Оптическое стекло: сырье, технология производства, основные направления применения

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Уральский Государственный  Экономический Университет

 

 

 

 

Реферат по товароведению и экспертизе силикатных товаров

на тему: «Оптическое стекло: сырье, технология производства, основные направления применения».

 

 

 

 

 

Исполнитель:     Бусыгина О.В.

                            Студентка гр.ТЭТД-09

Проверила:        Доманская И.К.

              

 

 

 

Екатеринбург

2011

Содержание:

Введение: ……………………………….…………………………………………3

1. Общая характеристика стекла…………………………..............................4

2. Оптическое стекло (общая характеристика).…...………………………...5

• Виды оптического стекла (бесцветное, цветное)...………………..6
• Оптические постоянные стекла…………………………………….7
• Показатели качества оптического стекла……………………….....9
• Дефекты……………………………………………………………..10

3. Сырье, технология производства………………………………………...12

4. Основные направления применения…………………………………….14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной  дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике. Человеку с древнейших времен известны природные стекла (янтарь, стекла вулканического происхождения), а вырабатывать стекла он научился несколько тысяч лет назад. Производство стекла совершенствовалось на протяжении веков, но долгое время этот процесс определяло искусство мастеров, опыт которых передавался из поколения в поколение. Одни из первых серьёзных попыток получения оптического стекла, то есть стекла достаточной химической и физической однородности, и обладающего специфическими оптическими свойствами, можно отнести к XVII веку. Так, в труде немецкого химика Кункеля (Johannes Kunckel) «Ars vitraria experimentalis» (1689 г.) упоминается о борной и фосфорной кислотах, как компонентах стекла, и о боросиликатном кроне, близком по составу к некоторым современным сортам. В 1663 г. в патенте англичанина Тильсона упоминается о введении окиси свинца в «флинт-глас», а в XVIII веке это стекло начинают применять для изготовления ахроматических линз сперва Честер Мур Холл (1729 г.), а затем, и с бо́льшим успехом, Питер Доллонд (1758 г.).Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла: крон (72 % SiO2, 18 % K2O, 10 % CaO) и флинт (45 % SiO2, 12 %K2O, 43 % PbO).Разработанный технологический процесс позволял изготавливать вполне удовлетворительные линзы диаметром до 200—250 мм. Однако сортамент оптических стёкол выпускаемых стекольными заводами в первой половине XIX века был практически ограничен двумя его типами.Во второй половине XIX века немецкий химик Отто Шотт осуществляет, по предложению Эрнста Аббе, фундаментальное исследование влияния на свойства стекла различных компонентов, а в 1884 г. О. Шотт и Э. Аббе и К. Цейсс основывают в Йене завод начавший выпуск разнообразных сортов оптического стекла. торшеры, вазы, люстры и др.) и разнообразные отделочные материалы (плитки и листы для облицовки стен, полов зданий, карнизы, фризы и др., использование стекла в витражах). В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами выдающихся ученых М.В. Ломоносова и Д.И. Менделеева. М.В. Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. По его инициативе в 1754 году была отстроена первая стекольная фабрика. Заслугой Д.И. Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO2 и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное - неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.

 

 

 

Общая характеристика стекла

Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др. Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло); используется как уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оптическое стекло. Общая характеристика

Оптическое стекло — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных оптических приборов.От обычного технического стекла отличается особенно высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными преломляющей способностью и дисперсией. Выполнение всех этих требований значительно усложняет его производство. 
В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения оптических систем, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим свойствам. Основные свойства оптического стекла характеризуются показателем преломления, средней дисперсией и коэффициентом дисперсии. В отдельных случаях для характеристики оптических стёкол используется частные дисперсии и относительные частные дисперсии. В основу, исторически сложившейся классификации оптических стёкол, легло общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными.  Существует 201 марка оптического стекла, 105 марок бесцветного и 96 марок цветного стекла на силикатной и фосфатной основе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды  оптических стекол

По объему выпускаемой  и перерабатываемой продукции оптическое бесцветное стекло во много раз превосходит  все прочие виды оптических сред.

Выдающийся советский  оптик академик С. И. Вавилов говорил  про стекло, что это "основной вещественный материал оптики". Оптическим бесцветным стеклом называется однородное, прозрачное и специально не окрашенное неорганическое стекло любого химического состава, но с определенными оптическими постоянными. Оптическое стекло является основным материалом для изготовления большинства оптических деталей. Основное назначение оптических деталей заключается в закономерном изменении хода световых лучей.

 Цветное  оптическое стекло, предназначенное для изготовлениястеклянных абсорбционных. светофильтров, представляет собой стекло со специальновведёнными ионными, молекулярными, коллоидными красителями или содержитмикрокристаллы полупроводниковых соединений. В отличие от цветного техн. <или художеств. стекла, цветное О. с. обладает высокой оптич. однородностью. <Среди разновидностей цветного О. с. существуют как прозрачные, так и полностьюпоглощающие в видимой области, но селективно прозрачные в УФ- и ИК-обла-стяхспектра. Цветное О. с. нормируется по спектру поглощения; обозначение типацветного О. с. условно характеризует область его прозрачности; напр., СЗС22- сине-зелёное стекло № 22.

При выборе стекол для оптического прибора руководствуются  большим числом параметров, которые  можно разделить на три группы.

1. Оптические постоянные стекол: показатель преломления и дисперсии.

2. Показатели качества оптического стекла: показатель ослабления, оптическая однородность, пузырность, бессвильность, двойное лучепреломление. Эти параметры определяются, в основном технологией производства стекла.

3. Физико-химические свойства стекол: механические, термические, радиационные, химическая устойчивость. Эти характеристики определяются химическим, составом стекол и обеспечиваются постоянным его соблюдением.

 

Оптические  постоянные стекла

Основной характеристикой  оптического стекла является его показатель преломления. От величины показателя преломления зависит изменение направления луча света при переходе из одной среды в другую с иной плотностью. Чем больше показатель преломления стекла, тем меньше угол преломления  при том же угле падения.

Чем больше плотность  среды В, тем выше значение показателя преломления. Поскольку плотность  стекол тем выше, чем больше плотность  входящих в них оксидов, то наибольшим показателем преломления будут  обладать стекла, содержащие оксиды тяжелых элементов, а наименьшим — стекла, содержащие оксиды легких элементов.

По ГОСТ 3514-76 "Стекло оптическое бесцветное" показатель преломления принято обозначать в общем виде n_λ. Индекс λ означает длину волны в нанометрах, для которой дается показатель преломления. Вместо длины волны в качестве индекса служит обозначение соответствующей спектральной линии. Согласно ГОСТ 3514-76 предусматриваются следующие оптические постоянные: показатель преломления n_е; средняя дисперсия n_F^, — n_C^, и коэффициент дисперсии:

Значения показателя преломления и дисперсий приводятся при температуре 20°C и нормальном атмосферном давлении. Стекла для оптических систем, работающих совместно с глазом, характеризовались ранее показателем преломления n_D, n_F, n_C. Для получения линии D спектра пользуются пламенем паров натрия, дающим спектральный свет с λ=589,3 нм, для линии d установлена длина волны гелия λ=587,56 им, для линий F и С — пламенем водорода, дающим спектральный свет с длинами воли λ=486 нм и λ = 656,3 нм.

Для отечественных оптических стекол значение n_е изменяется от 1,4891 до 1,8138. Имеются стекла и с большим показателем преломления, например, стекло марки СТФЗ имеет n_е более 2,0.

Показатель преломления  для оптических стекол измеряют и  указывают в справочной литературе с точностью не меньше чем до одной единицы четвертого десятичного знака, например n_d= 1,5215 для очковых стекол марки ОЧК-80; n_е = 1,5183 для марки стекла К8.

Вследствие  различного преломления лучей с  разной длиной волны луч белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на цветные лучи: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Это разложение называется дисперсией. Дисперсия света определяется разностью показателей преломления для волн различной длины. Средняя дисперсия стекол деталей приборов для наблюдения глазом определяется разностью _F^, - n_C^,. Частные дисперсии света определяются разностью других показателей преломления, например _D – n_C, n_F – n_D.

Значения средней  и частных дисперсий измеряют и задают с точностью до одной  единицы пятого десятичного знака. Если оптический прибор предназначен для наблюдения в видимой области спектра, то расчет радиусов кривизны поверхностей линз ведут так, чтобы фокус Fc' красных лучей совпал с фокусом Ff' - синих лучей. При расчете используют функцию показателя преломления и средней дисперсии стекла - так называемый коэффициент дисперсии (число Аббе):

Для большинства  оптических стекол ν_e изменяется в пределах от 76 до 17.

Дисперсия зависит  от состава стекла, она возрастает при увеличении содержания в стекле тяжелых оксидов. Показатель преломления и дисперсия очень важны при использовании стекла в оптических приборах. По показателю преломления судят также об однородности стекла , и им широко пользуются в практике стекловарения.Показатель преломления любого вещества, в том числе и стекла, меняется с изменением длины волны излучения - для фиолетовой части спектра он больше, а для красной - меньше. Оптическое стекло, выпускаемое стекловаренными заводами, по допускаемым отклонениям оптических свойств делят на пять категорий:

 

 

При тщательном проведении анализа химического состава сырьевых материалов, строгом соблюдении режима варки по категории 1 выход стекла составляет 50—70%, а по категории 2—90—95%. По однородности показателя преломления и средней дисперсии в партии заготовок оптическое стекло делят на четыре класса:

 

 

К однородности партии по показателю преломления и  средней дисперсии предъявляются  довольно жесткие требования. Это  возможно выдержать лишь при специальном  сопровождении данной партии, когда  исключено перемешивание с заготовками других партий.

Показатели  качества оптического стекла

На основании  расчета оптической системы производится выбор допусков по показателям качества при изготовлении заготовки будущей  оптической детали.