Способ изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения
METHOD OF MAKING GLASS PLATES WITH THICKENED EDGE FOR SPACE PHOTOCONVERTERS

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к технологии изготовления солнечных элементов, а именно к технологии изготовления радиационно-стойкого защитного стекла для фотопреобразователей.
Известен способ изготовления защитного стекла фотопреобразователя космического назначения (см. статью «Технология получения тонких защитных покрытий солнечных батарей для космической техники», жур.  «Успехи в химии и химической технологии», том XXV, 201, вып.5(121), стр. 93-96), принятый в качестве аналога. В данном аналоге для изготовления защитных стеклянных пластин, предназначенных для фотопреобразователей космического назначения, используют радиационно-стойкое стекло марки К-208. Разработанная технология лентопротяжки из расплава позволяет получить стеклянные пластины необходимой толщины в диапазоне 8СН-500мкм. Метод управляемого лазерного термораскалывания дает возможность разрезать вытянутое стекло на формы с минимальным повреждением края, что необходимо для обеспечения механической прочности тонкой пластины. Методом низкотемпературного ионного обмена механическая прочность вырезанной стеклянной пластины увеличивается на 20-40%.
Недостаток данного способа заключается в том, что лазерное термоскалывание не эффективно для резки стеклянных пластин толщиной менее 170мкм, так как при этом возникает большой процент отхода из-за невоспроизводимости процесса развития трещины от начального дефекта.
Признаки аналога, общие с предлагаемым способом изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, следующие: применение радиационно-стойкого стекла К-208, упрочнение стеклянных пластин методом низкотемпературного ионного обмена.
Известен способ упрочнения стекла (см. авторское свидетельство РФ № 542740, опубл. 15.0.1977г.),принятый в качестве аналога, в котором с целью повышения нижнего предела прочности осуществляют: 1)-травление стекла в 5-20% растворе плавиковой кислоты до удаления слоя толщиной 30-80мкм; 2)-упрочнение стекла ионным обменом путем обработки в расплавах солей щелочных металлов; 3)-удаление слоя, в котором произошла релаксация напряжений; 4)-упрочнение стекла путем ионного обмена.
3
Для достижения предельных величин сжимающих напряжений третью и четвертую операции повторяют от двух до десяти раз. В конкретном примере способа -аналога стекло подвергают травлению в 10% растворе плавиковой кислоты до удаления слоя толщиной 55-60мкм, после чего упрочняют ионным обменом в нитрате калия KNO при 450°С в течение 2ч. Затем стекло вновь травят в растворе плавиковой кислоты до удаления слоя толщиной 0,8-4 мкм и упрочняют ионным обменом в течение 0,5ч.
Недостаток данного способа-аналога заключается в том, что применительно к тонким 90-120мкм защитным стеклам фотопреобразователей космического назначения необходимая прочность края стеклянной пластины не обеспечивается из-за механических воздействий на операциях сборки фотоэлемента.
Признаки аналога, общие с предлагаемым способом изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, заключаются в упрочнении стекла путем травления с последующим ионным обменом.
Известен способ упрочнения стекла и закаленное изделие, полученное этим способом (см. патент РФ № 2127711, опубл. 20.03.1999г.), принятый за прототип, в котором выполняется упрочнение стеклянного изделия путем предварительного сжатия поверхностного слоя изделия термической или химической закалкой, кислотного травления поверхности на глубину, равную или большую глубины сжатого слоя стекла, защита травленной поверхности стекла химической закалкой.
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что на тонких ~90мкм стеклянных пластинах создание глубоких слоев 40-60мкм с высоким уровнем сжатия для последующего стравливания поверхностных дефектов невозможно из-за ограничения по толщине. В результате не обеспечивается необходимая прочность стеклянной пластины на операциях сборки фотоэлемента.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, следующие: создание на стеклянных пластинах слоя поверхностного сжатия, кислотное травление поверхности на глубину, равную или большую глубины сжатого слоя стекла; защита травленной поверхности стекла химической закалкой.
Технический результат, достигаемый в предложенном способе изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, заключается в повышении выхода годных фотоэлементов на операциях сборки и монтажа, сокращении объема ремонтных работ за счет увеличения прочности края стеклянной пластины.
Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в способе изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, включающем создание слоя поверхностного сжатия на стеклянной пластине, кислотное травление поверхности на глубину, равную или большую глубины сжатого стекла и защиту травленной поверхности стекла химической закалкой, стеклянные пластины вырезают из стеклянных заготовок, которые предварительно располагают вертикально и покрывают защитным слоем путем погружения в расплав воска, формируя при этом за пределами защитного покрытия участок поверхности с геометрической конфигурацией фотопреобразователя с меньшими на 2-10мм габаритными размерами. Кроме того, покрывают сплошным защитным слоем воска одну из сторон стеклянных заготовок. Затем выполняют травление стеклянной заготовки на 30-60мкм в водном растворе плавиковой и серной кислот, а далее удаляют восковое защитное покрытие и вырезают стеклянные пластины с утолщенным краем.
Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения, обуславливающие его соответствие критерию «новизна», следующие: стеклянные пластины вырезают из стеклянных заготовок, которые предварительно располагают вертикально и покрывают защитным слоем путем погружения в расплав воска, формируя при этом за пределами защитного покрытия участок поверхности с геометрической конфигурацией фотопреобразователя, причем с меньшими на 2-10мм габаритными размерами; покрывают сплошным защитным слоем воска одну из сторон стеклянных заготовок; выполняют травление стеклянных заготовок на 30-60мкм в водном растворе плавиковой и серной кислот; удаляют восковое покрытие; вырезают стеклянные пластины с утолщенным краем.
Конкретный пример изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем иллюстрирован на фиг. 1,2,3 и таблицей 1. На фиг.1 представлен вид стеклянной заготовки, покрытой воском и фотопреобразователя; на фиг.2 представлены спектры пропускания стеклянной заготовки а)-до и б)- после стравливания слоя толщиной 50мкм; на фиг.3 представлен профиль клина травления стеклянной заготовки с утолщенным краем. В таблице 1 представлены результаты испытаний на механическую прочность стеклянных пластин методом центрально-симметричного изгиба.
Для конкретного примера изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем для фотопреобразователей космического назначения применяют радиационно-стойкое стекло марки К-208. Формируют вытяжкой из расплава стеклянную ленту, разделяют стеклянную ленту на заготовки, выравнивают заготовки термическим отжигом. Толщина стеклянных заготовок составляет 170-180мкм. Располагают стеклянные заготовки вертикально в кассете. Наносят защитное покрытие посредством погружения в расплав воска определенной части поверхности стеклянных заготовок с последующим извлечением из расплава, поворотом кассеты вдоль плоскости заготовок на угол 90° или 45° и вновь выполнением погружения.
2
4
2
Для контроля уровня погружения используют эталонный образец в виде плоской фигуры с контуром фотопреобразователя, вырезанной из листа ковара и закрепленной на внешней стенке кассеты со стеклянными заготовками. Погружение стеклянных заготовок в расплав воска выполняют до касания поверхности расплава одной из сторон эталонного образца. При этом после 6-ти погружений по контуру эталонного образца за пределами защитного покрытия стеклянных заготовок остается участок поверхности с геометрической конфигурацией фотопреобразователя, но с меньшими на ~6мм габаритными размерами (см. фиг.1). Далее защищают сплошным слоем воска одну из сторон стеклянных заготовок. Выполняют травление открытого участка стеклянных заготовок в растворе плавиковой и серной кислот НF+НSO+НO= 1-0,05-5 на глубину ~50мкм в течение 1ч30мин, при этом пропускная способность травленного стекла не ухудшается (см. фиг.2). В процессе травления кассету с заготовками периодически переворачивают в растворе для получения однородного клина травления с пологим углом наклона (см.фиг.3).
Применение воскового покрытия в качестве защиты поверхности стекла при травлении в растворе плавиковой кислоты обусловлено химической инертностью и адгезионными свойствами воска.
Формирование непокрытого защитным слоем участка поверхности стеклянных заготовок с габаритными размерами, отличающимися, чем у фотопреобразователя на величины менее 2мм и глубиной травления менее 30мкм, нецелесообразно, так как не обеспечивается существенное увеличение прочности утолщенного края изготавливаемых стеклянных пластин. Габаритные размеры непокрытого защитным слоем участка поверхности стеклянных заготовок, отличающиеся, чем у фотопреобразователя на величины более 10мм и глубиной травления более 60мкм, не оптимальны из-за избыточного веса стеклянных пластин.
Снимают восковое покрытие в горячей воде. При остывании воск застывает в виде пленки на поверхности воды и используется дальнейшем многократно.
3
Далее из стеклянных заготовок вырезают алмазным резцом пластины с утолщенным краем, имеющие геометрическую конфигурацию фотопреобразователя с превышением его габаритных размеров на ~0,2мм. Затем создают на стеклянных пластинах методом ионного обмена слой поверхностного сжатия в расплаве калийной селитры KNO при температуре 450°С в течение 30мин. При этом в результате замещения ионов № на ионы К, больших размеров и сжатия поверхностного слоя стекла происходит сдавливание микротрещин по резанному краю стеклянных пластин.
2
4
2
Затем выполняют двухстороннее травление стеклянных пластин в растворе НF+НSО+НО в течение 30мин, при этом происходит удаление сжатого слоя стекла и поверхностных микротрещин на глубину ~15мкм.
3
Осуществляют финишное упрочнение стеклянных пластин химической закалкой (ионным обменом) в KNO за время t=30мин.
Изготовленные стеклянные пластины номинальной толщиной 90мкм с необходимым уровнем радиационной защиты фотопреобразователя космического назначения имеют утолщенный периферийный участок шириной ~3мм, что обеспечивает их существенно более высокую механическую прочность на последующих операциях сборки фотоэлементов при незначительном увеличении веса на ~3%. Возрастание средней величины разрушающей нагрузки стеклянных пластин составило 1,9 раза (см. таблицу!).
Таблица 1. Результаты испытаний на механическую прочность стеклянных пластин методом центрально-симметричного изгиба (расстояние между опорами 22мм)
Образцы стеклянных
Средняя толщина
Вес пластины, г
Разрушающая
пластин по базовому
пластины, мкм
нагрузка, г
варианту
1
93
0,73
372
2
98
0,78
332
3
97
0,78
378
4
98
0,77
441
5
94
0,75
370
6
95
0,76
375
7
94
0,75
368
Средние величины
96
0,76
377
Образцы стеклянныхпластин с утолщенным краем
Средняя толщина пластин, мкм
Вес пластины, г
Разрушающая нагрузка, г
в центральной части
на периферийном участке
1
92
143
0,82
642
2
91
140
0,8
605
3
89
139
0,81
820
4
94
140
0,84
720
5
90
139
0,79
780
6
89
138
0,8
750
7
96
142
0,83
730
Средние величины
92
140
0,81
721
Предложенный способ изготовления стеклянных пластин с утолщенным краем позволяет эффективно применять лазерное термораскалывание.