В эпоху развития тепловизионных систем и приборов ночного видения важно создавать прочные материалы для инфракрасной оптики — линз и стекол, «видящих» тепло. Такие линзы помогают разглядеть объекты в темноте, найти утечку газа или перегрев проводов. Сейчас их делают из хрупкого селенида цинка и германия: в экстремальных условиях — из‑за вибраций, перепадов температуры или пыли — оптика мутнеет и выходит из строя. По сообщению пресс-службы Минобрнауки РФ, ученые Института химии высокочистых веществ РАН совместно с коллегами из Пермского Политеха создали стеклокристаллические материалы на основе халькогенидных стекол, которые в 2,5 раза тверже и в 1,5 раза устойчивее к растрескиванию, чем существующие аналоги. Статья опубликована в «Journal of the American Ceramic Society».
Инфракрасная оптика — «глаза» современных технологий безопасности, медицины и освоения космоса: она улавливает тепловое излучение предметов и живых существ, невидимое для человеческого глаза. Тепловизор с такой оптикой превращает его в четкое изображение. Например, спасатели с его помощью ищут людей под завалами в дыму, а врачи — обнаруживают воспаления и опухоли на ранних стадиях, ведь больной участок тела горячее здорового. Энергетики выявляют утечки газа и перегретые провода без подъема на вышки, а космические инфракрасные телескопы отслеживают лесные пожары, измеряют температуру океанов и замечают невидимые в обычные приборы астероиды. В автомобилях тепловизоры работают в системах ночного видения — распознают пешеходов, велосипедистов и животных на темной дороге раньше фар, а в «умном» доме инфракрасный датчик может отключить розетку, если заметит перегрев утюга.
Чтобы «поймать» тепловое излучение, нужны специальные линзы. Сейчас их делают из хрупких кристаллов селенида цинка и германия: из‑за вибраций, перепадов температур и пыли на них появляются царапины и микротрещины, а германий еще и мутнеет при высоких температурах — в итоге тепловизоры теряют чувствительность и выходят из строя.
Есть и другой вариант — халькогенидные стекла, но в чистом виде они столь же уязвимы. Зато их структуру можно дорабатывать: например, выращивать внутри микроскопические кристаллы для повышения прочности без потери прозрачности для тепловых лучей.
Главная сложность в том, что кристаллы обычно имеют другой показатель преломления — они рассеивают тепловое излучение, нагреваются и снижают прозрачность материала. До сих пор ученым не удавалось найти баланс: получить достаточно кристаллов для прочности и одновременно сохранить прозрачность оптики.
Ученые Института химии высокочистых веществ РАН совместно с коллегами из Пермского Политеха создали и исследовали особый тип стеклокристаллических материалов на основе халькогенидного стекла с добавкой иодида цезия. Новая разработка в 2,5 раза тверже и в 1,5 раза устойчивее к растрескиванию, чем популярные сегодня аналоги.
Мы взяли за основу стекло из галлия, германия и селена и вырастили внутри него микроскопические кристаллы селенида галлия. Они работают как арматура в бетоне — не дают трещинам распространяться. Уникальность в том, что объемная доля таких кристаллов достигает более 50%, а сам процесс не требует длительного отжига. Управлять их количеством помогает добавка иодида цезия: он прозрачен в инфракрасном диапазоне и контролирует кристаллизацию. Большая доля кристаллов улучшает механические свойства, но пока они довольно крупные — порядка 1−5 мкм. Следующая задача — уменьшить их размер для улучшения оптических характеристик.
Для оценки свойств ученые провели серию испытаний. Всего они синтезировали и исследовали 11 составов стеклокерамики — с разным содержанием иодида цезия, от 0 до 26,7%. Каждый образец многократно тестировали, чтобы исключить случайные ошибки и получить достоверные результаты.
Сначала измеряли микротвердость методом Виккерса: алмазную пирамидку вдавливали в поверхность и оценивали размер отпечатка и длину трещин — чем они меньше, тем прочнее материал. Затем проверяли абразивную стойкость: образцы терли о шлифовальную бумагу под нагрузкой и замеряли потерю толщины. Параллельно с помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии (с увеличением в десятки тысяч раз) изучали внутреннее строение — количество, размер и равномерность распределения кристаллов.
Результаты испытаний показали, что оптимальный состав стеклокерамики демонстрирует микротвердость порядка 18,80 МПа — это в 2,5 раза выше, чем у селенида цинка, трещиностойкость в 0,76 МПа·м¹/², что превосходит свойства халькогенидных стекол в 1,5 раза. При этом материал имеет сниженный на 20−25%, относительно стекол, коэффициент температурного расширения, что уменьшает вероятность растрескивания при температурных перепадах.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России созданы гибкие полупроводниковые стекла.
