Сегодня практически вся мировая связь — от междугородных телефонных звонков и высокоскоростного интернета до передачи сигналов цифрового телевидения и мобильной связи — обеспечивается оптоволоконными кабелями. Основой каждого из них является сверхчистое кварцевое стекло. Оно очень прочное и не боится высоких температур, что также делает его незаменимым в космической индустрии, микроэлектронике и лазерной технике. Наиболее современный способ изготовления такого материала — золь-гель технология. Ее суть заключается в преобразовании жидкого раствора (золя) в твердый гель с очисткой и термообработкой. Последний этап проходит при температурах свыше 1000°C, что требует больших временных и энергетических затрат. Это значительно увеличивает себестоимость конечной продукции и ограничивает ее доступность. Ученые Пермского Политеха совместно с Пермской научно-приборостроительной компанией разработали методику, которая позволяет в 6 раз сократить время термообработки, а значит – ускорить производство кварцевого стекла. Это примерно на 80% снизит затраты энергии и повысит эффективность процесса для предприятий.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ» За 2025 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Кварцевое стекло обладает уникальными свойствами: термостойкость, прозрачность и прочность. Благодаря этому оно используется для самых передовых технологий: микроэлектроники, светотехники, оптики, медицинского и вакуумного оборудования, изготовления лазеров, усилителей, датчиков и навигационных устройств. Особенно востребован этот материал для оптоволоконных линий связи, благодаря которым работает интернет и телевидение. Российский рынок кварцевого стекла, по прогнозам, в 2025 году достигнет более 7,6 миллиарда рублей, а к 2031 году при среднегодовом темпе роста примерно в 5% увеличится до более чем 10 миллиардов. При этом его стоимость варьируется от 34 379 до 182 209 рублей за 1 тонну, а цена высокочистого синтетического кварцевого стекла может достигать 450 000 рублей за килограмм.
Этот уникальный и дорогостоящий материал производят по золь-гель технологии. За основу берется жидкий раствор (золь), который содержит соединения кремния, катализатор (кислоту или аммиак) и растворитель, например, этиловый спирт. Этот гель высушивают и прокаливают, в результате чего образуется твердый чистый диоксид кремния — это и есть сырьевая основа для кварцевого стекла. Затем ее плавят в специальных печах при температуре около 1800°C. Это нужно, чтобы получить материал исключительной химической чистоты, с минимальным содержанием пузырьков и примесей. Такая термическая обработка длится более 60 часов без перерыва и требует колоссальных энергозатрат. Например, одна плавка партии массой 100 кг потребляет около 3500–4000 кВт·ч электроэнергии. При этом любое отклонение в режиме, скачок температуры приводят к браку. Поэтому, чтобы не понести серьезные потери ресурсов, перед производителями стоит задача сократить время и затраты на изготовление.
Чем больше неровностей и «пузырьков» в исходном геле, тем дольше будет длиться термообработка до полного избавления стекла от дефектов. Поэтому ученые Пермского Политеха и ПНППК провели эксперименты и определили, как можно обеспечить нужные свойства геля еще на стадии его «приготовления». Это позволит сократить время обжига материала, на который требуется много энергии, а соответственно – и уменьшить трату ресурсов.
– В ходе эксперимента мы меняли тип катализатора, количество воды и добавляли или убирали растворитель — этиловый спирт. Чтобы после высушивания материал имел меньше внутренних дефектов и пор, его необходимо превращать в гель медленно и равномерно. Как показали результаты, достичь этого позволяют использование очень малого количества водного аммиака – менее 0,1% от массы – и добавление этилового спирта в исходную смесь, – комментирует Александр Возяков, начальник бюро новых разработок ПАО «ПНППК».
– В результате частицы диоксида кремния получаются более прозрачными и с меньшим количеством внутренних трещин, поэтому не нуждаются в столь длительной обработке. Так, подбор идеальных пропорций позволил сократить время термообработки готового геля при температуре 1200 °C с 60 до 10 часов. Качество конечного продукта при этом имело те же показатели плотности и пористости, что и после 60 часов обжига, – рассказывает Светлана Порозова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.
Эксперименты ученых ПНИПУ и ПНППК по изготовлению кварцевого стекла, тщательное наблюдение за изменением состава материала и его структурой позволили выявить оптимальное содержание аммиака и прочих компонентов, которое обеспечивает нужную структуру материала еще на этапе «приготовления». Это помогает снизить временные затраты на термообработку в 6 раз и энергетические (примерно 80%) – на производство кварцевого стекла в целом.
Результаты исследования будут полезны там, где активно применяется кварцевое стекло – в электронике, микроэлектронике, телекоммуникации для создания более мощных волокон интернет-кабелей, оптике и лазерной технике, а также в современных навигационных системах.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ
Источник фото: ru.123rf.com
