Кварцевое стекло — это уникальный материал, сочетающий в себе высокую прозрачность в широком диапазоне спектра (от ультрафиолетового до инфракрасного), чистоту материала, прочность, устойчивость к экстремальным температурам, лазерному излучению и радиации. Благодаря своим свойствам оно находит применение в таких передовых областях науки, техники и медицины, как аэрокосмическая промышленность, оптика и оптоэлектроника, фотоника и лазерные технологии, солнечная энергетика, медицина и биотехнологии. Перспективный способ его изготовления — золь-гель технология, которая заключается в создании материала из жидких растворов, превращении в ксерогель и последующей термической обработке. Однако поведение геля при повышении температуры недостаточно изучено. Ученые Пермского Политеха провели эксперименты и выяснили, как оно влияет на изменения в структуре конечного продукта. Результаты исследований позволят оптимизировать процесс производства высококачественных изделий из кварцевого стекла.
Исследование опубликовано в сборнике материалов XIII Всероссийской конференции с международным участием «Химия твердого тела и функциональные материалы — 2024». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
По сравнению с традиционными способами золь-гель-метод требует меньше энергии. Также в процессе не образуются такие вредные вещества, как хлорсодержащие соединения, что делает его более экологичным и безопасным. Технология подразумевает создание раствора (золя) из мельчайших частиц диоксида кремния (SiO2). Он загустевает и становится ксерогелем, который высушивают до состояния порошка и подвергают термической обработке, а затем плавят для получения нужных характеристик. Все это позволяет контролировать свойства материала на каждом этапе.
Термическая обработка — это критически важный этап в золь-гель технологии. От того, насколько качественно она проведена, зависят физические, химические и механические свойства получаемого кварцевого стекла. На сегодняшний день изменения ксерогеля в процессе недостаточно изучены. Даже небольшие отклонения во время нагрева могут сильно повлиять на свойства мелких частиц и в итоге вызвать появление пузырьков или неоднородностей в стекле. Это критично, например, для применения в оптике, электронике и фотонике, где требуется материал с минимальным количеством примесей.
Ученые Пермского Политеха изучили, как в процессе термической обработки меняется ксерогель, полученный по золь-гель технологии. Такие исследования ранее не проводились. Для определения результатов использовали специальный анализатор «Nova 1200e».
— Мы повышали температуру нагрева материала постепенно, начиная с 300 °C до 1200 °C, и на каждом этапе детально изучали, как трансформируются его свойства. Удельная поверхность ксерогеля в процессе термической обработки сократилась с 848 м2/г при 300 °С до 2,53 м2/г при 1200 °С, что говорит о значительном уплотнении. Очень активно поры начинают закрываться после 900 °C, соответственно особое внимание следует уделять диапазону 900-1200 °C. Для качественного, прочного и прозрачного стекла все поры должны быть закрыты,— комментирует Иван Ряпосов, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Полученные результаты позволят оптимизировать процесс термической обработки ксерогеля, что улучшит свойства кварцевого стекла, получаемого по золь-гель технологии. Исследования ученых Пермского Политеха пригодятся для применения в электронике, медицине, биотехнологии и химической промышленности. Материал находит активное применение в производстве линз, оптических волокон, ламп, УФ-излучателей, защитных покрытий и многом другом.