В России создан прочный материал для инфракрасной оптики
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) совместно с коллегами из Института химии высокочистых веществ РАН (ИХВВ РАН) создали и исследовали особый тип стеклокристаллических материалов на основе халькогенидных стекол, которые в 2,5 раза тверже и в 1,5 раза устойчивее к растрескиванию по сравнению с аналогами. Новый материал открывает перспективы для создания механически прочной и технологичной инфракрасной оптики.
Инфракрасная (ИК) оптика — это «глаза» современных систем безопасности и ночного видения, беспилотных систем, медицинской и космической техники. Она работает не с видимым светом, а с теплом, которое исходит от предметов и живых существ. Увидеть это излучение невооруженным глазом нельзя, но тепловизор — прибор, оснащенный такой оптикой, — легко превращает невидимую картинку в четкое изображение.
Например, благодаря ему спасатели в дыму ищут людей под завалами, врачи с его помощью обнаруживают воспаления и опухоли на ранних стадиях, энергетики находят утечки газа и перегретые провода на линиях электропередач. Из космоса инфракрасные телескопы следят за лесными пожарами и измеряют температуру океанов. Даже в «умном» доме инфракрасный датчик может заметить, что забытый утюг перегрелся, и сам отключит розетку.
Сегодня линзы для ИК-оптики делают из селенида цинка и германия. Эти материалы хорошо пропускают тепловые лучи, но очень хрупкие. В экстремальных условиях — от вибраций, резких перепадов температуры или даже от обычной пыли, которая царапает поверхность — оптика мутнеет и выходит из строя.
Альтернативный тип материалов — халькогенидные стекла. Но в чистом виде они так же царапаются, трескаются и мутнеют. Авторы исследования создали особый тип стеклокристаллических материалов — на основе халькогенидного стекла с добавкой иодида цезия.
«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», — рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник ИХВВ РАН Роман Благин.
Всего ученые 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, затем проверяли абразивную стойкость. Параллельно с помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии изучали внутреннее строение: сколько кристаллов образовалось, какого они размера и равномерно ли распределены.
«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», — объяснил еще один участник исследования, доцент кафедры «Общая физика» ПНИПУ, кандидат технических наук Максим Булатов.
По оценкам авторов, разработанная стеклокерамика пригодна для изготовления ИК-линз, устойчивых к вибрациям, термическим нагрузкам и абразивному износу. Это позволит повысить надежность тепловизионных систем в аварийно-спасательных операциях, увеличить ресурс спутниковой аппаратуры и обеспечить стабильную работу приборов ночного видения в экстремальных условиях.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.