Время и стекло
Фото: ОНПП «Технология»
Этот материал сопровождает человечество на протяжении тысячелетий: от первых осколков вулканического стекла до ультрасовременных многослойных панелей с электрообогревом. Без стекла сегодня невозможно представить науку, транспорт, медицину и даже космос.
Мы проследим, как стекло из ремесленного изделия превратилось в материал для прорывных технологий, а также расскажем о предприятиях Госкорпорации Ростех, которые сегодня разрабатывают и выпускают высокотехнологичные стекла для различных задач.
Как появилось стеклоделие
Первое стекло, обсидиан, человеку подарила природа. Это была застывшая вулканическая лава, из которой получался черный непрозрачный материал. В каменном веке люди использовали его, чтобы изготавливать режущие предметы. История стекла в бронзовом веке все еще изучена не до конца, поэтому нельзя сказать, где впервые произвели стекло. Для этого ученые анализируют письменные источники и исследуют происхождение стеклянных предметов с помощью современных методов материаловедения.
В основе стекла лежат песок (диоксид кремния), сода (оксиды щелочных металлов) и известь (карбонат кальция). В древнем мире вместо соды использовали золу, которую получали из растений-галофитов, живущих на засоленных почвах. Смесь исходных материалов нагревали и доводили до жидкого состояния, а затем заливали в формы, где она остывала. Если необходимо было получить оттенок или придать стеклу определенные свойства, в смесь добавляли оксиды различных металлов: меди, железа, кобальта.
Считается, что технологии стеклоделия были известны в Древнем Египте и Месопотамии. Самые древние найденные объекты из стекла датируются третьим тысячелетием до н. э. Уже в позднем бронзовом веке, 1600–1200 годах до н. э., стеклянные предметы изготавливали в Микенах и на Крите. В I веке до н. э. технологии производства стекла были распространены на территории Римской империи. В частности, между 27 годом до н. э. и 14 годом н. э. в Сирии изготовили первую стеклодувную трубку.
Средневековая мастерская, где изготавливали стеклянную посуду
В Средние века стекольные технологии уже широко применялись в Европе для изготовления украшений и посуды. На рубеже XVI–XVII веков появляются микроскопы и телескопы. К этому времени уже использовалась линза: в так называемых «камнях для чтения» и первых очках, созданных в XIII веке. Оптическое стекло получит широкое распространение в XVII–XVIII веках.
На территории Киевской Руси стеклодельные мастерские существовали в X–XII веках. Стеклоделие было известно и в Новгороде, Владимире и Рязани. Материал изготавливали из речного песка и поташа (карбоната калия), который добывали из золы растений. В XIII веке ремесло сильно пострадало из-за татаро-монгольского нашествия, на многих территориях технологии были утрачены. Первый стекольный завод на Руси появился только в 1639 году по указу царя Михаила Федоровича Романова, его открыли в деревне Духанино на Истре. Здесь создавали посуду и оконное стекло. А уже при Петре I производство стекла приобрело промышленные масштабы.
Технический прогресс XX века ключевым образом повлиял на развитие стекольного дела. Вырос спрос не только на обычное силикатное стекло, но и на более прочные, высокотехнологичные материалы, которые могли бы выдерживать большие нагрузки и обладать лучшими оптическими свойствами. Новые технологии химической промышленности позволили модернизировать производство стекла для различных целей.
Высокопрочное стекло: установка на стойкость
В XX веке на смену обычному стеклу в промышленности пришли изделия конструкционной оптики. Для их разработки в СССР был организован Научно-исследовательский институт технического стекла (НИТС). Именно НИТСу поручили разработать многослойное, с повышенной прочностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов, сочетающее в себе лучшие свойства разных материалов остекление, способное удовлетворить требования авиастроителей. На сегодняшний день НИТС и Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина, входящие в Госкорпорацию Ростех, разрабатывают и производят именно такие современные виды изделий конструкционной оптики. В прошлом году предприятию исполнилось 65, а институту — 70 лет.
На «Технологии» сначала создавали силикатное стекло для авиации, упрочненное по специально разработанным НИТСом технологиям. Обнинское предприятие было тогда филиалом НИТС. Сегодня — наоборот: этот ведущий отечественный институт в области разработки высокопрочного остекления входит в холдинг Ростеха под управлением ОНПП «Технология». Предприятие стало крупным научно-производственным центром, который создает керамические, композитные и полимерные изделия и материалы для аэрокосмической отрасли, машиностроения и транспорта.
Фото: ОНПП «Технология»
Для создания изделий конструкционной оптики ОНПП «Технология» получает силикатное, кварцевое стекло и разные виды органического стекла от других производителей. Единственное исключение — цветное термооптическое стекло, его обнинцы варят сами. Такое стекло не меняет свой цвет на протяжении всего срока эксплуатации независимо от гидрометеоусловий. Благодаря этим качествам его используют в производстве бортовых навигационных огней и аэронавигационных огнях аэродромов.
Повысить прочность остекления можно по-разному: увеличить толщину, закалить, упрочнить химическим способом. Один из самых распространенных способов — сделать его многослойным. В этом случае листы стекла чередуют с полимерной пленкой и отправляют в автоклав. При повышенной температуре и давлении пленка размягчается и надежно склеивает слои между собой. Так получаются триплексы и пентаплексы — изделия из нескольких слоев стекла и полимера. За счет пленки они обладают отличной прочностью, кроме того, в случае механических повреждений осколки остаются на пленке, не разлетаясь, допустим, по кабине пилота или машиниста. Полимерную пленку для «Технологии» производит НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина.
Такое стекло незаменимо при создании авиационных и космических аппаратов, современного железнодорожного и водного транспорта. ОНПП «Технология» обеспечило остеклением кабины самолетов Ту-154, Ту-160, Л-410, Ил-86, Су-57, SJ-100. В прошлом году прошло испытание остекления для кабины пилотов МС-21. Для лобовых стекол кабины этого пассажирского самолета использовали семиплекс, в котором полимерной пленкой соединены четыре стекла. Стекло снабдили функцией электрообогрева, которая не дает ему запотевать, а прочность позволит выдержать возможную встречу с птицами.
Более 300 наименований изделий обнинской «Технологией» разработано для кабин машинистов поездов. Продукция для железнодорожного транспорта и техники должна обладать похожими характеристиками с авиационной: выдерживать возможные удары, не допускать обледенения и запотевания, а также оптических искажений. Остекление предприятия используется на локомотивах 2ЭС4К, 2ТЭ25Км, ЭП20, KZ8F, KZ4AT. До 2026 года «Технология» планирует поставить более 650 изделий сверхпрочного остекления для поездов метро в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Новосибирске. Кабины машинистов остеклят термоупрочненным триплексом с электрическим обогревом.
Фото: ОНПП «Технология»
Водный транспорт также пользуется продукцией предприятия Ростеха. Например, скоростное судно на подводных крыльях «Комета 120М», которое курсирует между черноморскими курортами. Чтобы остеклить ходовые рубки, использовались крупногабаритные триплексы из монолитного оптического поликарбоната. Пассажирские салоны остеклены этим же органическим материалом нового поколения, чья ударная вязкость в 100 раз выше, чем у силикатного стекла при вдвое меньшем весе.
Сейчас продукция «Технологии» охватывает практически 70% рынка высокотехнологичного остекления. Независимыми аудитами подтверждено ее качество и соответствие международным стандартам.
Оргстекло: в мире полимеров
Органическое (или акриловое) стекло — это полимер, который получают из метилметакрилата. Это синтетический термопластичный материал, которым часто заменяют силикатное стекло, поскольку он легче поддается обработке и не бьется. Во всем мире первым известным органическим стеклом стал плексиглас. Именно под таким наименованием материал с 1933 года производила немецкая компания Röhm & Haas. В Советском Союзе изготавливать оргстекло начали в 1938 году в Ленинграде. Однако наибольшего успеха в разработке разных видов оргстекла добился филиал Института органической химии и технологии (ГосНИИОХТ) в Дзержинске, который позже был преобразован в НИИ полимеров.
Фото: ОНПП «Технология»
Оргстекло можно получить двумя способами: литьевым (блочным) и экструзионным (продавливанием). В НИИ полимеров оргстекло производят первым способом. Метилметакрилат смешивают с функциональными добавками, заливают в форму из двух листов силикатного стекла. Толщина изделия определяется с помощью специального эластичного профиля. Форму погружают в термостат с жидкостью, где при температуре 20–40 °С происходит полимеризация. Затем следует термообработка в печи и остужение.
Синтетическое происхождение делает оргстекло более прочным и устойчивым к ультрафиолету. Продукция НИИ полимеров широко используется в авиационной отрасли, например для остекления боковых элементов кабины пилота «Суперджета». Также из оргстекла создают светофильтры для навигационных огней самолета.
Оптическое стекло: чтобы лучше видеть
Потребность в оптических приборах существовала с незапамятных времен. Еще в древнем мире изготавливали специальные линзы в качестве увеличительного или корректирующего стекла. Сегодня оптическое стекло необходимо практически в любом производстве, без него невозможно создать микроскопы, телескопы и другую технику. В России оптическое стекло изготавливает Лыткаринский завод оптического стекла (ЛЗОС) холдинга «Швабе», основанный в 1939 году.
По сравнению с обычным стеклом оптическое должно обладать высокой прозрачностью и однородностью. Для этого в производстве используют сырьевые материалы высокого класса чистоты. Как и в случае с другими видами стекла, если материалу необходимо придать определенные свойства, в смесь для варки (шихту) добавляют дополнительные компоненты. После это ее засыпают в специальные горшки из огнеупорного материала и несколько дней варят в печах при температуре 1400–1550 °C.
Фото: «Швабе»
Чтобы стекло было оптически однородным, проводят постоянное перемешивание. Параллельно проходят сложные физико-химические процессы с определенными режимами для получения требуемого качества. По завершении всех этапов варки отбирается финальная проба, начинается снижение температуры, и стекломассу отливают в форму. Далее ее отжигают, этот процесс может длиться больше месяца. Полученный в итоге блок стекла передают на механическую обработку, где его доводят до нужных параметров.
Оптическое стекло, которое производит ЛЗОС, незаменимо в аэрокосмических приборах. В прошлом году на орбиту был отправлен космический аппарат «Ресурс-П» № 5, оснащенный крупногабаритным объективом «Актиний-4АГ», который изготовили специалисты завода. Изделие входит в состав оптико-электронной аппаратуры «Геотон-Л1», предназначенной для высокодетальной съемки поверхности Земли. С помощью нее можно отслеживать чрезвычайные ситуации, а также получать данные для анализа различных природных факторов и составления карт.
Фото: «Швабе»
Еще один незаменимый оптический прибор — микроскоп. В этом году на выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики» была представлена последняя разработка ЛЗОС в этой области — МБС-19. Стереоскопический прибор снабжен современной системой освещения, включающей в себя и проходящий, и отраженный свет. С помощью нового микроскопа можно получать более контрастное изображение, избегая искажений цвета и геометрии объектов. У прибора широкое рабочее поле, которое поможет ученым, медикам и реставраторам работать с большим комфортом.
Сейчас Лыткаринский завод производит 95% оптических материалов на отечественном рынке. Его продукция используется в медицине, научных разработках, метеорологическом оборудовании и астрономической технике. Завод в том числе создал уникальное зеркало для самого большого телескопа Алтайского оптико-лазерного центра им. Г.С. Титова.