Насколько многогранны свойства и возможности использования в нашей жизни стекла, говорят его предназначения: стекло оконное, бутылочное, для медицинских целей, для защиты от разного рода излучений, для производства бытовых и научных приборов, в том числе и военного назначения. Перечислять можно долго. Пожалуй, за историю стеклоделия наберётся не менее тысячи, а может, и более видов и типов стекла. Но учёные все никак не угомонятся, постоянно раскрывая новые и новые возможности этого материала.
В самом начале 60-х годов открыли, к примеру, возможность накопления стеклом энергии и ее отдачи в виде мощного луча. Так создали лазеры. А благодаря тонким стеклянным нитям можно передавать на большие расстояния световые сигналы или заглядывать в ранее недоступные человеческому глазу места. Так появилось оптоволокно.
В тех же 60-х годах на основе стекольного производства изобрели материал из полукристаллической керамики, названный в США пирокерамом. В первую очередь его стали использовать в военном деле, защищая обтекатели антенн на самолётах и в головной части ракеты. Нашлось пирокераму применение и в быту: в продаже появилась стеклянная с виду посуда, которая не разрушалась при резком переходе от нагрева к охлаждению и наоборот.
В Советском Союзе новшество назвали ситаллом. Чем характерен этот материал? Он способен работать при температурах свыше тысячи градусов, сохраняя при этом высокую твёрдость. Но самым ценным качеством является то, что ситалл имеет очень низкий коэффициент линейного расширения при изменениях температуры. В некоторых диапазонах он практически равен нулю.
Технология производства хотя и сходна с производством стекла, но в основе получения кристаллического состояния и зависящих от этого уникальных свойств материала лежит процесс так называемой ситаллизации стекольной массы. В состав стекла, которое при плавлении методом направленной кристаллизации становится новым материалом, как основа входит кварц – до 60 и более процентов, далее идут чистый глинозём – до 30 процентов, редкоземельный элемент литий в различных соединениях от шести до семи процентов, соединения титана, циркония, углерода. От этих компонентов зависит прозрачность получаемого продукта.
В СССР первый ситалл синтезировали двумя годами позже, нежели в США. Однако советские учёные направляли свои труды и знания не на бытовые разработки, а на использование этого стеклокерамического материала в космосе. Технология производства астроситалла СО-115 была создана на Лыткаринском заводе оптического стекла доктором технических наук Игорем Бужинским в сотрудничестве со специалистами из Государственного оптического института Владимиром Варчиным и Евгением Подушко. За этот научный поиск они были удостоены Ленинской премии.
С появлением промышленного производства астроситалла из нового материала в СССР стали изготавливать основные узлы лазерных гироскопов, используемых в наведении космических аппаратов на цель, в высокоточной зеркальной оптике и оптико-электронных комплексах как гражданского, так и специального назначения.
В последнее двадцатилетие этот материал приобрёл огромное значение в выделке астрономической оптики для телескопов с диаметром главного зеркала от 0,5 до 10 метров. Последнее значение – для составного зеркала.
Автору в 80-х годах довелось принять непосредственное участие в получении заготовки зеркала для Большого азимутального телескопа, работающего в Кабардино-Балкарии, взамен ранее установленного зеркала, изготовленного из стекла («Звёздная оптика из Подмосковья»). Заготовку из астроситалла СО-115 отлили без проблем, в соответствии с графиком и с температурными требованиями поместили в печь для ситаллизации. Через положенное время её извлекли, но, к сожалению, она оказалась треснувшей – труды пошли прахом. До сих пор, как мне известно, целостную заготовку получают диаметром чуть более четырёх метров.
Как же все-таки сваренное при температуре свыше 1600 градусов стекло превращается в кристаллический материл, приобретая при этом нужное качество? Это происходит за счёт изменения температуры в печи ситаллизации. А изменяется она в соответствии с законом, который и открыли три советских учёных, награждённых Ленинской премией.
Весь процесс происходит следующим образом. В форму сваренное стекло из печи выливается при температуре 1520 градусов через обогреваемую платиновую трубу диаметром около 200 миллиметров. Когда она заполнится стеклянной массой, её подводят под охлаждаемую водой крышку. Стекло остывает до 850 градусов. После этого форму помещают в печь ситаллизации, где масса остывает со скоростью 60–65 градусов в час.
В дальнейшем остывание замедляется: сказываются внутренние физико-химические процессы, происходящие в стекольной массе. Затем следует выравнивание нагревателей печи ситаллизации. При достижении температуры заготовки 650 градусов начинают ежесуточно поднимать температуру по пять градусов, а при достижении 720 градусов подъем падает до двух градусов в сутки.
Ситаллизация проводится при температуре 800 градусов в течение чётырех суток. Затем включается программа охлаждения: с 800 до 600 градусов – 70 суток, с 600 до 300 – 45 суток, с 300 до 100 – 30 суток, от 100 до 40 – 20 суток. Весь процесс занимает примерно 220 суток.
Казалось бы – что сложного: знай, охлаждай горячую заготовку и жди, когда она остынет. Да, просто на первый взгляд, но можно сказать, что за простые вещи в советское время Ленинскую премию не присуждали. Эту видимую простоту технологии необходимо было открыть и отработать.
С распадом в конце ХХ столетия Советского Союза были потеряны и многие, в том числе уникальные производства. Эпидемия разрушения не обошла и Лыткаринский завод оптического стекла. На заводе из 12 тысяч работников остались лишь около двух тысяч, да и те в большинстве своём пенсионеры.
Выручил предприятие астроситалл: по заказам иностранных обсерваторий и фирм из этого материала на ЛЗОСе начали изготавливать крупногабаритные зеркала для телескопов. Из подмосковного Лыткарина их отправляли для установки на Ливерпульском телескопе, работающем в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на Канарах, лыткаринский астроситалл работает в телескопах на Гавайях, в США, в Индии, в трёх чилийских телескопах и в трёх телескопах в Южной Америке, по одному в Австралии и Израиле, в двух китайских телескопах.
Однако материаловедение не стоит на месте: родилась альтернатива астроситаллу. Его теснит карбид кремния, который по совокупности характеристик и качеств соответствует требованиям разработчиков космической аппаратуры. На ЛЗОСе изготавливают зеркала для телескопов и из этого материала. Но заготовки для них привозят из-за рубежа, где освоено производство карбида кремния.
Евгений Власов
