КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-23-00140
НазваниеПластичные неорганические стекла
РуководительТомаев Владимир Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые словаИК оптика, оптические материалы, пластичность, халькогенидные стекла, механические свойства, горячая формовка.
Код ГРНТИ31.15.19
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящий момент растет спрос на точную, но недорогую стеклянную оптику в первую очередь на рынке датчиков, ИК светодиодов, камер ночного видения и медицинских технологий. С другой стороны, рыночные цены на высокоточные сложные оптические системы постоянно падают. Это ставит перед производителями оптики задачу совмещения высокого качества изделий с эффективными и недорогими методами производства. Горячее формование оптических изделий из стекла позволяет отказаться от трудоемких производственных процессов, таких как шлифовка и полировка. Поскольку сложные элементы оптики воспроизводятся с помощью эталонной пресс-формы, процесс не сильно возрастает в цене с увеличением сложности изделия (например, массива микролинз). Метод изотермического формования состоит в нагреве стеклянной заготовки, помещенной в пресс-форму, до определенной температуры. Затем происходит собственно формование с последующим контролируемым охлаждением пресс-формы вместе с изделием. Такая технология Precision Glass Molding (PGM) позволяет изготавливать сложные высокоточные стеклянные линзы. Однако, большие затраты времени на стадиях нагрева и охлаждения для одной линзы являются основным недостатком, поскольку вся формовочная система и стекло нагреваются одновременно (изотермические условия). Очевидно, что большое время цикла значительно увеличивает себестоимость линзы. Поэтому было инициировано развитие иного принципа формования, называемого неизотермическим формованием стекла (NGM). При этом стадии нагрева и отжига стекла осуществляются вне пресс-формы. В случае NGM технологии благодаря параллельности процессов нагрева заготовки, её прессования и последующего охлаждения полученного изделия время, необходимое для изготовления одного изделия, сокращается примерно с 1020 минут до нескольких секунд. Эта технология (NGM) не только увеличивает производительность, но и сокращает потребление энергии. Основные проблемы для дальнейшего развития NGM связаны с самой динамикой процесса и сложностью поведения стекла в экстремальных условиях процесса, то есть при больших перепадах температуры, высокой скорости и высоком давлении формования. Проблемы с ограниченной скоростью теплопередачи приводят (в отличие от PGM) к сложностям в достижении заданной формы изделия и его оптического качества. Для решения указанных проблем внимание разработчиков сосредоточено на усовершенствовании оборудования и технологических режимов. Эта проблема в равной степени относится как к оксидным стеклам, используемым для оптики видимого диапазона, так и к халькогенидным стеклам (ХГС), используемым для оптики инфракрасного диапазона. Научной новизной проекта является перенос внимания с усовершенствования технологического процесса и оборудования на разработку специальных стекол, менее критичных к возникновению механических напряжений в результате резких перепадов температуры. Стекла с повышенной пластичностью будут способны к эффективной релаксации механических напряжений.
Такие материалы найдут применение и при решении ряда других технологических проблем. Например, оптические волокна из ХГС широко используются в высокотехнологичных областях инфракрасной оптики. Важным эксплуатационным свойством оптических волокон является возможность их изгиба. ХГС не отличаются высокими механическими свойствами и оптические волокна их этих материалов имеют ограниченную способность к изгибу. Эту способность можно повысить, если ХГС будут обладать повышенной пластичностью и возможностью к релаксации механических напряжений. Механические напряжения, возникающие при изгибе оптического волокна, формируют градиент показателя преломления, что оказывает влияние на качество передачи оптических сигналов. Коэффициент, связывающий механические напряжения и изменение показателя преломления для ХГС превосходит аналогичный параметр для оксидных стекол более чем на два порядка. Острота этой проблемы также может быть снижена приданием ХГС способности к релаксации механических напряжений.
Ожидаемые результаты
Из аннотации проекта следует, что основными результатами будут составы халькогенидных стекол ИК оптики, обладающие повышенной способностью к релаксации механических напряжений, и принципы разработки составов стекол, обладающих указанной особенностью. Выше было показано, как повышение способности к релаксации механических напряжений стекла влияет на усовершенствование технологии производства элементов оптики. Но эта способность влияет и на качество получаемых изделий. Релаксации механических напряжений позволяет не только избежать разрушения изделий в результате продолжительного воздействия механических напряжений. Механические напряжения в объеме стекла создают градиент показателя преломления, тем самым снижая оптическое качество изделий.
Оптические стекла ИК диапазона с повышенной способностью к релаксации механических напряжений будут востребованы не только для изготовления объемных элементов оптики, но и в ряде других областей. Проиллюстрируем это на двух примерах.
Известны перезаписываемые накопители информации, принцип работы которых основан на переходе из стеклообразного состояния в кристаллическое и обратно под действием лазерных импульсов разной мощности. Рабочим элементом таких накопителей является тонкий слой халькогенидного материала. Фазовый переход стекло – кристалл реализуется в малых (измеряемых микронами) по площади элементах халькогенидного слоя. Различие в удельных объемах кристаллического и стеклообразного состояний халькогенидного материала приводит к возникновению и накоплению механических напряжений. Это является одним из важнейших факторов ограничивающих срок службы накопителей информации. Использование халькогенидных материалов с повышенной способностью к релаксации механических напряжений позволит снизить остроту этой проблемы.
Рост пластичности неорганических оптических материалов и их способности к релаксации механических напряжений увеличит их устойчивость к перепадам температуры и механическим воздействиям. В частности это позволит реализовывать более компактную компоновку волоконнооптических линий, требующую малого радиуса изгиба оптического волокна; уменьшит проблемы, связанные с разностью КТР между полупроводниковым ИК светодиодом и наносимой на него световыводящей линзой из халькогенидного стекла.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ