Стекло для изготовления градиентных элементов методом ионного обмена

 

Использование: в оптическом приборостроении, а также для получения градиентных фокусирующих элементов. Сущность изобретения: стекло для изготовления градиентных элементов содержит, мас. %: оксид кремния 52 - 61 БФ SiO₂, оксид лития 11 - 14 БФ Li₂O, оксид натрия 11 - 14 БФ Na₂O, оксид циркония 6 - 12 БФ ZrO₂, оксид ниобия 3 - 11,5 БФ Nb₂O₂, оксид калия 0,5 - 2,5 БФ K₂O. Стекло по оптическим характеристикам является курц - флинтом, обладает улучшенными технологическими свойствами - температура варки не превышает 1400^oС. Показатель преломления n_D = 1,66 - 1,68, модуль упругости /940 - 1000/х 10^-4 н/м², инкремент ПП - /14 - 15/х10^-4 /мол. %/. 2 табл.

Изобретение относится к составам стекла для получения градиентных светофокусирующих элементов, методом ионообменной обработки в расплавах щелочных солей. Оно может быть использовано в оптическом приборостроении.

Ионообменная диффузия из твердого состояния позволяет принципиально получать "гладкие" профили показателя преломления в оптических стеклянных деталях и осуществлять закономерное, уверенное управление процессом формирования, а, следовательно и законом распределения оптических характеристик градиентных оптических стекол (граданов).

Для осуществления этого техпроцесса с целью получения граданов повышенного более 10-15 мм диаметра нужны специальные стекла. Многолетние работы в этом направлении, привели к разработке большого числа ионообменных стекол, однако стекол, в полной мере удовлетворяющих всему сложному комплексу требований для получения крупных граданов все же предложено не было.

Наиболее близким к предложенному стеклу по технической сущности и достигаемому результату является стекло, содержащее в мол. SiO₂ 60-78; Li₂O 2-24; Na₂O 6-16; ZrO₂ 5-13; Sb₂O₃ 0,1-1,0; NaCl 2-5; CeO₂ 0,1-0,5 [1] Стекло обладает следующими характеристиками: n_D до 1,60 Δ n ˙ 10⁴ (-168+152) E ˙ 10⁸ н/м² 858-9/2 t^o варки 1500-1550 кристаллические свойства практически не кристаллизуeтся.

Техническим результатом изобретения является улучшение технологических свойств, а именно снижение температуры варки, а также повышение показателя преломления (ПП) и его инкремента и модуля Юнга.

Предложенное стекло содержит, в мол. SiO₂ 52-61; Li₂O 11-14; Na₂O 11-14; ZrO₂ 6-12; Nb₂O₃ 3-11,5; K₂O 0,5-2,5.

В табл.1 представлены конкретные составы стекол и их свойства.

Стекла сварены в платиновом тигле в лабораторной печи с размешиванием платиновой мешалкой при температурах 1380-1400^оС из рядовых материалов оптического стекловарения: песка, карбонатов лития, натрия, калия, оксидов циркония и ниобия. Вводились традиционные осветлители: оксиды мышьяка, церия до 0,5 мас. а также хлориды натрия и калия до 3 мас.

Кроме данных по предложенному стеклу в табл.1 приведены сведения о составе и свойствах стекла-прототипа, наиболее близкого к стеклу среднего состава заявленного диапазона.

Показатель преломления заявленного стекла составляет 1,66-1,68; что на 0,06-0,08 выше, чем у стекла прототипа. При литий-натриевой обмене перепад показателя преломления возрос до -180-200 ˙ 10^-4, модуль упругости до 940-1000 ˙ 10⁸ н/м², а инкремент ПП до 14-15, но самое существенноe, что температура варки снизилась до 1380-1400^оС, при этом не отмечается коррозии платины. Кристаллизационная способность осталась на том же низком уровне, как и у стекла-прототипа.

Смешанная силикоциркониевониобатная сетка стекла создает прочную основу стекла. Содержание приблизительно эквимолярных количеств оксидов лития и натрия в стекле обеспечивает равные возможности, как увеличения, так и уменьшения ПП при ионном обмене. Это же в сочетании с добавками оксида калия, который резко облагораживает стекло по кристаллизационной способности и к тому же обеспечивает нивелирование полищелочного эффекта, неблагоприятного при обмене из однощелочной композиции.

Особенно ценным у предложенного стекла являются его технологические качества. Стекла, имеют значительно меньшую, чем у прототипа, температуру варки, в то же время обладают малой кристаллизационной способностью, что крайне важно для реализации технологии ионного обмена.

Ионообменная обработка в расплавах солей лития (LiCl + Li₂SO₄ и натрия (NaCl + +Na₂SO₄ + NaNO₃) проводилась при температурах от 610 до 690^оС на образцах кубической и цилиндрической формы размером 10 х 10 х 10 мм или диаметром 5; 10; 15 мм в течение 2-17 часов, при этом коэффициент взаимодиффузии в стекле достигал значения больше 10^-7 см².см^-1. Это показывает, что предложенное стекло является "быстрым". Величины максимальных изменений ПП приведены в табл.1.

Указанные достоинства предложенного стекла и позволяют реализовать граданы, превосходящие по диаметру и качественным параметрам градана, которые можно готовить из всех других известных ионообменных стекол.

К числу важных достоинств предложенного стекла относится и его ярко выраженный особый xод дисперсии (табл.2). Он является курц-флинтом с большим отрицательным отклонением коэффициента дисперсии от нормальной прямой около -5, что соответствует уровню промышленных курц-флинтов. Это обстоятельство впервые ставит вопрос реализации градиентных линз апохроматических объективов, поскольку других ионообменных курц-флинтов до сих пор не известно.

Последнее по-видимому связано, в частности, с тем, что из заявленного стекла впервые удалось изготовить качественную призму для точнейших геометрических измерений показателя преломления. Это есть следствие хороших варочных свойств предложенного стекла.

Таким образом, предложенное стекло превосходит по совокупности свойств все известные стекла для изготовления градиентных элементов и в наибольшей степени приспособлено для промышленного производства стекла и граданов.

Формула изобретения

СТЕКЛО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ ИОННОГО ОБМЕНА, включающее SiO₂, Li₂O, Na₂O, ZrO₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит Nb₂O₅ и K₂O при следующем соотношении компонентов, мол.%: SiO₂ - 52 - 61 Li₂O - 11 - 14
Na₂O - 11 - 14
ZrO₂ - 6 - 12
Nb₂O₅ - 3,0 - 11,5
K₂O - 0,5 - 2,5

РИСУНКИ

Рисунок 1