СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
METHOD OF REDUCING QUARTZ GLASS SURFACE ROUGHNESS

Изобретение относится к технологии обработки кварцевого стекла, в частности кварцевого стекла, содержащего 0.01-0.1% гидроксильных групп.
Изобретение может быть использовано при производстве изделий, в частности высокодобротных механических резонаторов, из распространенных марок кварцевых стекол, например, КУ-1.
Известен способ уменьшения шероховатости поверхности деталей из кварцевого стекла путем механической шлифовки поверхности абразивными порошками [Ходаков Г.С., Кудрявцева Н.Л. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. М.: Машиностроение, 1985. 220 с.]. Уменьшая при шлифовке размер зерен абразивного материала, достигают шероховатости поверхности 0.4-4 мкм. Однако в результате шлифовки на поверхности образуется нарушенный слой сложной структуры, ухудшающий качество изделий. Кроме того, рельеф механически шлифованной поверхности характеризуется наличием острых выступов, что не позволяет наносить на нее тонкие сплошные покрытия.
Наиболее близким к предлагаемому способу является метод химического травления [Альтах О.Л., Саркисов П.Д. Шлифование и полирование стекла и стеклоизделий. М.: Высшая школа, 1988. 231 с.]. По этому методу шлифованную поверхность изделий из кварцевого стекла обрабатывают водным раствором, содержащим фторид-ионы. Это приводит к растворению нарушенного поверхностного слоя, однако шероховатость поверхности при этом увеличивается.
Решаемой задачей предлагаемого изобретения является уменьшение шероховатости шлифованной поверхности изделий из кварцевого стекла, содержащего 0.01-0.1% гидроксильных групп, при одновременном удалении нарушенного поверхностного слоя.
Предлагаемый способ заключается в том, что шлифованную поверхность изделий из кварцевого стекла, содержащего 0.01-0.1% гидроксильных групп, нагревают при температуре 980-1050°С в течение 5 часов, охлаждают до комнатной температуры, а затем обрабатывают в водном растворе, содержащем фторид-ионы.
Существенным отличительным признаком заявляемого технического решения является предварительный нагрев поверхности изделий из кварцевого стекла в течение 5 часов при температуре 980-1050°С. При этом происходит диффузия гидроксильных групп из кварцевого стекла. Наиболее быстро гидроксильные группы диффундируют из выступающих образований рельефа поверхности, в результате чего структура кварцевого стекла в выступах рельефа поверхности сильно нарушается. При химическом травлении такой поверхности в водном растворе, содержащем фторид-ионы, происходит преимущественное растворение кварцевого стекла с нарушенной структурой, то есть выступов поверхности. В результате происходит уменьшение шероховатости поверхности изделий из кварцевого стекла при одновременном удалении поверхностного нарушенного слоя.
Предложенный способ иллюстрируется следующими примерами.
a
a
Пример 1 (сравнительный). Изделие из кварцевого стекла марки КУ-1, содержащего 0.1% гидроксильных групп, с исходной шероховатостью поверхности R=1.4±0.4 мкм, обработали в водном растворе, содержащем фторид-ионы с концентрацией 4% в течение 5 минут при температуре 20°С. Шероховатость поверхности изделия после химической обработки составила R=1.7±0.4 мкм, то есть увеличилась в 1.2 раза. Рельеф произвольно выбранного участка поверхности образца после обработки характеризуется наличием резких выступов поверхности (фиг.1).
a
a
Пример 2. Изделие из кварцевого стекла марки КУ-1, содержащего 0.1% гидроксильных групп, с исходной шероховатостью поверхности R=1.3±0.5 мкм, нагревали в течение 5 часов при температуре 1050°С, затем охлаждали до комнатной температуры и обработали в водном растворе, содержащем фторид-ионы с концентрацией 4% в течение 5 минут при температуре 20°С. Шероховатость поверхности изделия после обработки составила R=0.7±0.1 мкм, то есть уменьшилась в 1.9 раза. Рельеф произвольно выбранного участка поверхности образца после обработки не содержит резких выступов поверхности (фиг.2).
a
a
Пример 3. Изделие из кварцевого стекла марки КУ-1, содержащего 0.1% гидроксильных групп, с исходной шероховатостью поверхности R=1.4±0.1 мкм, нагревали в течение 5 часов при температуре 980°С, затем охлаждали до комнатной температуры и обработали в водном растворе, содержащем фторид-ионы с концентрацией 4% в течение 5 минут при температуре 20°С. Шероховатость поверхности изделия после обработки составила R=0.8±0.3 мкм, то есть уменьшилась в 1.8 раза. Рельеф произвольно выбранного участка поверхности образца после обработки не содержит резких выступов поверхности (фиг.3).
Нижняя граница температурного диапазона нагрева обусловлена низкими скоростями диффузии гидроксильных групп в кварцевом стекле при температуре ниже 980°С. При нагреве поверхности выше верхней границы температурного диапазона (1050°С) возможно изменение геометрии поверхности из-за уменьшения вязкости кварцевого стекла. Время нагрева 5 часов достаточно для нарушения структуры выступов поверхностного рельефа, при этом существенного нарушения структуры монолита кварцевого стекла не происходит.
Таким образом, предложенный способ уменьшения шероховатости шлифованной поверхности изделий из кварцевого стекла, содержащего 0.01-0.1% гидроксильных групп, позволяет уменьшить шероховатость поверхности в 1.8-1.9 раза.