Оптические ситаллы

Кристаллизацией стекла (которая обычно является браком) можно управлять не только для ее уменьшения, но и для создания в стекле огромного количества очень мелких кристаллов. Для этой цели удобны стеклообразующие системы, склонные к микрорасслаиванию и кристаллизации хотя бы одной из микрофаз при последующей термообработке. В 1958 г. были получены отечественные стеклокристаллические материалы, названные по предложению профессора И. И. Китайгородского ситаллами (первая буква взята от стекла, окончание — от кристалла). Ситаллы являются поликристаллическими материалами с очень мелкими равномерно распределенными по объему кристалликами, сросшимися друг с другом или соединенными прослойками остаточного стекла. Если размер единичного кристалла меньше длины волны света, материал остается оптически прозрачным. Технологический процесс производства оптических ситаллов построен таким образом, чтобы не дать вырасти кристаллам крупнее 0,4 мкм. Если показатели преломления кристаллов и остаточной стеклофазы будут близки, то потери света за счет светорассеяния останутся в допустимых пределах. Содержание кристаллической фазы в оптических ситаллах составляет 75%.

Для технологии получения ситаллов характерна последовательная кристаллизация стекла при постепенном повышении температуры, которая обычно осуществляется в несколько этапов. Первая ступень термообработки — выдержка в течение нескольких часов при температуре начала развития метастабильной ликвации или кристаллизации примесной фазы с выпадением ее в виде мельчайших частиц с размерами около 0,1 нм. Выпавшая стеклообразная или примесная кристаллическая фаза создает поверхность раздела между фазами, что облегчает равномерное по объему стекла зарождение одной из основных кристаллических фаз, выпадающих из стекла данного состава при повышении температуры. При дальнейшем повышении температуры продолжается кристаллизация первой основной фазы и выпадение следующих кристаллических фаз.

Свойства ситалла складываются из свойств кристаллического каркаса, образовавшегося в процессе термической обработки исходных стекол, и из свойств остаточной стекловидной фазы.

Для получения оптических ситаллов применяется система из окислов кремния, алюминия и лития с добавками двуокиси титана. В этой системе специальной термообработкой можно выделить кристаллы литиевых алюмосиликатов — сподумена, эвкриптита или петалита, которые обладают очень низким или даже отрицательным коэффициентом термического расширения. В сочетании с положительным коэффициентом расширения остаточной стеклофазы это дает возможность в заданном интервале температур иметь коэффициент расширения ситалла отрицательным, нулевым, слабо положительным (5•10^-7°С^-1) и положительным (57•10^-7°С^-1).

Различие свойств стеклообразной и кристаллической анизотропных фаз в ситалле вызывает в нем наличие неустранимых натяжений, которые при просмотре в поляризованном свете проявляются в виде характерной картины мелкоячеистой сетки. Температура размягчения ситаллов достигает 1400°С, но при 800°С они теряют прозрачность.

По оптическим свойствам кварцевое стекло является обычным кроном с показателем преломления 1,4584 и коэффициентом дисперсии 67,83. Из-за малого коэффициента расширения (5,5•10^-7°С^-1) термооптические свойства кварцевого стекла плохие (V=213•10^-7°С^-1), но зато очень высока термостойкость. Кварцевое стекло обладает высокой механической прочностью в широком интервале температур; оно негигроскопично, устойчиво к воздействию воды и кислот, кроме плавиковой и фосфорной. Только при совместном воздействии высоких давлений и температур кварцевое стекло можно растворить в воде. При облучении плотным потоком быстрых нейтронов кварцевое стекло увеличивает показатель преломления до 1,4763. При нагреве стекла до 800°С его первоначальные свойства восстанавливаются. Кварцевое стекло — один из лучших материалов для изготовления крупногабаритных астрономических зеркал.

Ситаллы требуют высоких температур варки (1550—1600°С). Это обстоятельство в сочетании с необходимостью получения крупногабаритных заготовок предопределило развитие промышленной технологии ситаллов на основе использования печей периодического действия. В результате в заготовках появляются специфические неоднородности. Если при отливе расплава потоки свилей оказались ориентированными, то в заготовке из этого расплава может появиться неодинаковая упругость материала вдоль и поперек потоков свилей, что при изготовлении зеркала приводит к появлению астигматизма. Однако при обработке облегченным разгруженным инструментом это явление не наблюдается.

Заготовки ситалловых зеркал выпускаются серийно диаметром до 2,6 м и толщиной до 0,4 м. Готовится производство более крупногабаритных отливок. Ситалловые заготовки, имеющие большие диаметры, распиливают бесконечным гибким цепным алмазным инструментом. Плоскость от пропила получается гладкая, без вырывов, поэтому способ применим и для снятия припусков с крупных заготовок. Интенсивность резания выше, чем при любом другом способе.