1. Преимущество стекла на основе SiO2:
- кварцевое стекло является моносоединением, обладает большой химической устойчивостью и высокой механической прочностью;
- минералы для изготовления кварцевого стекла широко распространены (это песок, горный хрусталь и т.д.),
- разработана технология получения высокочистых соединений кремния: тетрахлорида кремния (SiCl4) и тетраэтоксисилана (сложный эфир ортокремневой кислоты и этилового спирта (C2H5O)4Si), на основе которых может быть получено кварцевое стекло очень высокой степени чистоты.
Таблица.1. Основные свойства кварцевого стекла
| Свойство | Значение |
| Плотность, (г/см3) | 2,20 |
| Показатель преломления | 1,458 |
| Коэффициент линейного термического расширения, (град-1) | 5,7*10-7 |
| Теплоемкость, (кал/г*град) | 0,177 |
| Теплопроводность, (кал/см*град) | 0,0033 |
| Микротвердость, (кг/мм2) | |
| Прочность, (кг/мм2): стержней волокон |
2. Исходные материалы для производства кварцевого стекла:
- природные виды кварца (горный хрусталь и его разновидности, жильный кварц и т.д.);
- искусственные кристаллы кварца, выращенные гидротермальным способом в автоклавах;
- тетрахлорид кремния.
3. Основные этапы изготовления:
- дробление кристаллов природного или искусственного кварца;
- промывка шихты в смеси кислот HCl+HNO3 и в воде для удаления с поверхности неорганических загрязнений (сама двуокись кремния нерастворима в этих кислотах);
- полученную крупку перебирают, удаляя различные включения;
- очищенную массу наплавляют в блоки.
4. Применяемые методы наплава:
1 - электротермический наплав крупки в атмосфере Н2,
2 - газопламенный наплав в пламени О2-Н2 горелки,
3 - электротермический наплав крупки в вакууме,
4 - парофазный гидролиз SiCl4 в пламени О2-Н2 горелки,
5 - окисление SiCl4 в кислородной ВЧ-плазме.
Таблица.2. Содержание примесей переходных металлов и гидроксильных групп в трубах из кварцевого стекла.
| Метод получения | Содержание примесей, масс. % | ||||||
| Fe | Cr | Ni | Mn | Cu | Co | OH | |
| 2×10-4 | 4×10-6 | 5×10-5 | 6×10-6 | 5×10-5 | 3×10-6 | 2×10-2 | |
| 4×10-5 | 3×10-6 | 4×10-6 | 2×10-6 | 4×10-6 | <2×10-7 | 3,5×10-2 | |
| 8×10-5 | 5×10-6 | 5×10-6 | 1×10-6 | 3×10-6 | <2×10-7 | 2×10-4 | |
| 1×10-5 | <3×10-6 | 3×10-6 | 1×10-6 | 5×10-6 | <2×10-6 | 1,2×10-1 | |
| 2×10-5 | 3×10-6 | <1×10-6 | 1×10-6 | 3×10-7 | <2×10-7 | 2×10-4 | |
| 3×10-5 | 3×10-6 | <1×10-7 | 9×10-7 | <1×10-7 | <2×10-7 | 1,5×10-8 |
- в строке 6 приведены данные для труб марки "Suprasil F-300" фирмы "Heraeus", полученных из заготовок, произведенных методом OVD.
Рис.1. Спектральные зависимости оптических потерь в ОВ с германосиликатной сердцевиной и светоотражающей оболочкой из кварцевого стекла, полученного различными технологиями: 1- электротермический наплав в Н2, 2 - газопламенный наплав, 3- электротермический наплав в вакууме, 4 - парофазный гидролиз (ИХВВ РАН).
5. Основные марки оптического стекла: КУ, КВ, КИ, КУВИ.
КУ - предназначены для работы в УФ-диапазоне и могут содержать большое количество ОН-групп (до ~ 0,1 масс. %).
КВ - предназначены для работы в видимой области спектра.
КИ – для инфракрасной области, содержат малое количество гидроксильных ионов.
Рис.2. Спектральные зависимости коэффициента пропускания кварцевых стекол марок КУ-1 и КИ.
6. Основные способы производства кварцевых труб:
- одностадийный, когда крупка или блок стекла поступает в молибденовую печь, снизу которой установлены пуассон и дуза, которые определяют наружный и внутренний диаметры трубки;
преимущества: простота, обеспечивает непрерывный процесс вытяжки труб и их относительно хорошую геометрию.
н едостатки: загрязнение трубки молибденом, в результате чего прочность ОВ резко снижается.
- двухстадийный, при котором сначала наплавляют блок стекла, затем его обрабатывают механически, протыкая блок и шлифуя его внутреннюю и наружную поверхности таким образом, чтобы получить необходимое соотношение внутреннего и наружного диаметров в трубке. После механической обработки блок перетягивают в трубы в графитовой печи методом подобия.
преимущества: блок стекла не контактирует с элементами печи и не подвергается загрязнению. Хорошая геометрия: трубы фирмы "Heraeus" 20,2 мм имеют среднестатистическое отклонение наружного диаметра не более 0,08 мм, толщины стенки – не более 0,02 мм, разнотолщинность и овальность - не более 0,01 мм и т.д.
Рис.3. Зависимости показателя преломления кварцевого стекла от концентрации легирующих примесей.
Рис.4. Зависимости КЛТР кварцевого стекла от концентрации легирующих примесей: 1 – GeO2 , 2 – B2O3
Рис.5. Зависимости температуры размягчения кварцевого стекла в зависимости от его состава и концентрации легирующих компонентов: 1 – SiO2*GeO2, 2 – SiO2*P2O5, 3 – SiO2*B2O3
7. Изготовление кварцевых ОВ состоит из 2-х стадий:
1 - получение исходной заготовки - преформы (perform)
2 - вытяжка волокна.
8. Основные промышленные методы получения заготовок ОВ:
- метод внутреннего парофазного осаждения (модифицированное химическое парофазное осаждение — MCVD –modified chemical vapor deposition);
- метод внешнего парофазного осаждения (OVD - outside vapor deposition);
- метод парофазного осевого осаждения (VAD – vapor axial deposition);
- плазмохимические методы (PMCVD, PCVD и т.д.).
Рис.6. Мировое производство оптического волокна с применением различных технологических процессов: 1 – MCVD, 2 – VAD, 3 – OVD, 4 – другие методы.
Таблица 3. Свойства исходных материалов, используемых для получения заготовок кварцевых ОВ.
| Вещество | Ткип., 0С | Плотность, г/см3 | Содержание примесей | ||
| Переход. металлы, масс. % | Н-содер. примеси, масс % | Взвешен. частицы, см-3 | |||
| SiCl4 | 57,0 | 1,48 | <1.10-8 | <1.10-6 | <103 |
| GeCl4 | 83,1 | 1,87 | <2.10-8 | 3.10-6 | <103 |
| POCl3 | 75.2 | 1.56 | <3.10-7 | 3.10-7 | <103 |
| BBr3 | 90.9 | 2,65 | <5.10-7 | 3.10-7 | <103 |
| C2F3Cl3 | 47,6 | 1.51 | <4.10-8 | <1.10-4 | <103 |
| SiF4 | -65,0 | 1,59 | 1.10-6 | 1.10-4 | <103 |