 |
Российские ученые создали материал для инфракрасной оптики, который в 2,5 раза прочнее аналогов
Ученые Института химии высокочистых веществ РАН совместно с коллегами из Пермского Политеха 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.
Статья опубликована в «Journal of the American Ceramic Society». Работа выполнена при финансовой поддержке национального проекта «Наука и университеты» в рамках созданной лаборатории «Высокочистые халькогенидные стекла для фотоники среднего ИК-диапазона», государственное задание FFSR-2024-0001.
Инфракрасная оптика — это «глаза» современных технологий безопасности, медицины и освоения космоса. 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 — устройство видит тепло тела даже сквозь густую завесу. Врачи с его помощью обнаруживают воспаления и опухоли на ранних стадиях: больной участок всегда горячее здорового. Энергетики находят утечки газа и перегретые провода на линиях электропередач, не поднимая вышки. В космосе инфракрасные телескопы следят за лесными пожарами по всей планете, измеряют температуру океанов и замечают астероиды, невидимые в обычные приборы. В автомобилях тепловизоры давно работают в системах ночного видения: они распознают пешеходов, велосипедистов и животных на совершенно темной дороге задолго до того, как их поймают фары. Даже в «умном» доме инфракрасный датчик может заметить, что забытый утюг перегрелся, и сам отключить розетку.
Однако, чтобы «поймать» это тепло, нужны специальные линзы. Сегодня их делают из кристаллов селенида цинка и германия — материалов, которые хорошо пропускают тепловые лучи, но очень хрупкие. От вибраций, перепадов температур и даже обычной пыли на них появляются микротрещины и царапины. Изображение начинает «плыть», контуры размываются, тепловизор теряет чувствительность. Германий вдобавок еще и мутнеет при высоких температурах, что ограничивает его применение. И все это приводит к тому, что дорогая техника выходит из строя в самый неподходящий момент.
Существует и другой тип материалов — халькогенидные стекла. Но в чистом виде они ничем не лучше селенида цинка и германия. Они точно так же царапаются, трескаются и мутнеют. И все же в отличие от аналогов, структура которых застывает при производстве и не поддается изменению, стекло можно дорабатывать. Например, выращивать внутри него микроскопические кристаллы, которые способны сделать материал прочным и при этом сохранить прозрачность для тепловых лучей.
Однако здесь скрывается главная трудность. Раньше считалось, что если вырастить в стекле много кристаллов, оно перестанет пропускать излучение: подобные включения обычно имеют другой показатель преломления и начинают рассеивать тепло, действуя как микроскопические препятствия на пути светового потока. Это приводит к нежелательному нагреву и снижению прозрачности материала. До сих пор исследователи не могли точно подобрать тот самый баланс, при котором кристаллов много (для прочности), но при этом оптика остается прозрачной.
Решение нашли ученые Института химии высокочистых веществ РАН совместно с коллегами из Пермского Политеха. Они 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, — рассказал Роман Благин, младший научный сотрудник ИХВВ РАН.
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 (четырехгранный наконечник) вдавливали в поверхность и оценивали размер отпечатка и длину трещин. Чем меньше след и короче трещины — тем прочнее материал. Затем проверяли абразивную стойкость — способность сопротивляться царапинам и истиранию. Образцы терли о шлифовальную бумагу под нагрузкой и замеряли, сколько толщины потеряли. Параллельно с помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии (дает возможность рассмотреть кристаллы в увеличении в десятки тысяч раз) 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 Максим Булатов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Общая физика» ПНИПУ.
Таким образом, предложенный учеными материал открывает перспективы для создания механически прочной и технологичной инфракрасной оптики. Разработанная стеклокерамика пригодна для изготовления 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.
Контактное лицо: Фазлетдинова Эллина Руслановна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 22:24, 27.02.2026
Количество просмотров: 348
Страна: Россия
| Вместо кулича ели освященный хлеб: ученые Пермского Политеха рассказали об истории пасхальных традиций, ПНИПУ, 22:16, 11.04.2026, Россия |
250 |
| Для россиян Пасха входит в тройку наиболее важных праздников. Ученые ПНИПУ рассказали, как еврейский Песах повлиял на возникновение Пасхи, почему православные, католики и иудеи отмечают ее в разные даты, правда ли, что кулич был обычным хлебом, почему яйца красили красным и откуда взялся пасхальный заяц. |
|
|
|
