СТЕКЛО Российский патент 1994 года по МПК C03C3/78 

Изобретение относится к стеклам для оптических и акустических элементов с градиентом свойств, изготовляемых методом ионообменной взаимодиффузии из расплава солей одновалентных металлов.

Известно, стекло [1] состава, мол.%: SiO₂ 64,0-71,0; Na₂O 4,0-14,0; Li₂O 1,0-12,0; NaCl 1,0-3,0; CeO₂ 0,1-0,5; Sb₂O₃ 0,1-1,0; HfO₂ 11,0-13,0; K₂O 0,5-3,0, имеющее высокий модуль Юнга (820-870)х10⁸ Н/м², показатель преломления (ПП) n_d ≅ 1,62, перепад показателя преломления после ионного обмена от 150 до 128x10⁴ и инкремент показателя преломления от -10,7 до +11,3х10^-4 мол.%^-1.

Наиболее близким к описываемому стеклу по технической сущности и достигаемому результату является стекло следующего состава, мол.%: SiO₂ 62,9-70,8; Li₂O 2,0-12,1; NA₂O 6,5-15,8; ZRO₂ 0,5-10,5; TiO₂ 0,5-11,8; Sb₂O₃ 0,1-1,0; CeO₂ 0,1-0,5; NaCl 1,0-3,7; SnO₂ 1,0-10,5 [2]. Это стекло имеет высокий модуль Юнга (798-846) ˙ 10⁸ Н/м², высокую скорость взаимодиффузии и высокий ПП ≅ 1,61, однако величина максимального перепада показателя преломления после ионного обмена не превышает значений +126 и -104˙ 10^-4 соответственно, при изменении ПП в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от вида ионного обмена.

Целью изобретения является увеличение модуля Юнга и показателя преломления, а также перепада и инкремента показателя преломления.

Высокие значения модуля Юнга являются характеристикой высокой механической прочности исходного и целостности градиентного (измененного) стекла. Поставленная цель достигается тем, что стекло имеет компонентный состав, мол. % : SiO₂ 51,1-56,8; Li₂O 5,0-20,0; Na₂O 5,0-20,0; TIO₂ 15,0-19,0; SnO₂ 1,0-3,0; Sb₂O₃ 0,2-0,4.

Конкретные составы стекла приведены в табл. 1.

Варку стекла проводили в платиновых тиглях из расчета на 0,5 кг стекла в лабораторных силитовых печах из шихты, в которой в качестве ингредиентов брали Li₂CO₃, Na₂CO₃ и остальные - в виде оксидов.

Температура варки 1450-1480^оС.

Способ формирования градиентного стекла осуществляется следующим образом. Из стекла предлагаемого состава (табл.1) изготовлены образцы размером 10х10х10 мм. Образцы погружались в расплав солей и подвергались химикотермической обработке в режимах по табл. 2 при температуре 610-630^оС в течение 3-7 Ч В табл. 2, кроме условий ионообменной обработки, приведены параметры стекла после взаимодиффузии, т.е. величина Δ n - перепад ПП в диффузионном слое стекла после ионного обмена, а также величина ИПП = Δ n/lR₂O, гдеl - содержание обменивающегося оксида в исходное стекла. Знак "плюс" при и ИПП означает увеличение ПП стекла после обмена, знак "минус" - уменьшение.

В табл. 3 приведены значения показателя преломления n_α , модуля Юнга Е= плотности ρ и дисперсии n_F - n_c предлагаемого стекла.

Стекло для ионного обмена тем лучше для получения градиентных элементов, чем больше величина изменения (перепада) ПП в нем и чем эффективнее это изменение происходит при эквимолярной замене одного щелочного оксида другим, т. е. чем больше величина ИПП. В стекле - прототипе величина Δ n меняется от +126 до -104˙ 10^-4, а в предложенном стекло от +300 до -285 ˙ 10^-4, при этом ИПП в стекле - прототипе ±8 ˙ 10^-4 (мол.%)-1, т.е. примерно в два раза меньше, чем в предлагаемом стекле (табл.2), где он в среднем ± (14-17) ˙ 10^-4 (мол.%)-1.

Из данных табл. 3 видно, что предлагаемое стекло является по своим оптическим характеристикам n_D и n_F - n_c типичным флинтом, однако со значительно меньшей, чем для обычных стекол этой группы плотностью. ПП предлагаемого стекла 1,63-1,67 выше, чем у прототипа, где n_d < 1,61. Модуль упругости (модуль Юнга) предлагаемого стекла превосходит модуль Юнга для прототипа: Е = (798-846) ˙ 10⁸ Н/м² у прототипа, (870-977) ˙ 10⁸ Н/м² у предлагаемого стекла.

Предлагаемое стекло имеет прочную титаноловосиликатную сетку с минимальным количеством немостиковых связей и с преимущественным содержащем титан - и оловощелочных ионогенных групп, что создает благоприятную для высокотемпературной ионообменной обработки структурную ситуацию.

Измерения плотности стекла проводили методом гидростатического взвешивания, ПП - на рефрактометре Пульриха, величину перепада ПП определяли по плоскопараллельным срезам с образцов градиентного стекла на интерферометре Маха-Цендера, модули Юнга рассчитывали по данным измерения продольной и поперечнoй скоростей УЗВ, найденным экспериментально с помощью акустического метода "наложения импульсов".

Ионообменную обработку образцов стекол приводили по режимам табл.2 в шахтных печах типа СШОЛ.

Предлагаемое стекло не содержит дефицитных и токсичных компонентов, позволяет эффективно изменять ПП как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения от первоначального значения ПП исходного стекла. Это определяет возможность формирования методом ионного обмена градиентных слоев стекла, обладающих свойствами фокусировки и дефокусировки.

Использование: изготовление оптических и акустических элементов с градиентом свойств методом ионообменной взаимодиффузии из расплавов солей одновалентных металлов. Сущность изобретения: стекло содержит, мол.%: оксид кремния 51,1 - 56,8, БФ SiO₂ ; оксид лития 5 - 20, БФ Li₂O ; оксид натрия 5 - 20, БФ Na₂O ; оксид титана 15 - 19, БФ TiO₂ ; оксид олова 1 - 3, БФ SnO₂ ; оксид сурьмы 0,2 - 0,4, БФ Sb₂O₃ . Перепад показателя преломления от +300 до -285·10^-4 , инкремент показателя преломления ± (14-17)·10^-4(мол.%)^-1 при ионном обмене, модуль Юнга (870-977)·10⁸H/м² . 3 табл.

СТЕКЛО, включающее SiO₂, Na₂O, Li₂O, TiO₂, SnO₂ и Sb₂O₃, отличающееся тем, что, с целью увеличения модуля Юнга и показателя преломления, а также перепада и инкремента показателя преломления, оно содержит указанные компоненты в следующих количествах, мол.%:
SiO₂ 51,1 - 56,8
Na₂O 5,0 - 20,0
Li₂O 5,0 - 20,0
TiO₂ 15,0 - 19,0
SnO₂ 1,0 - 3,0
Sb₂O₃ 0,2 - 0,4