3.17. Кварцевое стекло

Кварцевое стекло (плавленый кварц), практически чистая двуокись кремния SiO₂, имеет наименьшую величину ТКЛР из всех известных материалов. Температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла α_l=5·10^-71/град при температуре 100⁰С. Для сравнения: у конструкционных сталей α_l=110·10^-71/град при температуре 20…100⁰С. Важнейшим свойством кварцевого стекла является высокая термостойкость, т.е. способность стекла выдерживать резкие многократные изменения температуры, разность значений которых может доходить до 800…1000⁰С. Высокая термостойкость связана с малым ТКЛР кварцевого стекла.

Кварцевое стекло обладает значительной твердостью, она в 2–3 раза меньше, чем у алмаза, небольшой плотностью, которая составляет (2,2...2,21)·10⁴Н/м³. Чистый и сухой плавленый кварц является одним из лучших изоляционных материалов. Удельное сопротивление его равно 1·10¹⁶Ом·м при температуре 20⁰С.

По упругим характеристикам ни один материал не может конкурировать с кварцевым стеклом. Так, коэффициент термического гистерезиса плавленого кварца меньше, чем любого другого известного материала. Если кварцевый стержень длиной l нагреть с температуры Т₁ до температуры Т₂ и дать ему охладиться до первоначальной температуры, то где Δl – остаточная разница длины, которая является мерой термического гистерезиса и может составлять (1…–5)·10^-91/град, т.е. стержень сжимается при охлаждении больше, чем расширяется при нагревании. Для сравнения: тот же коэффициент у прецизионного сплава инвара  1·10^-71/град. Это свойство делает кварцевое стекло особенно ценным, когда необходимо сохранить размеры деталей приборов при изменении температуры окружающей среды.

Модули упругости первого и второго рода заметно возрастают с уменьшением сечения кварцевых нитей. Так, уменьшение диаметра кварцевой нити с 2·10^-5 до 1·10^-5м приводит к изменению модуля упругости второго рода с 7,6·10¹⁰ до 8,5·10¹⁰Н/м². Относительное удлинение кварцевых нитей в 2–5 раз больше, чем для лучших никель-ванадиевых сталей [6].

Следует отметить еще одно важное свойство плавленого кварца, повышающее его ценность, – это малое значение внутреннего трения. Для сравнения: коэффициент внутреннего трения вольфрама приблизительно в 1·10⁴ раза больше, чем кварца. Если изготовить крутильный маятник с использованием кварцевой нити с периодом в 2с, то за 24ч в вакууме он потеряет всего около 10% своей амплитуды.

Как показал анализ струнных преобразователей, эффективность их тем выше, чем меньше отношение плотности материала ρ к модулю упругости Е материала струны. В сравнении с наилучшими материалами (МР50ВП) для кварцевого стекла это соотношение меньше почти на 20%.

Достоинства кварцевого стекла, далеко не полный перечень которых приведен выше, вызывают большой интерес конструкторов, делая его незаменимым конструкционным материалом в различных областях науки и техники. Этот материал широко используется в химической промышленности для изготовления трубопроводов, различных емкостей, химико-лабораторной посуды. Кварцевое стекло используется для изготовления оптических деталей в виде линз, призм и зеркал, применяемых в схемах, работающих при высоких температурах, когда незначительное изменение размеров за счет теплового расширения материала может привести к искажению оптической оси. Кварцевое стекло находит широкое применение в радиоэлектронной промышленности, в производстве волоконно-оптических устройств [5]. Огромный опыт использования кварцевого стекла накоплен в гравиметрии. Известны работы по изготовлению упругих ЧЭ из кварцевого стекла в приборостроении. Такие ЧЭ обладают высокой временной стабильностью и вибропрочностью [2, 4]. Кварцевое стекло все шире используется для изготовления ЧЭ приборов систем навигации и ориентации летательных аппаратов. Оно находит применение при изготовлении ЧЭ акселерометров. Исследования, выполненные рядом авторов, в том числе и наши исследования [2, 4], подтверждают возможность создания ЧЭ датчиков струнных преобразователей на основе кварцевого стекла с высокими метрологическими характеристиками. Определенный опыт работы с кварцевым стеклом накоплен в радиоэлектронной и микроэлектронной промышленности. Это, как правило, газопламенная размерная обработка для изготовления деталей различного назначения. Исходным материалом для получения изделий чаще всего являются стержни, трубы, штабики, изготавливаемые в соответствии с техническими условиями и стандартами. Газопламенной обработкой удается получать простые и сложные детали, которые затем свариваются в сложные изделия. Так, газопламенной обработкой удается вытягивать струны диаметром до 0,005мм. Для обеспечения их электропроводности используется технология напыления металла в вакууме. При этом толщина металлической пленки может составлять менее 1мкм. Наши исследования показали, что струны диаметром менее 0,01мм обладают большей температурной зависимостью из-за возрастающего влияния металлизирующего слоя, который призван обеспечить их электропроводность для возбуждения в них поперечных колебаний магнитоэлектрическим способом.

В подавляющем большинстве разрабатываемых струнных преобразователей используются традиционные материалы, а для струн применяются углеродистая сталь, вольфрам, элинвар, оловянно-цинковая и бериллиевая бронзы. Для традиционных материалов характерны существенные погрешности упругого последействия, гистерезиса, температурной нестабильности. Для струнных преобразователей, изготавливаемых из традиционных материалов, до сих пор не решена проблема крепления струн. Для обеспечения требований точности и стабильности струнных датчиков необходимо выполнить до 18 пунктов требований к узлам крепления струн в них. Использование плавленого кварца для изготовления струнных преобразователей снимает эти проблемы.