Физика и химия стекла, 2021, T. 47, № 3, стр. 358-361

Кварцевое стекло (КС), обладающее рядом уникальных физико-химических и технологических свойств, является перспективным конструкционным материалом для ряда изделий различной техники. Сегодня этот материал является незаменимым для широкомасштабного производства волоконных световодов. Требования в ряде случаев применения оптического волокна диктуют необходимость повышения их прочностных свойств. Предельная прочность световодов стандартного диаметра 125 мкм (6 ГПа) ограничена микронеоднородностями состава КС [1] и морфологией поверхности стекловолокна [2, 3]. При вытягивании кварцевого волокна на его поверхности возможно образование кристаллического слоя толщиной около 6 нм в процессе естественного охлаждения с 1700 до 1200^○С в течение 0.058 с [2]. Уменьшение диаметра волокна от 125 мкм до 120 нм приводит к увеличению его прочности с 6 до 26 ГПа [4]. Это, вероятно, обусловлено резким снижением длительности процесса кристаллизации стекла. Результаты изучения морфологии поверхности КС от скорости его охлаждения являются важными для разработки технологии высокопрочных световодов.

Цель работы – исследование методом атомно-силовой микроскопии морфологии поверхности кварцевых заготовок и волокна, скорость естественного охлаждения которых существенно отличается.

В качестве образца для исследований использовали цилиндрическую заготовку из КС марки F-300 с диаметром 13 мм и длиной 500 мм. Термическую обработку проводили на станке для изготовления заготовок световодов модифицированным методом химического парофазного осаждения. Станок укомплектован системой автоматического регулирования и записи температуры пламенного нагревания заготовок из КС. Температуру поверхности вращающейся заготовки измеряли инфракрасным оптическим пирометром с ошибкой не более 1% от измеряемой величины. Перед установкой на станок образец выдерживали 10 мин в 10% водном растворе HF, промывали дистиллированной водой и сушили в атмосфере фильтрованного воздуха при комнатной температуре.

Термическую обработку заготовки, вращающейся со скоростью 40 об./мин, проводили в два этапа. Подвергали пламенной полировке по всей длине при температуре 2200^○С и скорости перемещения горелки 50 мм/мин. На втором этапе осуществляли локальное нагревания края заготовки до 2300^○С неподвижной горелкой с шириной высокотемпературной зоны 15–20 мм. После резкого отключения горелки осуществляли запись температуры в процессе естественного остывания КС до 1000^○С.

Часть заготовки, которая была подвергнута закалке, отрезали алмазным диском при герметичной изоляции ее поверхности от пыли окружающей среды, и исследовали на атомно-силовом микроскопе.

Из остальной части заготовки вытягивали волокно диаметром 125 мкм со скоростью 10 м/мин при нагревании заготовки в графитовой печи с экранировкой КС от нагревателя потоком особо чистого аргона. Для исследований на микроскопе брали отрезок волокна до его вхождения в фильеру с полимерной композицией. Образцы заготовки и волокна промывали в 5% водном растворе HCl, дистиллированной воде, ацетоне особой чистоты и сушили в воздушной атмосфере при 60^○С.

Анализ рельефа поверхности образцов осуществляли на атомно-силовом микроскопе Solver PRO-M. Исследование проводили в контактном режиме с помощью зонда NSG01 с радиусом закругления острия 10 нм, что обеспечивало разрешение по горизонтали до 20 нм, а по вертикали менее 0.1 нм.

Динамика охлаждения заготовки (рис. 1) свидетельствует о длительности ее нахождения в температурном диапазоне 1200–1700^○С в течение 13 с, что в 224 раза превышает длительность остывания волокна (0.058 с) [2].

Рис. 1.

Изменение температуры поверхности заготовки в процессе ее естественного остывания.

Результаты измерений на атомном силовом микроскопе показали, что шероховатость у волокна (рис. 2а) несколько ниже, чем у заготовки (рис. 2б). Учитывая разный масштаб вертикальной и горизонтальной осей, реальный рельеф поверхности образцов имеет сглаженный характер. Наличие критичных для прочности трещин в стекле связано, очевидно, с уровнем его шероховатости. Разрешающая способность кантилевера не позволяет выявить узкие трещины шириной менее 10 нм.

Рис. 2.

Топографические изображения поверхностей, полученные на атомно-силовом микроскопе (вверху), и профили поверхностей (внизу), для волокна (а) и заготовки (б). Шероховатость поверхности волокна и заготовки 0.3 и 1.2 нм соответственно.

Поверхность образца кварцевого стекла, после длительной выдержки в воздушной атмосфере при 80% влажности [5], имеет аналогичную картину в части периодичности распределения шероховатостей по сравнению с нашими результатами. Трехмерное изображение поверхности стекла в этой работе имеет глобулярную структуру, параметры которой существенно зависят от истории термической обработки КС [6].

Результаты нашей работы показали, что более чем стократное уменьшение как длительности охлаждения, так и диаметра образцов из КС незначительно по сравнению с ожиданиями снижает шероховатость его поверхности. Без проведения специальных исследований невозможно определить что больше влияет на прочность КС: его глобулярная структура или кристаллизация.