Особенности лазерной фазово-структурной модификации стеклокерамик СТ-50-1 и ФС-1

ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ФАЗОВО-СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ СТЕКЛОКЕРАМИК СТ-50-1 И ФС-1

Б.Ю. Новиков Научный руководитель - д.т.н., профессор В.П. Вейко

В работе описаны оптимальные режимы лазерной модификации структуры стеклокерамик СТ-50-1 и ФС-1 при использовании излучений СО2- и УАв:№-лазеров. Приведены зависимости параметров областей модификации от условий обработки. Дан обзор возможных применений технологии фазово-структурных модификаций стеклокерамики и представлены практические примеры их использования.

Введение

В середине 50-х гг. ХХ в. был создан новый класс материалов - стеклокерамики (в СССР - ситалл, в Англии - поликерам и т.д.). Получают стеклокерамики в результате поэтапной многочасовой тепловой обработки, когда в исходной стекломассе образуются микрокристаллы размером в несколько мкм. Благодаря сильному рассеянию на границах микрокристаллов стеклокерамики чаще всего непрозрачны. Благодаря тем же микрокристаллам материал приобретает высокие износостойкие и механические свойства, сочетание которых с жаропрочными и диэлектрическими характеристиками, свойственными всем стеклоподобным материалам, делает перспективным применение стеклокерамик во многих областях от военно-промышленного комплекса до строительства и медицины [1 ].

Другим интересным материалом являются фоточувствительные стеклокерамики -прозрачные стеклоподобные материалы, наличие в составе которых фоточувствительных центров позволяет за счет фотохимической и термической обработок получить в исходном объеме кристаллизованные участки.

Эти классы материалов являются родственными друг другу. Вещества обоих классов имеют два фазовых состояния - поликристаллическое и аморфное, причем эти состояния могут быть неоднократно обратимы при термической обработке. Фазово-структурная модификация данных материалов может быть осуществлена при воздействии лазерного излучения. Задание определенных характеристик лазерного излучения позволяет легко управлять параметрами формируемых областей модификации.

В различных источниках встречаются сведения об использовании для модификации стеклокерамик лазеров разных типов: непрерывных УФ-лазеров (Ие-Сё-лазер), импульсных нано- (К2-лазер) [2] и даже фемтосекундных лазеров [3] и непрерывных ИК лазеров дальнего (С02-лазер [4]) и ближнего (УАО:Ш-лазер [5]) диапазона. Чаще всего исследуется фазово-структурная модификация таких стеклокерамик как ситалл СТ-50-1 (БТ-50-1) и фоточувствительное стекло ФС-1 (аналогичное западному стеклу БоШгап), которые являются наиболее распространенными материалами своих классов. Однако в литературе не приводится многих второстепенных, но важных сведений, которые могли бы способствовать воспроизведению результатов как в другой лаборатории, так и на производстве.

В данной статье будут приведены взятые из разных источников и дополненные нашими экспериментальными данными сведения о фазово-структурной модификации стеклокерамик СТ-50-1 и ФС-1 при использовании излучений СО2- и УАО:Кё-лазеров. Излучения этих лазеров наиболее часто используются для модификации стеклокера-мик, а кроме того данные лазеры являются наиболее распространенными.

Условия протекания процесса лазерной модификации

Стеклокерамики обладают низким коэффициентом термического расширения, но высокой хрупкостью (термостойкость ситалла СТ-50-1 513 К). Так как при лазерной

модификации ситалла СТ-50-1 возникают высокие температурные градиенты, то во избежание образования трещин и разрушения образца (рис. 1) необходим дополнительный подогрев [1]. Использование для подогрева газопламенной горелки может привести к загрязнению ванны расплава продуктами горения.

Рис. 1. Характерное растрескивание образца ситалла СТ-50-1 при локальной фазово-

структурной модификации из-за недостаточного дополнительного подогрева

Чтобы избежать разрушения стеклокерамических образцов при воздействии лазерного излучения, должны выполняться два условия:

1) скорость изменения температуры (при нагревании ¥нагр и охлаждении ¥охл) должны быть меньше критической (критической скоростью изменения температуры образца при лазерном нагревании и последующем охлаждении будем называть ту скорость, при которой трещины уже образуются, т. е. возникающие термонапряжения превышают разрушающие для материала образца значения [6]);

2) температура образца не должна превышать температуру испарения.

Если скорость изменения температуры выше критического значения, то образование трещин является неизбежным (режим растрескивания). При обработке в этом режиме Унагр ~ 200-50 К/с и Уохл ~ 400-100 К/с, и образования трещин из-за остаточных напряжений особенно трудно избежать [4].

Как показывают наши эксперименты, температура дополнительного подогрева может лежать в диапазоне от 600 до 1000 К. Чем выше температура подогрева, тем меньшая энергия должна быть сообщена материалу для достижения температуры плавления, следовательно, тем меньше может быть плотность мощности лазерного излучения. Желательно, чтобы нагрев распределялся равномерно по всему образцу. При наличии нагревательного элемента важно минимизировать соприкосновение с ним образца во избежание теплоотвода.

Применение дополнительного подогрева при модификации фоточувствительного стекла ФС-1 затруднено тем, что уже просто при нагреве (без дополнительного УФ-облучения) до 600 К образцы окрашиваются в слабый желтый цвет без существенного поглощения света (в литературе данное явление объясняется возникновением субмикронных коллоидно-дисперсных кластеров атомов серебра, которое, согласно источникам [7, 8], должно происходить после фотохимической обработки УФ-излучением). Можно рекомендовать при лазерном воздействии плавно увеличивать мощность источника излучения или решить задачу, как в [7], за счет создания второго канала лазерного излучения, который будет играть роль подогрева при лазерной обратной аморфизации. Однако при этом вероятность образования трещин все равно будет велика.

Вообще, можно рекомендовать выбирать образцы небольшого размера, 5-10 мм, которые легко равномерно подогреть. Но расположение области модификации вблизи края образца может привести к вытеканию ванны расплава за границы заготовки.

Выбор режима обработки

Сравним характер воздействия на СТ-50-1 излучений СО2-лазера (10,6 мкм) и УЛО:Кё-лазера (1,06 мкм). Всем материалам на основе SiO2 свойственно фундаментальное поглощение в дальней ИК области, поэтому излучение СО2-лазера эффективно поглощается в ситалле СТ-50-1 (и в фоточувствительном стекле ФС-1). При его воздействии на материал плавление поликристаллической фазы ситалла СТ-50-1 происходит при движении вглубь изотермы плавления. Излучение УЛО:Кё-лазера на границах микрокристаллов поликристаллической фазы ситалла СТ-50-1 подвергается многократному рассеянию и также приводит к плавлению материала, но аморфной фазой ситалла СТ-50-1 данное излучение пропускается, что обусловливает поэтапный характер просветления [5, 9]. Воздействие излучения УЛО:Кё-лазера на ситалл СТ-50-1 имеет следующие особенности:

1) использование излучения УЛО:Кё-лазера позволяет получать области аморфи-зации ситалла СТ-50-1 с параметрами, недоступными при использовании излучения СО2-лазера;

2) прецизионное формирование областей обратной кристаллизации ситалла СТ-50-1 при использовании излучения УЛО:Кё-лазера затруднительно.

При выборе правильного режима обработки решающую роль играют скорости нагревания и охлаждения материала. Приведем для ситалла СТ-50-1 формулы для оценки скорости изменения температуры нагревания в центре лазерного пятна на поверхности

тлшах н

у max =dT,maX A P 1

dt •Jn pc S yfar

T^max

и температуры нагревания в центре лазерного пятна на поверхности T н : 2 AP I—

тг =-r=-40T+T0,

yjnkS

где P - мощность лазерного излучения, A - коэффициент поглощения (А(СО2) = 0,9; А(УЛО:Ш) = 0,5), S - площадь лазерного пятна, т - время облучения, a = 6,5-10"7 м2/с -коэффициент температуропроводности, k = 1,45 Вт/м-К - теплопроводность, Т0 - начальная температура. Правильное задание P, S, т и Т0 позволит определенно сформировать выбранный тип фазово-структурной модификации стеклокерамики.

При темпах изменений температуры Унагр ~ 30-80 К/с и Уохл ~ 50-100 К/с можно осуществить лазерную аморфизацию образцов ситалла СТ-50-1. В этом случае температура поверхности образцов достигает температуры плавления (1473 К), и темп охлаждения достаточно высок для затвердевания расплава в аморфной фазе [4].

В работах разных исследователей используются образцы стеклокерамики главным образом в виде тонких пластин. Приведем некоторые данные для тонких (толщина 0,6 мм) пластин ситалла СТ-50-1. Для сквозной аморфизации образцов в зависимости от температуры дополнительного подогрева (600-1000 °С) необходима плотность мощности излучения в диапазоне: СО2-лазер - от 5-105 до 107 Вт/м2; УЛО:Кё-лазер - от 0,8-107 до 16-107 Вт/м2.

Обратная кристаллизация ситалла СТ-50-1 при помощи излучения СО2-лазера осуществлялась методом простого воздействия (или сканирования) на поверхность образца при больших температурах предварительного подогрева (800-1 000 К) и меньших плотностях мощности лазерного излучения (< 105 Вт/м2), чем аморфизация [4, 5, 9].

Обратная кристаллизация ситалла СТ-50-1 при помощи излучения УЛО:Кё-лазера также осуществима, но размер области воздействия должен быть больше области предполагаемой кристаллизации (рис. 2). Данный прием обеспечивает плавление

просветленной области за счет теплоотвода из окружающих участков. Важнейшим условием кристаллизации расплава ситалла является Уохл < 50 К/с (в наших экспериментах Уохл ~ 5-7 К/с). Мы облучали материал в течение 15-20 с при плотности мощности излучения ~ 105 Вт/м2, а затем создавали режим плавного охлаждения за счет постепенного уменьшения мощности УЛО:Кё-лазера [5, 9].

размер сечения пучка излучения УЛО:Кё-лазера

предназначенной для обратной кристаллизации

Рис. 2. Схематичное обозначение зоны воздействия излучения УЛО:ЫФ-лазера на ситалл СТ-50-1 при обратной кристаллизации

В литературе [7, 8] описываются следующие условия фазово-структурной модификации фоточувствительного стекла ФС-1 при помощи излучения непрерывного СО2-лазера при воздействии на материал по двух канальной схеме:

• кристаллизация - предварительный подогрев при 500 °С в течение 20 с, плотность мощности излучения ~ продолжительность облучения 60-90 с (измеренная температура поверхности « 1150 °С);

• аморфизация - предварительный подогрев при 800 К в течение 5 с, плотность мощности излучения 2-105 Вт/см2, продолжительность облучения 30 с (измеренная температура поверхности « 1300 °С).

а) б)

Рис. 3. а) Зависимости верхнего (Фверх) и нижнего (Фниж) диаметра линзы от времени воздействия излучения СО2-лазера на ситалл СТ-50-1. Режим обработки: плотность мощности излучения СО2-лазера 0,5106 Вт/м2, размер сечения пучка излучения в плоскости обработки 2 мм, температура дополнительного подогрева 800 К. Толщина пластин ситалла СТ-50-1 0,5 мм; б) Кинетика формирования волновода (начальная стадия аморфизации) от времени воздействия излучения СО2-лазера на ситалл СТ-50-1: зависимости высоты (Ик), глубины (Ид) и ширины (ф) области модификации. Режим обработки: плотность мощности излучения СО2-лазера 0,5106 Вт/м2, размер сечения пучка излучения в плоскости обработки 1,5 мм, температура дополнительного подогрева 800 К [4]

g

я к ч

<й я

а, и

ы

w

R

200

400

600

размер сечения пучка излучения в плоскости обработки, мкм

25 50 75 100 125 150 плотность мощности, МВт/м2

а)

б)

Рис. 4. Зависимость параметров областей аморфизации ситалла СТ-50-1 от условий обработки излучением УЛО:ЫФ-лазера. 1 - сторона пластины, с которой происходит воздействие излучения; 2 - сторона пластины, противоположная воздействию излучения. Режимы обработки: а) - размер сечения пучка излучения в плоскости обработки 300 мкм, температура дополнительного подогрева 450 С; б) - плотность мощности излучения УЛО:ЫФ-лазера « 5107 Вт/м2; температура дополнительного подогрева 450 С. Области просветления формируются на пластинах ситалла СТ-50-1 толщиной 0,6 мм [10]

Рис. 5. Зависимость диаметра (плотность мощности излучения: а - 15107 Вт/м2, б - 9,5107 Вт/м2) и стрелок прогиба (плотность мощности излучения 9,5107 Вт/м2; 1 - сторона, с которой воздействует лазер; 2 - сторона, противоположная воздействию лазера) областей аморфизации ситалла СТ-50-1 от времени воздействия излучения УЛО:ЫФ-лазера. Режим обработки: размер сечения пучка излучения в плоскости обработки 100 мкм; температура дополнительного подогрева 650 С. Области аморфизации формируются на пластинах ситалла СТ-50-1 толщиной 0,6 мм [5]

Формирование областей кристаллизации фоточувствительного стекла ФС-1 происходит при тепловой обработке на участках, облученных УФ-излучением, есть сообщения о формировании кристаллических структур без УФ-облучения. Исследований зависимостей параметров областей как кристаллизации, так и обратной аморфизации фоточувствительной стеклокерамики ФС-1 от условий обработки не проводилось. Влияние условий обработки на геометрические параметры областей аморфизации си-талла СТ-50-1 исследовано более подробно, что, вероятно, связано с популярностью данной технологии для формирования оптических микроэлементов. Некоторые из таких зависимостей приведены на рис. 3-5.

Некоторые применения технологии фазово-структурной модификации

стеклокерамики

Особые характеристики стеклокерамических материалов, возможность индуцированного локального изменения их механических, объемных и оптических свойств, короткое (1-100 с) время протекания лазерной модификации этих материалов открывают широкие возможности использования технологии их фазово-структурной перестройки.

Непрозрачность и меньший удельный объем (благодаря четкой структуре атомов) поликристаллической фазы стеклокерамики, прозрачность и больший удельный объем аморфной фазы открывают широкие перспективы для формирования оптических микроэлементов на ситалле СТ-50-1 [7, 9, 11].

Способность фоточувствительного стекла ФС-1 кристаллизоваться лишь в местах УФ-облучения и существенные отличия аморфной и кристаллической структур по скоростям травления позволяют использовать технологию фазово-структурной модификации данного материала при формировании периодических структур, в том числе дифракционных решеток на поверхности [12] и трехмерных изображений в объеме [2].

Технология фазово-структурной модификации фоточувствительного стекла ФС-1 также используется при создании фотонных и оптоэлектронных устройства [1], при построении наноспутников, для формирования микро-электро-механических систем [2, 13]. На ее основании разрабатываются микроаналитические системы [3].

Изменение удельных объемов фаз приводит при процессах модификации к появлению выпуклостей и впадин на поверхности заготовки. Это явление может быть использовано для формирования рельефа и морфологии поверхности.

Ионно-молекулярный обмен возможен только для аморфной фазы стеклокерамики. Кристаллическая фаза может при этом играть роль маски.

Использование стеклокерамик с особыми параметрами, например, таких как фер-роэлектрические керамики, приведет при фазово-структурной модификации к изменению их электромагнитных характеристик.

Биосовместимость стеклокерамики обуславливает ее применение в медицине и биологии, стойкость к агрессивным веществам - в химии, термо- и износостойкость - в промышленности и производстве приборов специального назначения. На базе технологии фазово-структурной модификации стеклокерамик планируется разработка оптических систем записи и хранения информации, фотонных кристаллов и т.д.

Заключение

Обзор литературы и проведенные эксперименты по фазово-структурной модификации стеклокерамик СТ-50-1 и ФС-1 показали, что:

• поликристаллическая и аморфная фазы стеклокерамики могут быть неоднократно обратимы при использовании лазера любого типа (СО2 и УАО:Кё);

• при выборе правильного режима фазово-структурной модификации решающую роль играют скорости нагревания и охлаждения материала и температура нагревания;

• параметры областей фазово-структурной модификации можно контролировать режимом обработки;

• технология фазово-структурной модификации стеклокерамики перспективна для формирования механических и оптических микроустройств, микроструктур, элементов аналитических систем.

Благодарности

Работа проведена при поддержке Гранта на ведущую научную школу Российской

Федерации (НШ.5967.2006.8), Гранта РФФИ (07-02-00887-а), Госконтракта РНП

2.1.1.784 и, частично, проекта INTAS № 04-78-7124.

Литература

1. Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. М.: Машиностроение, 1966. 319 с.

2. Livingston F.E., Adams P.M., Helvajian H. Active photo-physical processes in the pulsed UV nanosecond laser exposure of photostructurable glass ceramic materials // Proceedings of SPIE, 2004. V. 5662. P. 44-50.

3. Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. 3D integration of microoptics and microfluidics in glass using femtosecond laser direct writing. // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5662. P.209-214.

4. Kieu Q.K., Veiko V.P. Phase-structure transformations of glass-ceramics under laser heating as a way to create new micro-optical components and materials. // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5399. P. 11-20.

5. Новиков Б.Ю. Формирование микролинз методом аморфизации стеклокерамики при использовании YAGNd-лазера // Известия РАН. Серия физическая, 2006. Т. 70. № 9. C. 1323-1326.

6. Veiko V.P., Yakovlev E.B. Physical fundamentals of laser forming of microoptical components // Optical Engineering. 1994. V. 33. №11. P. 3567-3571.

7. Вейко В.П., Костюк Г.К., Никоноров Н.В., Рачинская А.Н. Лазерная модификация структуры фоточувствительной стеклокерамики. // Известия вузов. Приборостроение, 2006. Т. 49. №9. С. 5-9.

8. Kostyuk G.K., Nikonorov N.V., Orlov D.V., Rachinskaya A.N., Veiko V.P., Yakovlev E.B. Fast and reversible phase-structure modifications of glass-ceramic materials under CO2-laser action. - В печати.

9. Вейко В.П., Новиков Б.Ю. Лазерное формирование оптических элементов на ситал-ле СТ-50-1 // Beam Technologies and Laser Applications: Proceeding of the fufth international scietific and technical conference. SPb. 2006. P.90-95.

10. Вейко В.П., Шахно Е.А., Яковлев Е.Б., Новиков Б.Ю. Нелинейное просветление ситалла СТ-50-1 под действием излучения YAGNd-лазера. - В печати.

11. Kieu Q.K., N.V. Nikonorov, Veiko V.P. Laser modification of glass-ceramics structure and properties: a new view to traditional materials // Proceedings of SPIE, 2004. V. 5662. P. 119-128.

12. Nikonorov N.V. Ingfluence of ion-exchange treatment on the phisycochemical properties of glass and waveguide surfaces // Glass Phasics and Chemistry, 1999. V. 25. №3. P.207-232.

13. Fuqua P., Janson S.W., Hansen W.W., Helvajian H. Fabrication of true 3D microstructures in glass/ceramic materials by pulsed UV laser volumetric exposure techniques // Proceedings of SPIE, 1999. V. 3618. P.213-220.