В настоящее время оптоволоконные кабели обеспечивают практически все виды мировой связи, включая междугородние телефонные разговоры, высокоскоростной интернет, передачу сигналов цифрового телевидения и мобильную связь. Ключевым компонентом каждого из них является сверхчистое кварцевое стекло, отличающееся высокой прочностью и устойчивостью к высоким температурам. Благодаря этим свойствам оно также находит применение в космической индустрии, микроэлектронике и лазерной технике. Современным методом производства этого материала является золь-гель технология, которая предполагает превращение жидкого раствора (золя) в твердый гель с последующей очисткой и термообработкой. Заключительный этап требует температур свыше 1000°C, что сопряжено с существенными временными и энергетическими затратами. Это существенно увеличивает стоимость готовой продукции и ограничивает ее доступность. Сотрудники Пермского Политеха совместно с Пермской научно-приборостроительной компанией разработали методику, позволяющую в шесть раз уменьшить время термообработки, и, соответственно, ускорить производство кварцевого стекла. Это позволит снизить затраты энергии примерно на 80% и повысить эффективность производственного процесса для предприятий.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ» За 2025 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Кварцевое стекло характеризуется рядом уникальных характеристик, таких как термостойкость, прозрачность и высокая прочность. Это позволяет применять его в самых современных технологиях, включая микроэлектронику, светотехнику, оптику, медицинское и вакуумное оборудование, а также при создании лазеров, усилителей, датчиков и навигационных приборов. Особенно ценен этот материал для оптоволоконных линий связи, обеспечивающих работу интернета и телевидения. По оценкам экспертов, объем российского рынка кварцевого стекла к 2025 году превысит 7,6 миллиарда рублей, а к 2031 году, при среднегодовом темпе роста около 5%, увеличится до более чем 10 миллиардов рублей. При этом его стоимость колеблется от 34 379 до 182 209 рублей за тонну, а цена высокочистого синтетического кварцевого стекла может достигать 450 000 рублей за килограмм.
Этот ценный и дорогостоящий материал изготавливают с использованием золь-гель технологии. В качестве исходного компонента используется жидкий раствор (золь), который включает соединения кремния, катализатор (кислоту или аммиак) и растворитель, такой как этиловый спирт. Полученный гель подвергается высушиванию и прокаливанию, что приводит к образованию твердого чистого диоксида кремния – это и является основой для кварцевого стекла. Далее его плавят в специализированных печах при температуре приблизительно 1800°C. Это необходимо для получения материала исключительной химической чистоты, с минимальным количеством пузырьков и примесей. Данная термическая обработка длится непрерывно более 60 часов и требует значительных затрат энергии. Например, для плавки партии массой 100 кг требуется около 3500–4000 кВт·ч электроэнергии. При этом любое отклонение в режиме, даже кратковременный скачок температуры, приводит к браку. Поэтому, чтобы избежать серьезных потерь ресурсов, перед производителями стоит задача снижения времени и затрат на изготовление.
Наличие неоднородностей и микропузырьков в первоначальном геле увеличивает продолжительность термообработки, необходимой для устранения дефектов в стекле. В связи с этим, исследователи из Пермского Политеха и ПНППК провели ряд экспериментов с целью выявления способов формирования требуемых характеристик геля на этапе его создания. Такой подход позволит сократить время обжига материала, процесс, требующий значительных затрат энергии, и, как следствие, снизить использование ресурсов.
– В процессе эксперимента изменялся тип катализатора, объем воды, а также добавлялся или исключался растворитель – этиловый спирт. Для уменьшения количества внутренних дефектов и пор в материале после сушки, его необходимо подвергать превращению в гель постепенно и однородно. Согласно полученным результатам, это достигается путем применения незначительного количества водного аммиака – не более 0,1% от массы – и добавлением этилового спирта в первоначальную смесь, – комментирует Александр Возяков, начальник бюро новых разработок ПАО «ПНППК».
– Благодаря использованию диоксида кремния, получаемые частицы обладают повышенной прозрачностью и содержат меньше внутренних дефектов, что снижает необходимость в длительной постобработке. Например, точная настройка соотношения компонентов позволила уменьшить время термообработки готового геля при температуре 1200 °C с 60 до 10 часов. При этом, характеристики конечного продукта, такие как плотность и пористость, остались на том же уровне, что и после 60-часовой термообработки, – рассказывает Светлана Порозова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.
Благодаря исследованиям, проведенным специалистами ПНИПУ и ПНППК, удалось определить оптимальную концентрацию аммиака и других ингредиентов, обеспечивающую заданную структуру кварцевого стекла уже на стадии формирования. Это позволяет сократить время термообработки в шесть раз и уменьшить энергозатраты на производство кварцевого стекла примерно на 80.
Полученные данные окажутся ценными в сферах, где широко используется кварцевое стекло, таких как электроника, микроэлектроника, телекоммуникации (для производства более производительных волокон в интернет-кабелях), оптика, лазерная техника и современные навигационные системы.
Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ