Пористое стекло

Пористое стекло — стеклообразный пористый материал с губчатой структурой и содержанием SiO₂ около 96 масс.%. Пористое стекло является результатом термической и химической обработки стекол особого состава.

Обычно для получения пористых стекол используют ликвирующие, в основном, щелочноборосиликатные стекла. В таких стеклах одна из фаз, химически малостойкая, способна к сквозному вымыванию при воздействии на стекло соответствующего растворителя (щелочи или кислоты). Пористые стекла могут быть получены только из стекол с достаточно высоким содержанием Na₂O (5-10 масс.%), в которых сосуществующие фазы после длительной тепловой обработки образуют взаимопроникающие друг в друга каркасы. Необходимым условием получения пористых стекол является также содержание в исходных стеклах не менее 40 масс.% диоксида кремния, обеспечивающее образование в стекле непрерывной пространственной сетки SiO₂.

Технология спекания пористого стекла была разработана в ИТМО на кафедре ЛТиЭП в 80-х годах^[]. Было показано, что спекание пористых стекол качественно можно представить следующим образом. Нагревание стекла вызывает размягчение его каркаса, то есть резкое снижение вязкости силикатной матрицы. Начинается вязкое течение размягченного стекла, за счет которого уменьшается площадь поверхности пор и, следовательно, поверхностная энергия стекла. В зоне воздействия процесс продолжается до тех пор, пока пористое стекло не придет к термодинамическому равновесию (состоянию с минимальной поверхностной энергией) (или не остынет, точнее будет происходить крайне медленно после остывания: Опыт с капающим пеком). Такое состояние достигается при минимальной пористости и минимальной площади поверхности, в обычном случае сферической (Пена).

При оценке режимов спекания считается, что поры в спекаемой области вплоть до полного спекания остаются незамкнутыми в силу влияния процессов растворения находящегося в порах газа, которые настолько незначительны, что их можно не учитывать. Спекание начинается, когда вязкость каркаса пористого стекла на его поверхности уменьшается в процессе нагревания настолько, что давление поверхностного натяжения в поре будет её захлопывать. При повышении температуры в глубине стекла фронт спекания продвигается вглубь. Изменение формы поверхности в процессе спекания сопровождается изменением плотности материала и показателя преломления. В результате воздействия на поверхность пористого стекла пучка лазерного излучения с распределением мощности по сечению, близкому к гауссову, образуется спеченная область, профиль которой близок к сферическому. Оптические свойства спеченной области определяются в-основном разностью показателей преломления спеченного и неспеченного пористого стекла и геометрическими характеристиками области. Наибольший градиент пористости и, следовательно, показателя преломления наблюдаются в непосредственной близости от границы спеченной и неспеченной областей.

На основании этого явления возможно изготовление планарных оптических волноводов и оптических интегральных схем.

• Гребенщиков И. В. и Фаворская Т. А. О химической стойкости стекла. — Л.: Труды ГОИ. 1931. Т. 7. Вып. 72
• Молчанова О. С. О свойствах тройной системы: окись натрия—борный ангидрид—кремнезём. — Строение стекла. Труды по строению стекла. Ленинград, 23—27 ноября 1953 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1955. С. 141
• Порай-Кошиц Е. А. О структуре натриево-боросиликатных стёкол. — Строение стекла. Труды по строению стекла. Ленинград, 23—27 ноября 1953 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1955. С. 145
• Жданов С. П. О строении стекла по данным исследования структуры пористых стёкол и плёнок. — Строение стекла. Труды по строению стекла. Ленинград, 23—27 ноября 1953 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1955. С. 162
• Добычин Д. П. О состоянии кремнекислоты в микропористом стекле. — Строение стекла. Труды по строению стекла. Ленинград, 23—27 ноября 1953 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1955. С. 176
• Жданов С. П. Структура пористых стёкол по адсорбционным данным. — Труды, посвящённые памяти академика Ильи Васильевича Гребенщикова. Главный редактор профессор К. С. Евстропьев. Труды ГОИ. Том XXIV. Выпуск 145. М.: Государственное издательство оборонной промышленности. 1956. С. 86
• Добычин Д. П. Регулирование структуры пористых стёкол и связанные с этим вопросы строения натриевоборосиликатных стёкол. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 480
• Акимов В. В. Оптические постоянные и плотностьнатриевоборосиликатных стёкол. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 488
• Пафимова Л. А. Термохимическое исследование натриевоборосиликатных стёкол. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 507
• Войшвило Н. А. О структуре натриевоборосиликатного стекла. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 511
• Хоконов Х. Б. Влияние тепловой обработки на низкотемпературную теплоёмкость натриевоборосиликатного стекла. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 514
• Порай-Кошиц Е. А., Жданов С. П. и Андреев Н. С. О некоторых спорных вопросах, относящихся к строению и аномальным свойствам натриевоборосиликатных стёкол. — Стеклообразное состояние. Труды Третьего Всесоюзного совещания. Ленинград, 16—20 ноября 1959 — М.—Л.: Издательство АН СССР. 1960. С. 517
• Вейко В. П., Костюк Г. К., Роскова Г. П., Цехомская Т. С., Чуйко В. А., Яковлев Е. Б. Лазерное формирование оптических элементов. Ленинград, 1988
• Яковлев Е. Б. Особенности поведения стёкол и стеклообразных материалов при быстром нагревании, СПбГУИТМО, Санкт-Петербург, 2004