Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение - Глаголев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Метод работы указанных исследователей является синтезом идей Day и Shepherd, с одной стороны, и Bredel, с другой, причем в то время как у первых заимствовано применение высокого давления, у второго — использование вакуума в процессе плавки. Рис. 57 дает схему и рис. 58 внешний вид тигельной печи Helberger, предназначенной для получения прозрачного кварцевого стекла. А — графитовый или угольный тигель, который играет роль сопротивления и нагревается током, подводимым к нему от понижающего трансформатора ? с помощью угольных держателей d и е. В печах подобного типа, рассчитанных на большую мощность, существенную трудность представляет вопрос о под-
?* ?31
водке тока к тиглю. Благодаря большой силе тока подводящие провода приходится брать весьма значительного сечения, что делает всю установку громоздкой и неудобной. В печи НеШе^ег это затруднение весьма остроумно обойдено тем, что печь и трансформатор представляют один аппарат. Мы 'имеем как бы один единственный трансформатор, во вторичную обмотку которого включен тигель. Мы уже касались вопроса о том, какое большое значение для получения вполне прозрачного стекла имеет материал тигля, и отметили работы Не1Ьещег в этом направлении. На внутренних стенах тигля образуется защитный карборундовый слой, препятствующий химическому взаимодействию материала тигля и плавящегося кварца. Снаружи тигель окружается кожухом из шамота, и промежуток засыпается древесным углем, служащим прекрасной тепловой изоляцией.
Изолированный таким образом тигель помещается в металлический колпак с двойными стенками, между которыми циркулирует вода (рис. 59).
По желанию, можно либо выкачивать из колокола воздух с помощью, например, вращающегося масляного насоса, либо нагнетать в него воздух до давления в несколько десятков ат. Все вместе представляет таким образом печь, позволяющую производить плавку либо в вакууме, либо в атмосфере инертного газа (азота) при том или ином давлении.
Цель плавки в вакууме вполне понятна. Таким образом \сграняется проникание воздуха внутрь расплавленной массы и возникновение пузырьков воздуха. Однако не следует думать, что одним этим можно добиться получения прозрачного продукта. По охлаждению застывшая масса будет попрежнему непрозрачной благодаря пронизывающим ее пузырькам. Однако эти пузырьки представляют уже не газообразные включения, но разреженные пространства, образовавшиеся благодаря тому, что пары кремнезема, первоначально их наполнявшие, в дальнейшем сгустились. Вообще следует отметить, что как бы ни производилась плавка кристаллов кварца, в вакууме или на воздухе, пузырьки, делающие кварцевое стекло непрозрачным, представляют собой весьма разреженные области. Действительно, плавление кварца, а следовательно, и замыкание воздуха внутри вещества, происходит при температуре в 1 600°. Именно" эту температуру имеет* первоначально воздух, образующий пузырек. Вполне понятно, что при охлаждении до 432
Рис. 59. Внешний вид печи Не1Ьег§ег с колпаком для плавки в вакууме и под давлением.
комнатной температуры давление внутри такого пузырька в несколько-раз меньше атмосферного. Применяя соответствующее давление, их можно значительно уменьшить в объеме. Простой расчет показывает, что если при температуре размягчения кварца (1 600°) пузырек был полностью наполнен воздухом при атмосферном давлении, то при комнатной температуре давление будет приблизительно в б раз меньше. Таким образом не вызывая внутри плавленого кварца никаких напряжений, можно уменьшить объем пузырьков в б раз. В случае же плавки в вакууме тем же способом, можно без труда добиться полного уничтожения всех пустот и получить таким образом совершенно прозрачный продукт.
Перейдем теперь к последовательному описанию процесса плавки прозрачного кварцевого стекла, основанному на только что изложенных принципах, которые впервые наиболее ясно сформулировал НеШе^ег. Первым этапом является обработка графитового тигля с целью придать его внутренней поверхности необходимую химическую инертность. Для этого в тигле лроизводится предварительная плавка кварца, в результате которой от соприкосновения с расплавленным кремнеземом на стенках тигля образуется тонкий слой карбида кремния. Как показал опыт, наилучшие результаты получаются в том случае, когда плавка производится в атмосфере азота, что объясняется невидимому образованием комплексного соединения углерода, кремния и азота. После того как образован защитный покров, тигель готов к употреблению. Слой карбида надежно защищает расплавленную массу кварцевого стекла от восстановления раскаленным углеродом. Теперь предстоит нелегкая задача — тщательно отобрать те кристаллы горного хрусталя, которые по своей чистоте и отсутствию каких бы то ни было включений инородных веществ подходят для плавки оптически прозрачного стекла.
Отобранные кристаллы переносят в запасной тигель, в котором производится нагревание до температуры 600°. Прогревать в том же тигле, в котором будет в дальнейшем производиться плавка, не рекомендуется, так как переход а-кварца в {й<варц сопровождается столь сильным растрескиванием и разлетанием кусков, что осколки могут не только повредить слой карбида и обнажить незащищенный графит, но и вызвать откалывание кусочков тигля, которые вконец загрязнят стекло. Раскаленные кристаллы кварца, не давая им охладиться, переносят в основной тигель, который и помещают в печь. Обычно предпочитают пропускать ток не через этот тигель, а через другой, поставленный дном кверху и закрывающий первый как бы колпаком.
