Современная связь непредставима без оптического волокна. Именно оно – основа работы сотовой связи, интернет-коммуникаций, соединяющих города и континенты. При изготовлении оптики применяется кварцевое стекло высокой чистоты.

Выбор материала не случаен. Он характеризуется механической прочностью, выдерживает высокотемпературные нагрузки. Эти качества ценны не только в коммуникациях, но и в других технологичных отраслях, например медицине, космонавтике, авиастроении.

Наиболее совершенная методика выпуска кварцевого стекла – золь-гель. Принцип базируется на трансформации золя, жидкого раствора, в прочный гель. В процессе преобразования удаляются посторонние вещества, нарушающие прозрачность, упрочняется структура за счет термического воздействия.

Минус интенсивной термообработки – затраты энергии. Для достижения эффекта гель нужно нагреть, как минимум, до 1500 градусов. Себестоимость стекла растет, доступность – снижается. Специалисты ПНИПУ, при поддержке коллег из Пермской научно-приборостроительной компании, смогли модифицировать методику. Продолжительность температурного воздействия удалось снизить в 6 раз без вреда для результата. Расчеты показывают, что временная экономия обладает и финансовым эквивалентом. Себестоимость будет снижена на 80%.

Кварцевое стекло: специфика материала

Стойкость к высокотемпературным и механическим воздействиям, идеальные оптические свойства – все это делает кварцевое стекло востребованным при выпуске следующих устройств:

• Вакуумные электронные приборы.
• Навигационное оборудование.
• Медицинская техника, диагностическая и терапевтическая.
• Детекторы высокой чувствительности.
• Лазеры, светодиоды.

В список входит и оптоволокно, оптоволоконный кабель и продукты из него: оптические патч-корды, пигтейлы. Согласно статистическим исследованиям, финансовый эквивалент производства кварцевого стекла в РФ – более 7.5 миллиардов рублей. Ожидается, что к 2031 году он вырастет почти до 10 миллиардов.

Средняя цена тонны материала вариативна – от 34 до 182 тысяч за среднее качество. Материал высокой степени очистки на порядки дороже. Килограмм оценивается в 400-450 тысяч.

Метод изготовления

Его основа – золь-технология. Алгоритм производства таков:

1. Формирование жидкого раствора, золя. Распространенный растворитель – этанол. В определенной пропорции добавляются компоненты, определяющие свойства материала, кремниевые соединения, кислоты.
2. Сушка раствора. После удаления жидкой фракции остается диоксид кремния высокой степени очистки, главное сырье для выпуска кварцевого стекла.
3. Плавление. Оптимальный температурный режим – 1800 градусов. Такое воздействие оказывается достаточно интенсивным для удаления посторонних веществ, вплоть до микроскопических пузырьков воздуха, повышения прочности и прозрачности.

Минимальная продолжительность термообработки – 60 часов, что предполагает огромные расходы электроэнергии. Они измеряются тысячами киловатт-часов. Минимальные сбои, даже незначительные колебания температуры приводят к порче продукта. Каждый производитель заинтересован в оптимизации метода, снижении трат энергии.

Решение проблемы

Специалисты ПНИПУ и ПНППК установили, что продолжительность термообработки напрямую связана с исходным качеством гелеобразного сырья. Чем больше в нем вкраплений воздуха, тем дольше придется греть заготовку для их выведения. Были проведены эксперименты, направленные на определение оптимальных параметров геля, за счет которых снижаются временные и энергетические расходы.

Александр Возняков, возглавляющий отдел разработок ПАО “ПНППК”, поделился некоторыми тонкостями экспериментов. В частности, он рассказал об изменениях вида катализатора, объемных долей воды, этанола. Была выявлена зависимость между однородностью гелевой структуры и скоростью ее сушки, равномерностью температурного воздействия. Спешка на этом этапе недопустима, неминуемо сопряжена с появлением пор, поверхностных неровностей. Медленная и равномерная сушка, в свою очередь, дает следующие результаты:

• Максимальная прозрачность.
• Минимум поверхностных и внутренних дефектов, пор, трещин, негативно сказывающихся на прочности и оптических параметрах.
• Шестикратное сокращение продолжительности температурной обработки. Вместо 60 часов оказывается достаточно 10.
• Уменьшение интенсивности термического воздействия. Вместо 1500-1800 градусов достаточно 1200.

В комплексе перечисленные результаты многократно уменьшают расход энергии. Качество кварцевого стекла остается на высокой отметке, при этом, оно становится доступнее.

Совместная работа специалистов научных структур дала результаты. Она помогла определить оптимальные пропорции исходных компонентов жидкого состава. Создание правильных условий для первичного застывания геля – залог уменьшения расходов электроэнергии на финишных стадиях термообработки. Ее продолжительность, интенсивность снижаются, но оптические и прочностные параметры стекла продолжают соответствовать отраслевым стандартам, нормативно-техническим актам.

Открытия ученых положительно скажутся на финансовой устойчивости, экономической эффективности всех отраслей, где требуется кварцевое стекло, от микроэлектроники до телекоммуникаций и навигации.