g кв.ст.}

/ В^.10⁷ (_{лист.ст.}^.Е _{лист.ст.}/(1- _{лист.ст.}))Т_{g лист.ст.}

Сокращая оптическую постоянную, одинаковую для обоих стекол получаем

_кв.ст. = _{лист.ст.} (_кв.ст.^.Е _кв.ст./(1- _кв.ст.))Т_{g кв.ст.} /(_{лист.ст.}^.Е _{лист.ст.}/(1- _{лист.ст.}))Т_{g лист.ст}.

Например, для 6 мм стекол и условий охлаждения, при которых у листового стекла достигается степень закалки 2 (N/см) - для кварцевого стекла степень закалки получается:

_кв.ст. = [2 (N/см){ 5^.10^-7 710000/(1- 0,16)}1225]/{90^.10^-7690000/(1- 0,22)}540 = 0,24 (N/см)

Или, например крайний случай условий охлаждения для 20 мм стекол , при которых у листового стекла достигается максимальная степень закалки 5,5 (N/см) - для кварцевого стекла степень закалки получается:

_кв.ст. = [5,5 (N/см){ 5^.10^-7 710000/(1- 0,16)}1225]/{90^.10^-7690000/(1- 0,22)}540 = 0,66 (N/см)

Полузакаленным считается стекло со степенью закалки от 0,9 до 2 (N/см), а у кварцевого стекла даже при максимальных условиях охлаждения степень закалки получается ниже.

В отличие от силикатного стекла, получаемого методом флоат-процесса не требующего дополнительной оптической обработки, кварцевое стекло, используемое как для оптических элементов, так и для визуальных иллюминаторов после наплавки блока обрабатывают механическим способом. При воздействии абразива поверхность кварцевого стекла покрыта сетью микротрещин. Эти микротрещины, по мнению Гриффитса, являются концентраторами напряжений. Поэтому при простой механической обработке пластин кварцевого стекла их прочность на изгиб не превышает (3040) МПа.

Гриффитс вывел следующее выражение для разрушающего напряжения стекла [Прочность стекла. Сборник статей. Пер. с англ. В.А. Берштейна, Н.М. Неймарк., Я.А. Федоровского под. ред. В.А. Степанова., изд. «МИР», М., 1969. 339 с.].

σ_разр = ( )

Где σ_разр – разрушающее напряжение,

Е – модуль упругости,

ϒ – поверхностное натяжение,

с – глубина эллипсовидной трещины

Инглис вывел выражение между напряжением на дне трещины и приложенным напряжением:

σ_с = σ_m (1 + ) ≈ σ_m ( )

Где σ_с – напряжение на дне трещины

σ_m – приложенное напряжение,

с – глубина эллипсовидной трещины,

ρ – радиус кривизны у дна трещины.

Единственным способом упрочнения кварцевого стекла является способ тонкой оптической обработки.

Упрочнение кварцевого стекла способом тонкой оптической обработки.

Сущность способа заключается в выборе такого количества переходов оптической обработки с выбором размера зерна основной фракции и глубины снимаемого слоя, чтобы в итоге глубина трещиноватого слоя была бы менее 1 мкм.

Каждый последующий после первого алмазный инструмент должен снять слой такой толщины, который был бы равен или чуть превышал уровень трещиноватого слоя от предыдущего алмазного инструмента.

Трещиноватый слой равен

F = k^.D ( )

Где F – глубина трещиноватого слоя,

k - коэффициент перехода = 0,7

D - верхний предел размера зерен основной фракции.

При изготовлении пластин для космических ИКО полируют и торцы стекла.

В результате оптической обработки удается повысить прочность кварцевого стекла на изгиб до (70-100) МПа.

Наличие различных видов неоднородностей, возникающих при наплавлении блока стекла, в особенности слоистых неоднородностей и свилей, приводит к расширению дисперсии прочности и, следовательно, к снижению расчетных значений конструкционной прочности стекла.

Чистый стеклообразный кремнезем прозрачен в широкой области спектра oт 160 до 3500 нм. Коротковолновая область пропускания ограничена краем полосы фундаментального поглощения, обусловленного электронной природой химической связи Si-О. Край поглощения чистого паросинтетического стекла находится в области 153 нм. При повышении температуры он смещается в длинноволновую сторону и при 1000°С находится в области 190 нм. Длинноволновая граница поглощения обусловлена собственными колебаниями связи Si-О и ее обертонами.

Наиболее характерными для пропускания промышленных марок кварцевых стекол в УФ-области являются полосы поглощения в области 245, 205, 190 и 163 нм. В зависимости от способа получения стекла интенсивность полос колеблется от минимальной у паросинтетических стекол и полученных окислением (SiCl₄) , возрастая у газонаплавленных из искусственного кварца и достигая максимума у электронаплавленных из природного кварца различной чистоты.

Помимо вышеперечисленных полос в кварцевых стеклах могут наблюдаться и другие полосы, обусловленные примесями металлов и других элементов, а также водой, которая в стеклообразном кремнеземе существует в виде неассоциированных групп ОН, ответственных за появление полос поглощения в ИК-области спектра : 2,7: 2,2: 1,38 и 0,95 мкм.

Характеристики промышленных кварцевых стекол

Таблица 7

Марка кварц, стекла	Характеристика	Наибольшие размеры заготовок, , мм	Температура начала деформации, оС	Радиационно-опти-ческая устойчивоть. (доза. Р)*
КУ-1	Прозрачное в УФ и видимой областях спектра, без полос поглощения в интер­вале длин волн 170-230 нм, с интенсив­ной полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм нелюминес-цирующее, радиационно-оптически устойчивое	400	1250	109-1010
КУ-2	Прозрачное в УФ и в видимой областях спектра, с интенсивной полосой погло­щения в интервале длин волн 170-250 нм, с заметной полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм	1200	1330	109
KB	Прозрачное в видимой области спектра с заметными полосами поглощения в интервале длин волн 170-250 им и 2600-2800 нм	1200	1330	108
КИ	Прозрачное в видимой и инфракрасной области спектра, без заметной полосы поглощения в интервале длин волн 2600-2800 нм	200	1340	104
КУВИ	Прозрачное в УФ видимой и инфракрасной областях спектра, без заметных полос поглощения в интервале длин волн 170-250 нм, с незначительной полосой поглощения в интервале длин волн 320-350 нм, с полосой поглощения в интервале 2600-2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое	160		109-1010 ;

*) В качестве характеристики радиационно-оптической устойчивости приведена доза ионизирующего γ - облучения, вызывающая заметное потемнение части спектра (фиолетовое окрашивание).

Привести (Кингстон/табл.3)

Стандартные кварцевые стекла различных марок (ГОСТ 15.130-86) (табл. 7) имеют значения показателя поглощения света в видимой области спектра не более 0,005 см-¹ и отличаются наличием полос поглощения в ультрафиолетовой и инфракрасной части спектра, температурой начала деформации и уровнем радиационно- оптической устойчивости (табл. 7).

Кроме промышленных кварцевых стекол, вошедших в ГОСТ 15.130-86, разработан ряд новых видов кварцевых стекол.

Особо чистое безгидроксильное кварцевое стекло, получаемое в виде блоков весом до 20 кг методом вакуумной электроплавки вибрационно уплотненной синтетической двуокиси кремния, отличается от стекла КИ пониженным на порядок содержанием примесей и повышенной на 30°С температурой начала деформации при сохранении тех же оптических показателей.

Оптически однородное особо чистое кварцевое стекло марки КУ-1.1. получают парофазным синтезом из ректифицированного четыреххлористого кремния в пламени водородно-кислородной горелки. К особенностям техноло-гического процесса получения этого стекла относится то, что наплавление его ведется при сохранении стабильных параметров в любой точке поверхности наплавления. Это позволяет получать стекло, отличающееся высокой оптической однородностью в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Оптические кварцевые стекла КПП и КС-4В отличаются очень высокими оптическими характеристиками. Содержание гидроксила на 0,5-l, a примесей на 1-1,5 порядка ниже, чем в стекле марки КУВИ, благодаря чему эти стекла могут использоваться как высококачественный оптический материал для работы с приборами в УФ- и ИК-диапазоне.

3.4. Оптическое термостойкое стекло

Для ИКО, работающих при температурах свыше 150°С или испытывающих резкие теплосмены, в качестве прозрачных элементов используются термостойкие стекла оптического качества. Термостойкость стекла характеризуется коэффициентом термостойкости К, равным

K = {σ_р/( α^. Е)}^.( λ/C^. d)^0.5

где σ_р - предел прочности стекла при растяжении (изгибе), МПа

α - температурный коэффициент линейного расширения, К^-1

Е - модуль упругости, МПа

λ - теплопроводность, Вт м^.К.

С - теплоемкость, Дж/кг^.К

d- плотность стекла, кг/м³

Термостойкость изделий из стекла, помимо свойств самого стекла, зависит от размеров и формы изделий, толщины стекла и рассчитывается по формуле:

К = { (σ_изг(1- μ)/ α^. Е} S

гдe σ_изг – предел прочности стекла на изгиб (растяжении), МПа

μ - коэффициент Пуассона

α - температурный коэффициент линейного расширения, К^-1

Е- модуль упругости, МПа

S- фактор, зависящий от формы и размеров образца.

Из показателей, входящих в уравнения термостойкости, наиболее сильно от состава стекла зависит температурный коэффициент линейного расширения α.

Наглядно это можно показать на соотношении коэффициентов термостойкости кварцевого и листового стекол.

Для этого примера выбираем одинаковые по размеру, например 60х20х6 образцы кварцевого и листового стекол, чтобы исключить фактор S, зависящий от формы и размеров образца. При этом образец кварцевого стекла будет изготовлен методом тонкой оптической обработки с σ_изг – 70 МПа, а образец листового стекла будет хорошо отожжен с σ_изг – 120 МПа.

Е_кв.ст. – модуль Юнга = 7100 кг/мм² =710000 кг/см² = 71000 МПа

 _кв.ст. = 0,16

 _кв.ст.^. = 5^.10^-7, (1/град);

Е_{л. ст.} – модуль Юнга = 6900 кг/мм² = 690000кг/см² = 69000 МПа

 _{л. ст.} = 0,22

 _{л. ст.}^. = 90^.10^-7, (1/град);

К _кв.ст. / К _{л. ст.} = {[ σ_{изг кв. ст.} (1- _кв.ст.)/  _кв.ст.^. Е_кв.ст.]S}/{[ σ_{изг л. ст.} (1- _л.ст.)/  _л.ст.^. Е_л.ст.]S}

Подставляя значения и сокращая параметр S получаем:

К _кв.ст. / К _{л. ст.} ={[70(1-0,16)/ 5^.10^-7 71000]}/{[120(1-0,22)/ 90^.10^-7 69000]} = 10,98

У листового стекла термостойкость равна 90-100^о, у кварцевого около 1000^о . При этом отношение σ_{изг кв. ст.}/ σ_{изг л. ст.} = 0,58;

(1- _кв.ст.)/ (1- _л.ст.) = 1,08;

Е_л.ст./ Е_кв.ст. = 0,97;

 _{л. ст.}/  _кв.ст. = 18

Таким образом, термостойкость стекла обратно пропорциональна величине термического коэффициента линейного расширения () и прямо пропорциональна пределу прочности на изгиб.

Термостойкими являются все стекла с низким (менее 60^.10^-7К^-1) температурным коэффициентом линейного расширения, а также стекла, подвергнутые закалке и химическому упрочнению.

Показать на примере сравнительного расчета термостойкости листового стекла и кварцевого стекла по вышеприведенным формулам

(Кингстон/Термост-стекла)

По химическому составу термостойкие стекла подразделяются на - боросиликатные (ЛК-5, ОТМ 007, ОТМ 010, СЭТ-1, МКР) -алюмосиликатные (136, ТСМ 508)

-алюмоборосиликатные (316, ТСМ 504, ТРЛ10, ОТМ 015, ТСМ 506, ТСМ 507) -щелочные алюмосиликатные химически упрочненные (ТСМ 404, ТСМ 405, ТСМ 412, ОТМ 016).

Объяснить на примере структуры стеклообразной сетки (папка/Кингстон(F)/фото/IMG_0777), почему алюмосиликатные и боросиликатные стекла термостойкие.

Свойства термостойких стекол см. таб. 8.

Свойства термостойких стекол

Таблица 8

Свойства	Показатели
	ТСМ- 502	ТСМ -504	тсм- 508	ТСМ -566	ТРЛ-10	ЛК-5	ТСМ- 506	ОТМ- 007
Плотность, кг/м3		2500	2900	2300	2500	2260	2300	2380
Интегральное пропускание в види­мой части спектра, %, (толщина 10 мм)	87	88	86	88	88	90	86	86
Температурный коэффициент линейного расширения (20-300°С), α 10-7К-1	46,5	48	47	45	38	38	57	37
Температура начала деформации, оС	660	760	850	745	780	675	660	640
Термостойкость, град.	350*	150	140	125	200	180	130	175
Прочность при изгибе, МПа сырое закаленное					50 145	40	30 80	115 140

•) после упрочнения

(Кингстон/Термост-стекла)

Благодаря высокой температуре начала деформации термостойкие стекла могут использоваться в условиях специальных режимов при температурах на уровне 600°С, а при резких теплосменах - в пределах их термостойкости. В целях повышения характеристик этих стекол используется закалка, позволяющая повысить термостойкость в 1,5-3 раза, а прочность в 2-4 раза. Однако, из-за релаксации закалочных напряжений температура длительной эксплуатации закаленных стекол снижается до 300°С.

В целях повышения надежности оптических элементов разработаны стекла ТСМ 404 и ТСМ 405, предназначенные для упрочнения ионным обменом. Натриево-алюмосиликатное стекло ТСМ 404 упрочняется в расплаве КNО₃, образуя сжатый слой толщиной до 300-500 мкм в зависимости от температуры и времени обработки. Литиево-алюмосиликатное стекло ТСМ 405 упрочняется в расплаве NaNO₃ , образуя сжатый слой толщиной 200-500 мкм.

Увеличение толщины сжатого слоя упрочненного стекла обеспечивает сохранение достаточно высокой прочности, несмотря на абразивное повреждение поверхности (табл. 9).

Таблица 9

Свойства ионноупрочняемых стекол

Свойства	Показатели
	ТСМ-404	ОТМ-016	ТСМ-405	ОТМ-015
Прочность, МПа исходное упрочненное	40 410	40 440	30 450	80 420
Температурный коэффициент линей­ного расширения, α.10-7К-1	91	88	94	60
Термостойкость, °С исходное упрочненное	55 180	120 450	85 300	140 400
Температура начала деформации, °С	630	660	650	700
Интегральное светопропускание, % (толщина 10 мм)	87	89	88	89

(Кингстон/Термост-стекла)

3.5. Цветное сигнальное стекло

Для бортовых сигнальных, габаритных, аэронавигационных (штурманских), кодовых, импульсных огней применяются цветные стекла (светофильтры). Окраска достигается введением в силикатное стекло красителей в виде ионов меди, хрома, кобальта, серы, селена, кадмия, цинка др. (табл.10).

Таблица 10

Характеристики некоторых светофильтров

Марка	Цвет	ТКЛР	Термостой-	Светотехнические характеристики
стекла		α.10-7К-1	кость, °С	Пропускание, %	Предельный цветовой тон, нм	Чистота цвета, %
ТСК-6	красный	52,4	120	23	617	99
КСО	красный	62	120	18	610-700	95
ТСМ 500	красный	42,7	180	16	610-700	95
ТСМ-501	оранжевый	41	130	38	585-600	85
ТСМ-502	зеленый	46,5	130	14	495-545	45
ЗС-112	зеленый	62	115	18	495-563	48

(Кингстон/Термост-стекла)

В связи с использованием на борту летательного аппарата мощных импульсных источников света к цветным стеклам предъявляются высокие требования по термостойкости, что обеспечивается разработкой составов с пониженным температурным коэффициентом расширения. Дополнительное упрочнение стеклоизделий повышает термостойкость в 2-3 раза.

Светофильтр характеризуется диапазоном пропускания (цветовой тон), коэффициентом пропускания и чистотой цвета.

Известно, что смешением трех независимых цветов (красного, зеленого и синего) можно получить излучение любого цвета: A=xX+yУ+Zz, где х, у и z цветовые компоненты (пропорции) монохроматических лучей. При условии x+y+z = 1, для характеристики цвета достаточно двух из этих величин, например, х и у, которые являются координатами цвета на цветовой диаграмме (рис. 12).

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 х

Рис. 12. Цветовая диаграмма для определения цветового тона и чистоты цвета по координатам цветности х у относительно стандартного источника.

Цветные стекла, используемые на борту космических аппаратов, должны обладать радиационно-оптической устойчивостью. Например, зеленое стекло ТСМ 305 и красное стекло ТСМ 308 выдерживают дозу облучения до 10⁶-10⁸ Р.

3.5 Материалы прозрачные в инфракрасной области спектра

Для изготовления изделий конструкционной оптики, работающих в составе бортовых авиационных и космических приборов и систем в инфракрасной области спектра, требуются материалы, обладающие необходимым уровнем пропускания в заданном спектральном диапазоне, механической (конструкционной) прочностью и химической устойчивостью.

Электромагнитные колебания, проходящие через атмосферу, поглощаются неравномерно в зависимости от длины волны. Поглощение в соответствующем диапазоне определяется газами, входящими в состав атмосферы (водяной пар, углекислота и некоторые другие). Спектральные области наибольшей атмосферной прозрачности ("окна") являются основными каналами распространения излучения.

Для оптических элементов инфракрасной техники используются стекла, поликристаллические материалы (оптическая керамика), монокристаллы.

О О 1.

Кварц, кварцевое стекло (SiO2_;)

0,3 Нитрид кремния (Si3N4

I 0,4

Карбид кремния (SiC)

Стекло (Al2O3-CaO-SiO2)

Оксинитрид алюминия (9Аl2О₃ 5AIN) 5

Шпинель (MgAI₂O₄)

Лейкосапфир (Аl2О3)

Диоксид циркония (ZrO₂)

Оксид иттрия (Y2O3)

Фторид магния (МgF2)

Фторид магния (MgF₂) монокристалл 0,7

MgF₂ (гор. прессов.)

Фторид лития (LiF) 0,5

Фосфид галлия (GaP)

Фторид кальция (CaF2)

Сульфид цинка (ZnS) CVD+

Сульфид цинка (ZnS)

6 Халькогенидное стекло (As2S3)

Фосфид индия (InP)

Арсенид галлия (GaAs)

Селенид цинка (ZnSe) Германий 8

Фторид бария

Сульфид кадмия (CdS)

Фторид свинца (PbF2)

Теллурид кадмия (CdTe)

Хлорид натрия (NaCI)

Хлорид серебра (AgCI)

Хлорид калия (KCI)

Бромид калия (КВг)

KRS-5 (TIBr/TlJ)

Иодид калия (KI)

Бромид таллия (TIBr)

Бромид цезия (CsBr)

—■ Иодид цезия (Csl)

F/МГУПИ/(Таб-ИК-мат)

Стеклообразные материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с кристаллами, отличаясь высокой оптической однородностью, относительной

простотой технологии изготовления, возможностью получения заготовок больших размеров, повышенной механической прочностью.

Прозрачность стекол в основном зависит от состава стекла и условий его получения. Пропускание стекол в ИК-диапазоне определяется характеристическими колебаниями соответствующих структурных компонентов. Предельная частота пропускания зависит от атомных масс элементов, участвующих в образовании химической связи, а также от силовых постоянных межатомных связей. Поэтому ИК-прозрачные стекла синтезируются на основе элементов с высокими атомными массами или слабыми межатомными связями.

1. Оксидные системы с высокими массами катионов (силикаты и германаты свинца, стеклообразные As₂O₅, Sb₂О₃, V₂O₅, ТеО₂ и др.

2. Оксидные системы, характеризующиеся низкой величиной силовых постоянных межатомных связей (кальцийалюминатные, кальцийгаллатные и др.).

3. Бескислородные стекла с высокими массами катионов и анионов (сульфиды, селениды, теллуриды, арсениды, германия и других тяжелых элементов, фториды магния, стронция, бария, циркония, кадмия, цинка, иттрия, свинца и др. элементов).

Наличие в силикатных и германатных стеклах гидроксильных групп и углекислого газа приводит к появлению полос поглощения при 2,7-3,25 и 4,2 мкм.

В табл. 11-13 приведены основные свойства ряда оксидных стекол. Термостойкость этих стекол относительно невелика (50-100^оС), поэтому в случае резких теплосмен, превышающих ее предел в условиях эксплуатации, стекла могут разрушиться, если не принять специальных мер по упрочнению. Кроме того, химическая устойчивость большинства не силикатных стекол низка, поэтому применяются защитные покрытия.

Таблица 11

Основные свойства некоторых кальций-алюминатных иттриевых ИК-прозрачных стекол

Наименование свойств	Показатели
	АКС-3	ТСМ-205		БС-14	ИКС-15	ТСМ-209
Область пропускания, мкм	.0,4-5,5	0,2-5,5	0,4-5,5		2,0-5,5	0,4-5,5
Плотность,г/см3	3,27	3,27	3,08			3,2
Температура размягчения, °С	765	790	790		800	780
ТКЛP • 107 К-1	92	89	90		90	86
Термостойкость, °С	65	95				90
Прочность при изгибе, МПа	63	140				66
Максимальные размеры заготовки, мм	600х200х 20	600х200х 20			400x400x10	600x250x10 полусферы 350

(Кингстон/Термост-стекла)

Таблица 12

Основные свойства некоторых галатных ИК-прозрачных стекол

Наименование свойств	Показатели
	ТСМ-206	ТСМ-207	ТСМ-212	ИКС-213	ТСМ-204
Область пропускания, мкм	0,2-6,0	0,2-6,0	0,5-6,5	0,3-5,8	0,3-6,0
Плотность, г/см3	4,2	3,79	4,4	4,77	4,64
Температура размягч., °С	725	720	700	600	620
ТКЛР • 10-7 К-1	87	92	86	113	110+0,5
Термостойкость, °С	50	55	95	45	80±0,5
Прочность при изгибе, МПа	57		65	65	50
Химстойкость	нестойкое	слабо стойкое	нестойкое	Стойкое	нестойкое
Максимальные размеры заготовки, мм	600х600х 20	600х200х 20		600х250х 10 полусфера 350	600х250х 10 полусферы 350

Таблица 13

Основные свойства некоторых, германатных ИК- прозрачных стекол

Наименование свойств	Показатели
	ГА-13-9	ТСМ-221М	ТСМ223	ТСМ-224
Область пропускания, мкм	0,5-6,0	0,3-5,5	1,0-5,5	0,3-5,5
Плотность , г/см3	3,9	3,9	4,15	3.23
Температура размягчения, °С	660-690	705	700	650
ТКЛР • 10-7 К-1	78-80	62	68	96
Термостойкость, °С		105	100	250; 450*)
Прочность при изгибе, МПа	50; 220*)	140
Химстойкость	стойкое	стойкое	стойкое	слабо стойкое
Модуль упругости, ГПа	7,5.104	8,5.104
Показатель преломления		1,667	1,710	1,637

*) после упрочнения

(Кингстон/Термост-стекла)

Для работы на длине волны более 6 мкм применяются бескислородные (халькогенидные) стекла, отличительной особенностью которых является низкая температура размягчения и малая твердость.

Бескислородные халькогенидные стекла представляют собой обширную группу ИК-прозрачных материалов, различающихся областью пропускания, температурным коэффициентом линейного расширения и другими свойствами. Все они устойчивы к воде и обычным химическим реагентам.

В табл. 14 приведены свойства некоторых халькогенидных стекол с температурой размягчения выше 300° С. Несмотря на достаточную химическую устойчивость, эти стекла имеют низкую прочность и высокий ТКЛР и, как следствие, низкую термостойкость.

Варка этих стекол производится в условиях вакуума в запаянных кварцевых сосудах. Эти особые условия технологии производства ограничивают возможность получения пластин больших размеров из халькогенидных стекол.

Таблица 14

Основные свойства некоторых бескислородных. ИК-прозрачных стекол

Наименование	Показатели
Свойств	ИКС-26	ИКС-27	ИКС-30	ИКС-31	ИКС-34	ИКС-47
Область пропускания, мкм	1.0-10,5	1,5-16	1,0-11,5	1,2-12	1,0-15,5	1,0-11,5
Плотность, г/см3	3,8	4,89	4,33	4,63	4,47	3.81
Коэффициент пропускан. %	60-70	40-60	54-64	50-60	65-68
Показатель преломления, (2мкн)	2,4644		2,56	2,638	2,59	2,5169
Температура размягч., °С	440	270	390	330	375	440
ТКЛР.10-7 К-1	116	177	122	131	125	110
Прочность при изгибе, МПа	25	20	24			10
Химстойкость	высокая	Высокая	высокая	высокая	Высокая	высокая
Максимальные размеры заготовки, мм	250	250	250	300	300	300

Кингстон/Термост-стекла)

Прозрачные керамические материалы получают путем спекания порошков исходных соединений в вакууме при приложении давления. Жаростойкость таких материалов достаточно высока, но температура эксплуатации в условиях резких теплосмен ограничивается их термостойкостью. Температура эксплуатации бескислородных материалов на воздухе зависит от их окислительной устойчивости.

Оптическая керамика имеет нулевую пористость, практически не содержит стеклофазы и состоит, как правило, из мелких (до 50 мкм) зерен (табл. 15).

Таблица 15

Свойства оксидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов

Наименование свойств	Показатели
	КО-5	КО-51	КО-7	КО-57	КО-60
Область пропускания, мкм	0,4-9,5	0,3-9,5	0,2-6,0	0,2-7,0	0,4-6,5
Коэффициент светопропускания, %	70-80	70-87	70-80	60-84	50
Показатель преломления	1,72	1,7226		1,7168	2,55
Плотность, г/см3	3,58	3,58	3,95	3,6	7,6
Температура плавлен., °С	2800	2800	2030	2125	1300
ТКЛР • 10-7 град-1	136	125	85-90	76	90
Прочность при изгибе, МПа	115	120	230	122	90
Химстойкость	высокая	низкая к кислотам	высокая	высокая	Высокая
Максимальные размеры заготовки, мм	100	200		75	60

Кингстон/Термост-стекла)

Наибольшее применение нашли поликристаллические материалы, получа­емые методом горячего прессования из химически чистых фторидов, сульфидов и селенидов элементов второй группы периодической системы.

(Методы парофазного и газофазного синтеза)

В отличие от монокристаллов соответствующего состава оптическая керамика изотропна, имеет повышенную прочность. Эти материалы пригодны для работы при температурах до 1000^оС (табл. 16, 17).

Таблица 16

Свойства фторидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов

Наименования свойств	Показатели
	КО-1	ИКП-1	КО-3	ОКИ	КО-8	КО-9	КО-10
Область пропускания, мкм	0,5-0,9	2,0-9,0	0,2-11,0	0,4-11,0	0,4-12,0	1,0-14,0	0,2-13,5
Показатель преломления	1,3811	1,3811	1,4338	1,4338		1,4746	1,4746
Коэффициент пропускания, % Плотность, г/см3	90 3,18	90 3,18	90 3,18	4,35	4,35	4,28	90 4,88
ТКЛР • 10-7.К-1	90	80	200	240	210		190
Температура плавления, оС	1255	1250	1360	1360	1190	1200	1300
Прочность при изгибе, МПа	125			30
Химстойкость	высокая	высокая	высокая	высокая	высокая	высокая	удовл.
Максимальные размеры заготовки, мм	350	300	60	100	100	100	60

Кингстон/Термост-стекла)

Фторидная керамика КО-1, ИКП-1, благодаря сочетанию относительно низкого ТКЛР и достаточной механической прочности, обладает высокой стойкостью к тепловым ударам, что обусловливает ее применение в качестве ИК-прозрачных окон, работающих при высоких механических и тепловых нагрузках (до 900 °С).

Таблица 17

Свойства сульфидных ИК-прозрачных поликристаллических материалов

Наименование свойств	Показатели
	КО-2	КО-22	ТСМ-203	КОЛ-5	КОРЗ-1
Область пропускания, мкм	1,0-14,0	0,45-14,0	1,0-14,0	0,5-16,0	0,5-20,0
Показатель преломления	2,2631	2,2631		2,3-2,15	2,8
Коэффициент пропускания, %	47-69		48-68
Плотность, г/см3	4,08	4,08	4,08	4,82	4,97
ТКЛР. 10-7 К-1	69	75	79	45	99
Температура плавления, °С	1830	1830	1830	1500	1825
Прочность при изгибе, МПа Химстойкость	79 высокая	77,5 высокая	70 высокая	63 высокая	Высокая
Максимальные размеры заготовки, мм	350	350	110	50	50

Оптическая керамика КО-2 и КО-22 благодаря высокой жаропрочности (σ=75 МПа при 500°С), химстойкости и лучевой прочности может найти применение в лазерных устройствах и оптических приборах.

Таблица 18

Свойства ИК-прозрачных поликристаллических материалов на основе селенидов и теллуридов

Наименование свойств	Показатели
	КО-4	КО-41	ТСМ-208	KO-6	КО-61
Область пропускания, мкм Показатель преломления	0,5-20 2,4	0,5-20 2,4	0,5-20	2,0-28 2,67	0,9-28 2,7150
Коэффициент пропускания, %	68-70	40-66	40-66	30-60	40-63
Плотность, г/см3	5,26	5,25	5,26	5,85	5,86
Температура плавлен., °С	1450-1520	1520±10	1520	1090	1090
ТКЛР. 10-7 К-1	77	77	77	55	59
Термостойкость, °С	95±15			200-350	200
Прочность при изгибе, МПа		49-59		22-32	32
Химстойкость	высокая	высокая	высокая	высокая	высокая
Максимальные размеры, мм	 100	100	200	 150	150

Поликристаллические теллурид кадмия (КО-6, КО-61 ) и селенид цинка (КО-4, КО-41) предназначены для использования в качестве оптических конструкционных элементов, окон приемников излучения, оптических элементов ОКГ и других изделий конструкционной оптики для работы на волне 10,6 мкм (табл. 18).

Температурный предел использования керамики КО-4 ограничивается 250°С на воздухе из-за образования продуктов окисления. Для керамики КО-6 этот предел -350-400°С.

3.7. Материалы с переменным пропусканием

Возможность управления светопропусканием остекления для зашиты экипажа от интенсивных световых потоков основана на использовании различных физико-химических эффектов в прозрачных материалах, при некоторых внешних воздействиях. Обратимое изменение пропускания может быть вызвано окрашиванием под действием УФ-излучения солнца (фотохромизм), пропусканием через материал постоянного электрического тока (электрохромизм), нагреванием или охлаждением (термохромизм). Кроме того, используется эффект изменения светорассеяния, происходящий в органических жидких кристаллах различных типов в постоянном электрическом поле.

Фотохромные (светочувствительные) стекла содержат в своем составе галоидные соли серебра. Под действием света ионы серебра восстанавливаются до атомарного состояния и образуют центры окраски , которые в темноте или при нагревании разрушаются, возвращая исходную прозрачность: Ag⁺ +Сl- <=> Ag°+Cl°.

Так как ультрафиолетовое излучение поглощается стеклом, то окрашивание происходит только в поверхностном слое фотохромного стекла. Поэтому более эффективным является использование тонкого накладного фотохромного стекла на нейтральной подложке. Для этой цели используются бессеребряные составы, содержащие оксиды меди.

Фотохромные стекла обладают сравнительно небольшой скоростью окрашивания и обесцвечивания, соответственно 5-30 с и 5-20 мин. Максимальная оптическая плотность 0,3-0,8. Органические фотохромные материалы срабатывают быстрее, но их ресурс весьма небольшой, что препятствует применению в авиаостеклении.

Большим быстродействием (менее 1 мин) отличаются электрохромные материалы, к которым относятся пленки оксидов переходных металлов- вольфрама, молибдена, ванадия, ниобия, лантана и др. При пропускании электрического тока происходит изменение валентности ионов металла, что вызывает появление центров окраски в виде атомов металла: Мⁿ⁺+nе->М.

Для использования оксидных пленок в качестве обратимого электрохромного материала создается электрохромная композиция, состоящая из двух прозрачных пленочных электродов, наносимых на поверхности стекол и слоя твердого ионного электролита на одном из электродов. При отключении тока окраска сохраняется, а при смене направления тока окрашивание изменяется на обесцвечивание.

Однако в настоящее время пока, вследствие низкого исходного пропускания конструкции в целом (на каждом слое ТПП поглощается до 7-10%) электрохромные стекла не нашли применения в ИКО, хотя прогресс в разработке электрохромных стекол наиболее реальный по сравнению с другими материалами с переменным пропусканием.

Термохромные стекла содержат в своем составе оксиды кобальта, никеля, меди, висмута и др., ионы, которые при определенных температурах изменяют свою координацию в структуре стекла, вызывая окрашивание или обесцвечивание. В зависимости от состава стекла могут резко изменять пропускание при достижении определенной температуры ("пороговые" стекла) или постепенно наращивать краску в температурном интервале.

В связи с технологическими трудностями получения электрохромных и термохромных и фотохромных материалов достаточных габаритов они пока не нашли практического применения в ИКО.

(Но требования в новых ТЗ к ИКО с использованием электрохромного компонента имеются (Боинг -787) – трудности и проблемы)

На основе более технологичных - фотохромных стекол изготовлены опытные образцы светозащитного авиационного остекления.

Композиции из двух листов силикатного стекла с нанесенными на внутренние поверхности прозрачными электродами, между которыми заключен тонкий (30-50 мкм) слой жидкого кристалла или полимерной пленки с микрокапсулированным в ней жидким кристаллом (ЖК), применяются при изготовлении светорегулирующего авиаостекления на учебных самолетах или наземных тренажерах летного состава.

Микрокапсулированный ЖК, распределенный в матрице с отличающимся показателем светопреломления, в исходном состоянии образует светорассеивающую непрозрачную среду. Под действием электрического поля показатели преломления ЖК и матрицы выравниваются, и среда становится прозрачной. ЖК с эффектом динамического рассеяния света в исходном состоянии является прозрачным, а светорассеяние усиливается по мере роста прилагаемого электронапряжения. Светопропускание при этом изменяется от 70% до 0,1%.

Композиции на основе ЖК рассматриваются для применения в качестве устройств отображения полетной информации на лобовых стеклах кабин.

3.8. Прозрачные покрытия

Для придания ИKO необходимых оптических, электрических, прочностных и других специальных свойств используются различного рода прозрачные покрытия: электропроводящие (электрообогревные, антистатические, СВЧ-защитные), оптические (просветляющие, солнцезащитные, теплоотражающие, свето-фильтрующие), защитные ( абразивостойкие, химстойкие).

Электрообогревный антиобледенительный элемент ИКО получают путем нанесения на поверхность прозрачного элемента слоя металла или полупроводникового оксида, толщина которого определяется задаваемым удельным поверхностным сопротивлением и светопропусканием (с уменьшением толщины растет сопротивление и пропускание). Наибольшее распространение для этой цели получили оксиды олова, цинка, сурьмы, индия, никеля. Например, пленки на основе оксида олова могут иметь удельное сопротивление в диапазоне 10-500 Ом/см² при толщине 0,1-0,5 мкм, поглощают ультрафиолетовые и отражают до 80% инфракрасных лучей, обладают достаточной абразивной и химической стойкостью, работоспособны при температурах от -60°С до 150°С.

Электропроводящие пленки из оксида индия имеют сопротивление 10-100 Ом/см² и сохраняют свои электрические и оптические параметры в интервале -150...+ 400° С.

Высокоомное (10-25 • 10⁶ Ом/см²) покрытие из смеси оксидов олова, сурьмы и цинка толщиной 0,07-0,09 мкм используется для снятия статического электричества с поверхности авиационного остекления или иллюминатора космического аппарата. Для биологической защиты экипажа от СВЧ-излучений, проходящих сквозь прозрачный элемент, применяют низкоомные оксидные покрытия с электросопротивлением не более 10-15 Ом/см². Для снижения сопротивления при сохранении прозрачности в состав оксиднооловянного покрытия добавляют фториды или фосфаты. Подвод тока к электропроводящим покрытиям осуществляется с помощью силикатно-серебряных, органо-серебряных, индиевых, медно-никилевых шинок, наносимых на стекло, и припаянных к ним токовводов.

В целях повышения пропускания, снижения отражения и устранения световых бликов, в особенности на приборных иллюминаторах, используются оптические покрытия на основе оксидов кремния, алюминия, таллия, фторида магния и их смесей. Применение одно-, двух- и трехслойных покрытий снижает отражение от каждой поверхности стекла с 4 до 0,5% в видимой части спектра.

Для просветления ИК-прозрачных оксидных стекол в области 1,8-5,2 мкм и одновременно повышения их химстойкости используют защитно-просветляющие покрытия на основе фторида магния и оксида кремния. Например, на стекле ТСМ 209 кремнеземное покрытие обеспечивает рост пропускания в области 3,5-5 мкм на 4-5% на каждую сторону пластины.