Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://chem.msu.ru/rus/vmgu/116/403.pdf Дата изменения: Tue Oct 18 14:36:54 2011 Дата индексирования: Sun Apr 10 11:02:53 2016 Кодировка: Windows-1251

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2011. Т. 52. ? 6

403

УДК 539.67:621.315.592

РЕЛАКСАЦИЯ СТРУКТУРЫ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА КУ-1 ПРИ ОТЖИГЕ
Б.С. Лунин, А.Н. Харланов (кафедра физической химии; e-mail: lbs@kge.msu.ru)
Исследован процесс релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 при отжиге в диапазоне температур 825-980њС, определена энергия активации релаксационного процесса. Предложено выражение для расчета постоянной времени релаксации структуры кварцевого стекла -15 КУ-1: = 2 10 exp(85800/RT), [ч].

Ключевые слова: кварц евое стек л о, отжиг, рел аксация структуры стек л а.

Кварцево е стекло в каче стве конст рукционного материала широко используется не только в оптической промышленности, но и при производстве высокодобротных механических резонаторов. Для достижения малых диссипативных потерь в кварцевом стекле необходимо уменьшить в нем внутреннее напряжение, что обычно достигается путем высокотемпературного отжига. Протекающие при этом структурные релаксационные процессы были предметом исследования немногочисленных работ, наиболее подробно релаксация структуры безводного кварцевого стекла исследована в [1]. Авторы этой работы отслеживали спектральным методом процесс установления фиктивной температуры стекла в диапазоне температур отжига 1000-1300њС, определяли температурную зависимость постоянной времени релаксации структуры безводного кварцевого стекла и показали различие в кинетике релаксационных процессов, протекающих в объеме и в приповерхностном слое. С практической точки зрения для изготовления высокодобротных механических резонаторов наибольший интерес представляет кварцевое стекло типа III, характеризующееся малым уровнем диссипативных потерь и относительной дешевизной. Особенностью этого типа кварцевого стекла является достаточно высокая концентрация гидроксильных групп (1300 ppm), связанная с технологией его производства, и низкая концентрация других примесей (единицы ррм). Массовое производство такого кварцевого стекла организовано в ряде стран под различными торговыми марками: КУ-1 (Россия), Corning 7940 (США), Suprasil 1,2,3 (Германия), Tetrasil (Франция) и др. При выборе теплового режима отжига деталей из кварцевого стекла этого

типа следует учитывать, что из-за значительной концентрации гидроксильных групп его структура менее прочная и тепловые деформации начинаются при более низких температурах. Цель данной работы состояла в определении температурной зависимости постоянной времени релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 (тип III) в диапазоне температур отжига 825-980њС. Для экспериментов использовали пластины кварцевого стекла КУ-1 толщиной 1,7 мм и диаметром 10 мм. Концентрацию гидроксильных групп ([OH]) в образцах определяли спектральным методом по поглощению в ИК-области 3670 см-1 , она со ставляла -1 0,15 мольл . Структурные изменения в кварцевом стекле отслеживали спектральным методом, предложенным в работе [2]. Этот метод основан на зависи-1 мости положения полосы 2260 см в ИК-спектре поглощения кварцевого стекла от фиктивной температуры. При длительном отжиге значение фиктивной температуры стекла приближается к температуре отжига, соответственно имеет место сдвиг максимума полосы 2260 см-1, что позволяет определить кинетические параметры релаксационного процесса. На рис. 1 в качестве примера показано изменение положения максимума пика 2260 см-1 в ИК-спектре поглощения кварцевого стекла КУ-1 в ходе отжига при температуре 890њС. Образец отжигали на воздухе в кварцевой ампуле и периодически извлекали из печи для измерения спектра на ИК-Фурье-спектрометре 'EQUINOX 55/S' ('Bruker'). Полученные экспериментальные точки аппроксимировали функцией вида .


404

ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2011. Т. 52. ? 6

Рис. 1. Изменение положения максимума пика 2260 см-1 в ИК-спектре поглощения кварцевого стекла КУ-1 при отжиге при температуре 890њС

Рис. 2. Зависимость положения максимума пика 2260 см-1 в ИК-спектре поглощения кварцевого стекла КУ-1 от обратной температуры отжига. Пунктиром показана расчетная зависимость по данным работы [2]

Рис. 3. Зависимость времени релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 от температуры отжига

В результате появлялась возможность определить постоянную времени релаксации структуры кварцевого стекла , а также положение максимума пика , соответствующее состоянию структурного равновесия при данной температуре отжига. На рис. 2 приведена зависимость от обратной температуры отжига. Как и в работе [2], экспериментальные точки хорошо описываются линейной регрессией , [см
-1

нами температурный интервал. Наблюдаемое различие связано с меньшей прочностью сетки кварцевого стекла, содержащего гидроксильные группы, по сравнению с безводными кварцевыми стеклами. На рис. 3 приведена зависимость постоянной времени релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 от температуры отжига. Экспериментальные точки могут быть аппоксимированы экспоненциальной функцией вида = 0exp(E/RT). Для определения энергии активации Е и предэкспонент а 0 эти данные спрямлялись в координат ах ln -T -1. Вычисленная по данным линейной регрессии энергия активации процесса релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 составляла 85,8+6,4 ккал/ моль. Температурная зависимость постоянной време-

].

отличается Найденная нами зависимость от полученной в работе [2] для диапазона температур отжига 950-1400њС. На рис. 2 для сравнения приведена экстраполяция данных работы [2] в исследованный


ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2011. Т. 52. ? 6

405

ни релаксации структуры кварцевого стекла КУ-1 имеет при этом вид: = 210
-15

exp(85800/RT), [ч].

Для того чтобы структура стекла достигла квазиравновесного состояния при отжиге, продолжитель-

ность последнего должна быть не менее 3. Результаты, полученные в настоящей работе, позволяют рассчитать условия отжига кварцевого стекла КУ-1 в диапазоне температур 825-980њС, обеспечивающие достижение квазиравновесного состояния его структуры.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект ? 09-02-92600-КО_а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Agar wal A., Tomozawa M. Surface and bulk structural relaxation kinetics of silica glass // J. Non-Crystalline Solids. 1997. 209. N 3. P. 264. 2. Agarwal A., Davis K.M., Tomozawa M. A simple IR spectroscopic method for determining fictive temperature of silica glass // J. Non-Crystalline Solids. 1995. 185. N 1-2. P. 191.
Поступила в редакцию 20.01.10

RELAXATION OF KU-1 SILICA GLASS STRUCTURE UNDER ANNEALING
B.S. Lunin, A.N. Kharlanov (Division of Physical Chemistry)
The relaxation process of the KU-1 silica glass structure under annealing at 825-980њС was researched, the energy of activation of the relaxation process was defined. The formula for calculation of the relaxation time of the KU-1 silica glass is = 2 10-15 exp(85800/RT), [hour].

Key words: silica glass, annealing, relaxation of glass structure.
С в е дения об авт орах : Лунин Борис С ергеевич - ве д. науч. со т р. к а ф е дры физиче с кой химии химиче с ко го ф а к ул ьтет а МГУ, докт. техн. наук. (lbs@kge.msu.ru); Харл анов Андрей Никол аевич - ст. науч. со т р. к а ф е д р ы физиче ской химии химиче ского факультет а МГУ, канд. хим. наук (kharl@kge.msu.ru).