Оптическое стекло и керамика

Влияние условий, близких к невесомости, на технологию производства стекла может быть различным. Во-первых, в невесомости можно осуществить бесконтейнерное плавление, резко уменьшив таким образом поступление в материал вредных примесей со стенок тигля, в котором варится стекло. Во-вторых, можно обеспечить стабильность жидких смесей, компоненты которых сильно различаются по плотности. В-третьих, отсутствие свободной конвекции уменьшает вероятность появления случайных центров кристаллизации, способствует улучшению однородности. В-четвертых, преобладающую роль капиллярных сил можно использовать для того, чтобы придать жидкому расплаву перед затвердеванием необходимую форму (волокна, пленки и т. п.). Использование перечисленных факторов позволяет рассчитывать на (получение в процессе космического производства улучшенных или качественно новых сортов стекол, а также изделий из стекла.

На рис. 12 показано, как меняется с температурой объем расплавленной стеклообразующей массы. Когда по мере остывания расплава достигается температура затвердевания Т_m, дальнейший процесс может развиваться двояко. Если в расплаве присутствуют зародыши (примеси, поступающие со стенок тигля, местные неоднородности по химическому составу и т. п.), то в объеме может начаться кристаллизация и объем будет уменьшаться в соответствии с нижней кривой. Если же образование зародышей кристаллизации удается подавить, а скорость охлаждения сделать достаточно большой, то возникнет сначала состояние переохлажденной жидкости, которая при достижении температуры стеклования Т_g переходит в стекло (верхняя кривая на рис. 12). В космосе возможен процесс бестигельной варки стекла, и однородность расплава будет выше ввиду отсутствия конвекции. Эти преимущества открывают возможности получения на борту космических аппаратов улучшенных и новых сортов оптического стекла.

Рис. 12. Изменение объема жидкости с температурой в процессе варки стекла (Т_m — температура кристаллизации; Т_g— температура стеклования. 1 — расплав; 2 — переохлажденная жидкость; 3 — стекло; 4 — кристалл)

Вместе с тем для успешного развития производства-стекла в космических условиях, по-видимому, придется преодолеть ряд технических трудностей: удаление нежелательных газовых пузырьков из стеклообразной массы в отсутствие плавучести, обеспечение заданного темпа охлаждения без естественной конвекции, контроль температурного режима охлаждения и допустимого уровня случайных ускорений в условиях бесконтейнерного удержания стеклообразной массы.

Все сказанное об особенностях производства стекла в космических условиях относится также и к получению керамики.

Рассмотрим кратко некоторые перспективные направления космического производства стекла и керамики. Цель этих исследований состоит в том, чтобы изучить возможности получения стекол с улучшенными оптическими характеристиками, с высокой температурой плавления, поглощающих и отражающих тепло, для изготовления твердотельных лазеров[11], устойчивых по отношению к химически активным средам и сохраняющих свои свойства в течение длительных отрезков времени, полупроводниковых стекол с «памятью» для интегральных схем [12].

Космическое производство этих стекол может дать ряд преимуществ. Стекла с полупроводниковыми свойствами, например, обладают высоким коэффициентом преломления в инфракрасной области. При выплавке их на Земле трудно обеспечить достаточную оптическую однородность. Другой пример — производство стекол для твердотельных лазеров, содержащих примеси с высокой концентрацией (неодим, иттербий и др.). В космосе можно повысить однородность распределения примеси и одновременно снизить поступление вредных загрязнений со стенок контейнера.

Благодаря отсутствию силы Архимеда и преобладающей роли капиллярных сил в условиях, близких к невесомости, бесконтейнерным методом можно производить изделия из стекла, состоящие из разнородных исходных материалов и обладающие высоким совершенством поверхности. В качестве примера приведем твердые фильтры, которые представляют собой взвесь малых прозрачных частиц внутри прозрачного материала, подобранные таким образом, чтобы показатели преломления этих частиц и материала совпадали лишь для одной длины волны. В результате световое излучение лишь этой длины волны будет проходить сквозь фильтр без потерь, а для всех других длин волн будет происходить сильное рассеивание и поглощение света за счет многократных отражений между частицами. В невесомости можно добиться высокой однородности распределения частиц в основном материале.

Бесконтейнерное производство стекла в космических условиях может привести к уменьшению относительного числа некоторых наиболее типичных дефектов. К таким дефектам относятся:

1) кристаллы, т. е. включения, выделяющиеся из самого стекла в процессе затвердевания;

2) инородные включения (бесконтейнерное стеклование в состоянии резко снизить их концентрацию);

3) свили, т. е. прослойки одного стекла в другом, обладающем иным химическим составом (источником свилей также в значительной степени служит поступление загрязнений со стенок тигля);

4) пузыри, т. е. газовые включения, для их устранения в условиях, близких к невесомости, жидкую стеклообразную массу, возможно, придется подвергать специальной обработке (вращение, вибрация и т. п.).

Существенного улучшения материала можно ожидать также и в случае производства в космосе волоконных световодов. Такой световод обычно представляет собой стержень из стекла с высоким коэффициентом преломления, окруженный стеклянной оболочкой с более низким коэффициентом преломления. Большое различие между этими коэффициентами обеспечивает малое поглощение и высокий коэффициент пропускания по светопроводу.

Качество светопровода зависит от точности соотношений между диаметрами стержня и оболочки, а также между их показателями преломления. Если на границе раздела стержня и оболочки имеются неоднородности размером не меньше длины волны света (разница диаметров, дефекты структуры стекла, неоднородность показателей преломления и т. д.), то на них световая энергия будет частично рассеиваться и поглощаться. На величину поглощения сильно влияет также загрязнение стекла (тяжелыми ионами, парами воды и т. п.) В космических условиях возможно усовершенствование технологии производства волоконных световодов за счет удаления нежелательных примесей при бесконтейнерной плавке, выравнивания диаметров за счет преобладающей роли сил поверхностного натяжения в расплаве.

В качестве примера перспективных керамических материалов, производство которых в космосе может оказаться выгодным, приведем эвтектики, затвердевающие в одном направлении. Этим методом в керамическую основу могут быть внедрены металлические нити.

Высказываются также предложения о производстве в космосе еще одного типа керамических материалов — композиционных микросхем. Эти керамики состоят из стеклообразной массы, включающей взвешенные частицы, которые определяют электронные характеристики материалов. В условиях невесомости можно рассчитывать на повышение их однородности.

Ввиду сложности технологии получения стекла экспериментальные исследования на космических аппаратах в этом направлении сильно отстали от работ в других областях космического производства. В марте и декабре 1976 г. при запуске в СССР высотных ракет были впервые осуществлены эксперименты по плавке стекла. С использованием экзотермических источников энергии исследовались процессы плавления и стеклообразования в условиях, близких к невесомости, на примере стекла с наполнителем (стекло с алюминием), а также особо прочного фосфатного стекла. Доставленный из космоса образец фосфатного стекла частично состоит из зон с газовыми включениями, а частично — из зоны однородного материала. У полученного сплава алюминий—стекло отмечены полупроводниковые свойства.