Ученые в шесть раз ускорили производство кварцевого стекла для интернет-передачи

Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ». 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 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, приводит 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 ПНИПУ выявили наиболее эффективный способ обработки новых титановых сплавов для деталей авиадви… Диски, втулки, валы, лопатки и другие части авиадвигателей делают из титановых сплавов. Такие детали получаются прочными и легкими, что позволяет совершенствовать конструкцию самолетов. Но их созда… naked-science.ru

– 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 позволяет использование очень малого количества водного аммиака – менее 0,1% от массы, – и добавления 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 шесть 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.