Хімічні характеристики матеріалів

Хімічні характеристики матеріалів визначають їх стійкість до хімічної і електрохімічної дії навколишнього середовища. Оптичні матеріали характеризуються здатністю до утворення нальоту та плям.

Утворення нальоту характеризує стійкість оптичного матеріалу до дії вологої атмосфери. Стійкість визначається при витримці заготовок в течії 1-20 годин при температурі 50°С для силікатних і 60°С для несилікатного скла і відносної вологості 85%. За стійкістю до дії вологої атмосфери, наприклад, силікатне та несилікатне скло підрозділяється на 4 групи: А (с) - стійке скло, на полірованій поверхні якого не утворюється краплинно-гігроскопічний наліт після 20 годинної витримки; Б (у) - скло, на якому наліт утворюється за 5-20 годин (проміжне скло); У (д), Г (дд) - нальотонебезпечне скло, на якому наліт з'являється при витримці від 2-х до 5 годин і витримці менше 2 годин відповідно. Деталі, виготовлені із скла групи В (д) і Г (дд), варто відразу ж після їх оброблення покривати захисними плівками.

Плямоутворення характеризує стійкість оптичного матеріалу до слабокислих водних розчинів та дистильованої води. Стійкість визначається часом, за який полірована поверхня заготовки, поміщена в 0,1 л розчину оцтової кислоти або дистильованої води, при температурі 50°С набуде у відбитому світлі фіолетового забарвлення (зниження коефіцієнта віддзеркалення на 0,4%).

За стійкістю до плямоутворення, наприклад, силікатне і несилікатне скло ділять на 6 груп:

1.не схильне до плямоутворення - час витримки в кислотному середовищі, необхідний для зниження коефіцієнта віддзеркалення на 0,4%, більше 5 годин;

2.проміжне - час витримки – 1-5 годин;

3.слабке плямоутворення - час витримки 0,25 годин;

4.схильні до плямоутворення - час витримки - менше 0,25 години;

5.нестійке 1 - час витримки у дистильованій воді - 0,25 - 1 години;

6.нестійке 2 - час витримки у воді - менше 0,25 години.

У оптичних приладах рекомендується застосовувати скло перших трьох груп стійкості до кислоти, деталі зі скла 4-6 груп вимагають захисту.

Неоптичні матеріали характеризуються корозійною стійкістю. Хімічна і електрохімічна корозія призводять до руйнування матеріалів та погіршення їх властивостей. Залежно від кліматичних зон і районів роботи приладу (наприклад, тропічний, морський, гарячий вологий, холодний тощо), місця встановлення приладу (на відкритому повітрі, під дахом, в закритому приміщенні), виду та міри корозійного навантаження (концентрація та вид домішок хімічних реагентів в атмосфері, цвіль, іній, сонячні промені, роса тощо) умови експлуатації підрозділяють на 4 групи: Л - легкі, С - середні, Ж - жорсткі та ДЖ - дуже жорсткі.

З врахуванням цих умов експлуатації інших чинників (робота у вакуумі, функціональне призначення деталі, технологія виготовлення) конструктор вибирає матеріали, визначає допустимі і недопустимі контакти (з'єднання) між деталями, призначає клас шорсткості поверхонь, який впливає на міру і швидкість корозії, підбирає вигляд захисних покриттів для забезпечення корозійної стійкості виробу.

Розглянемо коротко деякі спеціальні характеристики матеріалів оптичних деталей.

Променева (оптична) міцність характеризує міцність оптичних матеріалів, що працюють з лазерним випромінюванням. Вона важлива для матеріалів таких деталей як активні елементи твердотілих лазерів (наприклад, рубінових, з неодимового скла), а також резонаторів, вікон, лінз, дзеркал, призм, встановлених в пучках лазерного випромінювання.

Розрізняють три види променевої міцності оптичних матеріалів: термопружне розтріскування, руйнування внаслідок розігрівання інорідних включень та пробій в полі світлової хвилі (явище самофокусування).

Для підвищення променевої міцності рекомендується виконувати робочі поверхні оптичних деталей методом глибокого шліфування та полірування, використовувати оптичні матеріали, що володіють найбільшою мікротвердістю (за Кнопом), при виробництві матеріалів варто видаляти інорідні включення високотемпературним центрифугуванням їх розплавів.

Радіаційна стійкість характеризує здатність оптичного матеріалу зберігати оптичні властивості під дією іонізуючого випромінювання. Наприклад, більшість звичайного оптичного скла під дією радіації (гамма і гамма-нейтронного випромінювання) забарвлюються (темніє), тому в цих випадках необхідно використовувати спеціальне радіаційно-стійке скло, кристали та кераміку.

Люмінесцентні характеристики важливі для матеріалів оптичних деталей та оптичних середовищ, використовуваних для генерації лазерного випромінювання (твердотілі, газові, рідинні активні елементи лазерів), перетворення електричних полів, променистою та інших видів енергії в оптичне випромінювання, наприклад, свічення люмінофорів, екранів з люмінесцентної оптичної кераміки.

Токсичність матеріалів й оптичних середовищ необхідно враховувати як при їх виборі, так і організації виробництва деталей оптичних елементів. Наприклад, деякі марки скла (ІКС), кристалів (талій, цезій), оптичні клеї (ОК-50П:) є токсичними і вимагають дотримання техніки безпеки під час технологічного процесу.

Діелектрична проникність являється електромагнітною характеристикою, наприклад, таких матеріалів як електрична кераміка (КЕО10), використовувана для електричних керованих затворів та світлофільтрів.

До технологічних властивостей матеріалів та оптичних середовищ відносяться такі, які визначають можливість застосування прогресивних технологічних процесів, а також витрати часу та засобів для виготовлення і складання оптичних заготовок і деталей. До них відносяться, наприклад, здатність до пресування, можливість застосування процесів лиття, штампування, а також таких, що дають можливість отримання заготовок деталей продуктивними методами формоутворення.

Трудомісткість обробки матеріалу визначається його мікротвердістю (наприклад, лейкосапфір Аl₂О₃, з якого виготовляється захисне скло та деталі приладів УФ та ІЧ діапазону, що працюють в тяжких умовах, поступається за твердістю лише алмазу), відносною твердістю за зішліфовуванням (наприклад, скло ФК14 має Нs=0,2, скло ТБФ4 - Нs =1,7, а ситал СО21 - Нs =1,9), фізико-хімічними властивостями та структурою (наприклад, сплав, що погано обробляється різанням, інвар, а також берилій, що вимагає багатократних стабілізуючих термоциклічних дій, для зняття залишкового напруження після чорнового та чистового механічних оброблень).

Типовим прикладом впливу оптичних середовищ на трудомісткість технологічних процесів можуть служити оптичні клеї, одні з яких вимагають при склеюванні деталей забезпечення підвищеної температури (у термостаті) і часу витримки до 5-6 діб (акриловий клей), а інші (ОК-72ФТ15) мають тривалість склеювання при кімнатній температурі не більше однієї доби.