Российские ученые создали экологичную технологию производства сверхчистого кварцевого стекла

Сверхчистое кварцевое стекло — материал, без которого невозможна работа современной высокотехнологичной аппаратуры. Из него изготавливают иллюминаторы космических кораблей, линзы для литографии микрочипов и чувствительные элементы навигационных гироскопов. В отличие от обычного стекла, которое изготавливается с добавлением соды и извести, кварцевое стекло представляет собой практически чистый оксид кремния. Оно выдерживает нагрев выше 1000°C, сохраняет прозрачность в ультрафиолетовом диапазоне и почти не меняет размеры при перепадах температур.

Проблемы традиционного производства

Традиционная технология производства сверхчистого кварцевого стекла основана на использовании токсичных хлорсодержащих веществ. Это не только создает экологические риски, но и требует дорогих систем очистки воздуха. Кроме того, получить стекло с высокой прозрачностью в УФ-диапазоне сложно: в материале могут оставаться микроскопические пустоты и неоднородности, рассеивающие свет.

Эти недостатки ограничивают применение материала в чувствительных областях — космической технике, лазерных системах и микроэлектронике. Россия, не имевшая собственного экологичного производства, зависела от импорта из США, Германии и Японии.

Новый подход пермских ученых

Исследователи Пермского политехнического университета (ПНИПУ) предложили инновационную технологию, полностью исключающую хлор. Ключевое нововведение — промежуточный этап высокотемпературной выдержки кварцевого порошка в вакуумной печи. При нагреве до температуры размягчения на поверхности каждой частицы образуется кристаллическая оболочка кристобалита — особой разновидности кварца. Этот процесс вытесняет избыточный кислород и формирует упорядоченную структуру.

После кристаллизации сырье плавят в герметичной вакуумной камере, получая готовое изделие без вредных выбросов. Как поясняет Иван Ряпосов, доцент кафедры «Металловедение, термическая и лазерная обработка металлов», подбор температуры и времени позволяет добиться оптимального соотношения кристаллической и аморфной фаз, что обеспечивает максимальную прозрачность.

Результаты и перспективы

Измерения показали, что лучшие образцы имеют пропускание более 80% в ультрафиолетовой области на длине волны 190 нанометров и свыше 90% в видимом диапазоне. Это соответствует уровню лучших мировых аналогов. Ученые впервые детально описали влияние предварительной кристаллизации в кристобалит на оптические свойства стекла.

Разработка открывает путь к созданию отечественных материалов для космической отрасли, лазерной техники и микроэлектроники, снижая зависимость от зарубежных поставщиков и обеспечивая экологическую безопасность. В перспективе технология может быть масштабирована для промышленного выпуска оптического стекла широкого назначения. Статья с результатами опубликована в международном журнале Ceramics International.