Materiale Semifabricate Optice Sticla

5/19/2018 Materiale Semifabricate Optice Sticla

1/151

Materiale isemifabricate optice

Vol. I Sticla optic


2/151

2


3/151

3

Prefa

Subiectul acestei lucrri Materiale i semifabricate optice nu constituie oalegere ntmpltoare din partea autorilor acesteia. Fascinaia pentru lumin,materiale dar mai ales pentru interaciunile dintre cele dou, energetic i structural,a constituit un mobil suficient de puternic care s faciliteze scrierea acestei lucrrin forma de fa.

Lucrarea este, nainte de toate, un rezultat al activitii nemijlocite a autorilor, subdiferite laturi, n domeniul opticii, micro-opticii i al nano-opticii. Sintetiznd un bogatmaterial documentar, la nivelul anului 2005, lucrarea se adreseaz, cu precdere,

studenilor, cercettorilor i specialitilor din domeniul optometriei, mecanicii fine ial mecatronicii, a cror activitate este legat de cercetarea, proiectarea ifabricarea celor mai diferite aparate, mecanisme i instalaii ce implic achiziia,transmisia, stocarea i procesarea optic a informaiilor.

Totodat, prin orientare i structur , lucrarea este util specialitilor icercettorilor din alte domenii ale tehnicii, ce sunt familiarizai cu noiunileaparinnd opticii, micro-opticii i al nano-opticii.

Lucrarea este elaborat n dou volume. n primul volum, de fa, structurat n

zece capitole, se prezint, ntr-o abordare unitar, sticla optic ntr-o marediversitate, cuprinsntre natura i proprietile acesteia.

Suntem convini c subiectul nu a fost i nu va fi epuizat, existnd premisele unorabordri i din alte puncte de vedere. Tendinele moderne n ceea ce privetedezvoltarea de noi tehnologii de fabricare, compoziii chimice, procedee dembuntire a calitii acestei grupe de materiale i nu n ultimul rnd propunerilepentru noi configuraii structurale, a permis n acest cadru, o pendulare ntre vechii nou, uneori printr-o abordare sintetic i sistematizat, alteori printr-o dezvoltare

sistemic a conceptelor propuse.

Prof. univ. dr. ing. Gheorghe Novac


4/151

4


5/151

5

Cuprins

Prefa 3

Introducere 7

Sticla de la mister la art itiin 11

1. Repere istorice 11

2. Natura sticlei optice 27

2.1. Definirea i descrierea sticlei 27

2.2. Materiale i semifabricate optice 28

2.3. Clasificarea sticlelor optice 29

2.4. Alte tipuri de sticle pentru componentele optice 33

3. Compoziia chimic a sticlei 36

4. Proprieti termodinamice ale sticlei 40

4.1. Tranziia sticlei 40

4.2. Stabilitatea termic i relaxarea structural 42

5. Proprietile optice ale sticlei 42

5.1. Transparena 43

5.2. Transmitana 45

5.3. Indicele de refracie liniar i neliniar 465.4. Dispersia 48

5.4.1. Iraionalitatea dispersiei 49

5.4.2. Anomalii ale dispersiei dispersia neregulat 50

5.4.3. Teoriile dispersiei 52

5.5. Alte caracteristici optice omogenitatea, striaiile, birefringena 54

6. Proprietile mecanice ale sticlelor optice 58

6.1. Modulele de elasticitate 58

6.2. Duritatea i microduritatea 626.3. Rezistena teoretic. Ruperea fragil 62

6.4. Clasificarea sticlelor optice n funcie de proprietile mecanice 66

7. Proprietile magneto-, electro-, elasto- i acusto-optice ale sticlelor 68

7.1. Proprietile electro-optice ale sticlelor 70

7.2. Proprietile elasto-optice ale sticlelor 71

7.3. Proprietile acusto-optice ale sticlelor 72

7.4. Indicatorii acusto-optici 78

8. Proprietile chimice ale sticlelor optice 809. Tipuri de sticle optice 84

9.1. Sticla de SiO2 sintetic 85


6/151

6

9.2. Sticlele optice de tip crown 86

9.3. Sticla de borosilicat cu dilatare termic sczut 87

9.4. Safirul 88

9.5. Zerodur 90

9.6. Fluorura de calciu 91

9.7. Sticla cu utilizare n UV 92

9.8. Sticle fotocromice 97

10. Materiale optice pentru acoperiri de suprafa 102

10.1. Acoperiri antireflex 103

10.2. Tehnologia procesului de depunere a peliculelor subiri 106

10.3. Pelicule de acoperire a suprafelor optice cu funcionare n IR 111

10.4. Pelicule de acoperire pentru lentilele ochelarilor 116

Glosar 119

Bibliografie 123

Anexe 125


7/151

7

IntroducereOrice configuraie de sistem optic prezint n structura acestuia diferite tipuri decomponente fabricate sau/i mbinate din/cu ajutorul unor tipuri diferite de

materiale. Alegerea unui anumit tip de material depinde, n mare msur, decerinele de performan impuse sistemului ct i de ali factori cum ar fi:dimensiunea, greutatea, solicitarea mecanic, mediul de utilizare, numrul total desisteme necesare i nu n ultimul rnd de costurile aferente producerii acestuia.

Considerente de clasificare a materialelor optice n funcie deaplicaiile acestora

n general, materialele utilizate pentru componentelei sistemele optice includ

majoritatea categoriei de materiale existente, alegerea acestora depinznd decerinele impuse pentru aplicaia crora le sunt destinate. Una dintre posibilelevariante de clasificare a acestor materiale poate fi realizat din perspectiva tipuluide aplicaie crora li se adreseaz. Astfel putem avea elemente/sisteme:reflectante, refractante, componente structurale i adezive.

Componentele optice refractive

Componentele optice refractive sunt, n general, definite ca fiind acele elemente

optice care sunt transmisibile pentru fascicolele de lumin. Acestea includ ncategoria acestora lentilele, care prezintn general una sau ambele suprafee caavnd form sferic sau asferic. O alt clas de elemente optice transmisiveinclude elementele optice de ecranare, care sunt utilizate n configuraia sistemeloroptice n vederea proteciei fa de aciunea agresiv a factorilor de mediu cumsunt: praful, umiditatea i mizeria. n mod obinuit ecranele optice sunt sub formaunor plci plan-paralele din sticl optic de calitate cu posibilitatea introducerii uneipene de mici dimensiuni ntre dou suprafee n vederea coreciei erorilor datorat

plcii.Pentru anumite tipuri de aplicaii, cum ar fi cele care necesit deschideri mari alecmpului de observaie, ecranele optice se realizeaz ca avnd suprafee curbate,curbura acestora fiind accentuat. Dei aceste elemente nu constituie ocomponent a elementelor optice care conduc la formarea imaginilor, acestea potexercita o influendeosebit asupra frontului de und i calitii imaginii furnizatede ctre sistemul optic n special n cazul n care prezint o anumit valoare agrosimii i sunt localizate pe traiectoria fascicolelor de lumin, convergente sau

divergente, propagate prin sistem. n consecin, alegerea unui anumit tip dematerial constituie esena procesului de optimizare a perfomanei sistemului optic.


8/151

8

O alt clas important a componentelor optice refractante o constituie filtrele acror aplicaii se regsesc n configuraia spectrofotometrelor, aparatelor cine-foto,echipamentelor de analiz chimic, etc. Aceste tipuri de filtre poart denumirea defiltre de absorbiei sunt confecionate, n special, din sticl sau materiale plastice.

De exemplu, pot fi confecionate filtre de absorbie din sticl acoperite cu peliculesubiri ntr-o configuraie multistrat, n vederea izolrii anumitor benzi de transmisie,acestea fiind destinate cu predilecie pentru uzul n cadrul instrumentelor demonitorizare a mediului ce vizeaz detecia prezenei anumitor gaze sau compuichimici.

Alegerea unui anumit tip de material pentru fabricarea componentelor optice

refractante depinde de tipul aplicaiei i lungimea de und de lucru (tipul surseioptice). Din numeroasele categorii de sticle optice fabricate de diveri productoridoar n jur de 50 de tipuri sunt cel mai des utilizate n vederea fabricriicomponentelor optice refractante i aceasta deoarece majoritatea celorlalte tipuride sticl prezint proprieti termice i prelucrabilitate sczute, costurile asociatefiind relativ mari.

Cele mai utilizate tipuri de sticle conin n compoziia lor chimic SiO2 la care seadaug cantiti foarte mici de oxizi i fluoruri de bariu, bor, calciu, lantan, sodiu ipotasiu. Fabricanii de sticle pun la dispoziie i sticle uoare care au fostconfecionate n vederea utilizrii n configuraia ochelarilor, dispozitivelor de afiarecu montare pe cti, ct i pentru aplicaii n configuraia aeronavelor i rachetelorcaz n care consideraii cu privire la greutatea total constituie unul dintreconsiderentele de proiectare. Majoritatea sticlelor uoare prezint o duritate mare io rezisten superioar la aciunea acizilor i bazelor comparativ cucorespondentele acestora.

Proprietatea de transmisibilitate a diferitelor categorii de sticle optice variaz de-alungul spectrului, de la UV la IR. Sticlele crown prezint o bun transmisibilitatepentru lungimi de und

mici spre deosebire de sticlele flint care prezint

o

transmisibilitate bunn apropierea regiunii IR.

Pentru aplicaii ce implic utilizarea lungimilor de und UVi IRau fost fabricate ovarietate mare de materiale cristaline sintetice, care includ halogenuri alcaline (KCl,NaCl, LiF, MgF2, etc.), oxizi (cuar, silice, etc.), semiconductori (Si, GaAs, Ge,diamant, etc.), calcogenide (CdTe, ZnS, ZnSe, etc.).

n utlima perioad s-au impus noi materiale plastice, avnd calitate opticdeosebit. Aceste materiale plastice au greutate mic, sunt rezistente la ocuri i

vibraii mecanice i presupun costuri mici de fabricare. Dintre dezavantaje se potmeniona: dificultatea de acoperire datorit temperaturii mici de nmoiere irezistenei diminuate fade zgriere, caracteristica de birefringenca urmare a


9/151

9

tensiunilor aprute n urma proceselor de topire. n general, materialele plasticeprezint valori mici ale indicilor de refracie i comparativ cu sticlele nu se regsescn forme att de variate.

Componentele optice reflectiveCele mai cunoscute elemente optice reflective sunt oglinzile dar i prismelereflectante, reelele de difraciei alte componente specializate. Oglinzile din sticl,de exemplu, sunt concepute ca avnd o suprafareflectiv depus pe un substratsuport, de form diferit. Dimensiunile acestora pot varia de la civa mmla civami pot fi confecionate din materiale ca sticla, ceramice, metalice, compozite saumateriale plastice.

Sistemele optice reflective clasice, cum este telescopul astronomic, prezint de

obicei n configuraia acestora oglinzi din sticl avnd structura suport metalic. nvederea diminurii greutii, pentru satisfacerea cerinelor impuse de aplicaiilespaiale sau din considerente termice, sticla poate fi din categoria celor uoare, saus fie nlocuit de materiale cum ar fi Al sau SiC. De exemplu, telescopul spaialHubbleare oglinda principal confecionat din silice ULE (Corning Glass WorksCo.) uoar iar cea de-a doua oglind din ZERODUR (Schott GlassWerke,Germania) structura fiind un material compozit grafit/epoxy. Pentru confecionareasistemelor optice ultrauoare, dedicate n special aplicaiilor spaiale, att pentru

oglinzi ct i pentru structur se utilizeaz materialele cum ar fi Be sau materialelecompozite cu matrice metalic.

n cazul aplicaiilor pentru care exist posibilitatea apariiei unor solicitri termicemari (ex. componente ale surselor laser) se utilizeaz pentru materialele oglinzilor:cuprul, molibdenul, siliciul sau carbura de siliciu. Oglinzile pentru aceste configuraiisunt fabricate ca avnd canale pentru rcirea intern, distribuia canalelorprezentnd o complexitate care depinde de fluxul de cldur incident la acestea.Oglinzile cu rcire mai pot prezenta i tuburi interne pentru transferul de cldur. n

cazul unor solicitri termice mici se utilizeaz cel mai adesea materiale cu uncoeficient de dilatare mic, cum ar fi: ULE, ZERODUR sau INVAR-ul. La cealaltextremitate a scalei temperaturilor, oglinzile criogenicesunt fabricate din cuar/siliceconstituind o opiune att beriliul ct i carbura de siliciu datorit proprietilor uniceale acestora.

n cazul produciei n mas a componentelor/configuraiilor sistemelor optice,costurile de producie constituie unul dintre factorii decizionali ceea ce a condus ladezvoltarea tehnicilor i metodelor de reproducere. Astfel, n fabricaia oglinzilor vor

fi preferate materiale ale substratului aluminiul i sticla n timp ce pentru suprafaareflectant se prefer materialele polimerice, sub form de straturi subiri.


10/151

10

Componente structurale

Aceste tipuri de componente, cu excepia celor refractante i reflectante care suntproiectate ca structuri, sunt acele componente care susin i conecteaz

componentele optice. Exemplele tipice de astfel de componente le constituie:bancurile optice, suporii, monturile, etc. Aceste componente trebuie s prezinte oanumit rigiditate, stabilitate dimensional (nu trebuie s prezinte aceleai toleraneca i componentele optice) i compatibilitate termic att dilatare ct iconductivitate cu elementele optice.

La temperatura camerei, se preferAl datorit costurilor mici (achiziie i fabricare)i prelucrabilitii uoare. Beriliul i compozitul grafit/epoxy constituie materialeleutilizate n cazul sistemelor pentru care greutatea este un element critic, cum ar fi

sistemele spaiale sau ineriale. Materialele compozite cu matrice metalic (MMC-uri) beneficiaz de proprieti intermediare i pot conduce la o eficiena costurilorn cazul produciei de mas a componentelor din astfel de materiale. n cazulaplicaiilor care vizeaz controlul i/sau stabilitatea dilatrii, cum suntbancurile/mesele optice sunt preferate materialele avnd coeficieni de dilatare devalori mici INVAR-ul i materialele compozite grafit/epoxy.

Adezivi i liani

Materialele adezive pot fi structurale sau optice. Adezivii structurali nu necesit

satisfacerea anumitor proprieti optice i sunt utilizai strict pentru alipireamecanic a componentelor ntre ele (ex. lentila n suport). n cazul n care suntutilizai n aplicaii optice, chiar i pentru lipirea simpl a structurilor, acetia trebuies prezinte un coeficient de dilatare termic mic ct i tensiuni reziduale extrem desczute datorit comprimrii n timpul polimerizrii. Lianii optici sunt pri aledrumului optic datorit faptului c se afln calea fascicolelor de lumin cnd suntutilizai pentru alipirea componentelor optice refractante, cum sunt dubletul alipit,trebuind s posede omogenitate a indicelui de refracie i transmisibilitate mare.

O structur n care componentele optice i mecanice sunt aplipite prin intermediuladezivilor, comparativ cu sistemele de prindere clasice, sunt mult mai uoare i deobicei mult mai ieftin de fabricat. Suplimentar, toleranele impuse de fabricare(paralelismul, planeitatea, etc.) componentelor lipite sunt, n general, mult mai puinstricte comparativ cu componentele care trebuie conectate rigid. De asemenea,legturile prin lipire sunt mult mai flexibile ceea ce faciliteaz o mai bun distribuiea strii de tensiune n urma unor solicitri mari, atenuare ala vibraii ioc i permito dilatare diferit ntre componentele care sunt fabricate din alte materiale. Toate

materialele adezive prezint o bun rezistenla forfecare dar nu i la traciune.


11/151

11

Sticla

de la mister la art

i

tiin

1. Repere istorice

nc din timpuri strvechi omul a acordat sticlei o atenie aproape mistic, atribuindacestui material transparent conotaii magice i supranaturale. Citirea viitorului ntr-o sfer de cristal, studiul prismelor n cutarea pietrei care fi transformat un metal naur a fcut ca sticla s devin sinonim cu frumuseea. Din nefericire, aceast aurmistic atribuit sticlei a disprut n prezent, aceasta nemafiind considerat ominune sau extraordinar

. n prezent dispunem de configura

ii diferite de oglinzi,

geamuri, ecrane de televizoare, becuri, sticle, etc. crora nu li se acord o ateniedeosebit dect n condiiile n care apar noi utilizri ale acestui material simplu.

Oare ne-am putea imagina societatea din zilele noastre fr existena sticlei? Ce s-ar ntmpla dac timp de o or ar disprea brusc toate obiectele din sticl?Rspunsul la ntrebare va fi dat de fiecare dintre noi iar n urma concluziilor suntemconvini c se va ajunge la a afirma c sticla constituie una dintre resursele vitaleale societii din ce n ce mai tehnologizate n care trim i va r mne nc mult

timp n atenia tuturor, de la productori la utilizatori, din vechime pnn prezent.Dac ar fi s catalogm perioadele istorice asociate originii sticlei n conformitatecu apariia i dezvoltarea metodelor utilizate n procesul de fabricare al sticlei, vomputea evidenia urmtoarele intervale istorice:

Prima perioad: 1700 .C pn la 100 d.C corespunde metodeiprimitive de fabricare a sticlei, din topituri.

Cea de-a doua perioad: 100 d.C pn la 400-500 d.C corespundedescoperirii tehnicii de suflare a sticlei ceea ce conduce la transformareaprocesului de fabricare a sticlei ntr-un proces mult mai practic.


12/151

12

Cea de-a treia perioad: 4-500 d.C pn la aprox. 1200 d.C corespunde unei expansiuni a cunotinelor acumulate n cea de-a douaperioad i coincide cu apariia sticlei bizantine.

Cea de-a patra perioad: 1200 d.Cpn aprox. 1900 d.C corespundeinfluenei n Europa i n ntreaga Asie a sticlei de Veneia i coincide cufundamentarea proceselor de fabricaie modern a sticlei.

Cea de-a cincea perioad: 1900 d.C pn n prezent corespundefabricaie i utilizrii pe scar larg a obiectelor din sticl.

Aceast clasificare satisface orice tip de abordare tiinific din perspectiveinginereti a subiectului dar las loc de ntrebri cu privire la perioada de dinaintede 1 700 .C, care este asociat cu existena n stare natural a sticlei.

Descoperirea sticlei

Sticla natural a existat nc de la nceputul timpurilor, aceasta formndu-se nurma topirii anumitor pietre ca rezultat al unor fenomene ce implicau temperaturimari, cum ar fi: erupiile vulcanice, fulgerele sau impactele cu meteoriii, urmate deo rcire i solidificare rapid. Se presupune faptul c omul preistoric a utilizataceast sticl natural ca unealt, materialul fiind catalogat sub denumirea de

obsidian (sticl natural, de origine vulcanic, cunoscut i sub denumirile decristal de agat sau mahon de munte), respectiv tectite (sticle natural formate, deorigine extraterestr).

5 000 .C n conformitate cu istoricul roman Pilnius (23 79 d.C), care aconsemnat n lucrarea acestuia Naturalis Historica(77 d.C), omul a

produs sticla n mod accidental (sau cel puin a devenit contientde existena acesteia), n regiunea Siriei, n jurul anului 5 000 .C.

acesta relata faptul c navigatorii (comercianii) fenicieni, n cutarede pietre ca suport pentru vasele lor de gtit, pe plaja dinvecintatea localitii Belus din Asia Minor, au sfrit prin a utilizaunele din blocurile de sare din ncrctura transportat. Utilizareafocului a fcut ca nisipul i sarea, n urma combinrii s setransforme n topitur de sticl. Lucrarea lui Pilnius esteconsideratn prezent ca fiind apocrif dar aceasta conine o reetprecis pentru fabricarea sticlei: cldur plus nisip i cenu de

sare.

Apariia unui meteug


13/151

13

3 500 .C Cele mai vechi obiecte confecionate de ctre om, din sticl, nspecial sub forma unor suporturi din sticl netransparent, suntconsiderate ca datnd din jurul anului 3 500 .C i au fost

descoperite n Egipt i Mesopotamia. n cel de-al treilea mileniu, nMesopotamia Central, au fost utilizate materialele principale alecompoziiei sticlei n vederea decorrii vaselor i cnilor. Astfel, nurma combinrii nisipului calciferos cu sare, n stare de topitur, aufost realizate decoraiile colorate de pe suprafeele ceramice.Comercianii i navigatorii fenicieni au fost aceia care au fcutcunoscut aceast nou art de-a lungul coastei mediteraniene.

Secolul16 .C

Cele mai vechi fragmente de vase din sticl dateaz din secolul al16-lea .C i au fost descoperite n Mesopotamia. Acestea au fostrealizate utiliznd una din primele metode de producere a sticlei

topirea miezului. Astfel, utiliznd lutul s-a modelat miezul avnd

forma vasului urmat a fi realizat, apoi acesta fixat pe o barmetalic era introdus n sticla topit. Dup rcire, se ndeprtamiezul din lut obinndu-se astfel un obiect de mici dimensiuni, dinsticl. Tot n aceast perioad au fost utilizate metodele de turnare

simpl a topiturii de sticl i presare. Aceste tehnici au fost eficientedoar pentru obinerea de farfurii ntinse i adnci frns a facilitaextinderea procedeelor la producia n mas. n China au fostdescoperite platouri din sticl despre care se afirm c ar aparineaceleiai perioade. Cu siguran, acest fapt se datoreazschimburilor tehnologice dintre China, Mesopotamia i Egipt.Originile reale ale sticlei moderne sunt considerate ca fiind

Alexandria, n timpul dinastiei lui Ptolemeu. Fabricanii de sticl dinAlexandria au dezvoltat o nou

tehnic

cunoscut

ulterior sub

denumirea de sticl mozaic.

1 500 .C Dup anul 1 500 .C au fost datate obiectele din sticl (vase)fabricate de ctre meteugarii egipteni care au dezvoltat o altmetod de producere a acestora care presupunea scufundareaunui miez de formare din nisip compactat ntr-o topitur din sticlurmat de rotirea formei astfel nct sticla topit s adere la acesta.Aflat nc n stare de nmuire forma acoperit cu sticl era rulatpe o suprafadin piatr n vederea netezirii i decorrii acesteia.Cele mai vechi evidene din aceast perioad sunt cele trei vase


14/151

14

denumite dup faraonul Thoutmosis III (1504-1450 .C), care aadus fabricani de sticl din Asia n Egipt, ca prizoneri aicampaniilor sale militare de succes.

Secolul9 .C

650 .C

27 .C

14 d.C

Exist puine dovezi istorice cu privire la evoluia tehnicilor iprocedeelor de fabricare a sticlei i obiectelor din sticl i aceastapn n secolului al 9-lea .C cnd, n Mesopotamia, a fostrevitalizat curentul fabricrii sticlei. n urmtorii 500 de aniproducerea sticlei a fost centrat n Alexandria, de unde seconsider

ca r

spndindu-se nspre Italia.

n jurul anului 650 .C se consider ca fiind perioada la care poate fidatat apariia primului manual de fabricare a sticlei. Astfel, ntbliele din colecia regelui asirian Ashurbanipal(669-626 .C) seregseau instruciuni cu privire la modul de fabricare a sticlei.

nceputurile procesului de suflare a sticleiO contribuie major a constituit-o descoperirea tubului de suflare asticlei, de ctre meteugarii sirieni din zona situat ntre Sidon iBabilon, ntre anii 27 .C 14 d.C. Tubul pentru sulfarea sticlei era

confecionat dintr-o tij metalic care avea ataat la unul dintrecapete un suport pentru buze. Sufltorul plasa (principiul pipetei) omas de sticl topit la cealalt extremitate dup care sufla prinsuport pn ce topitura lua o anumit form. Datorit suprafeeimari de contact cu aerul, topitura se rcea cu rapiditate, astfel cmicile obiecte necesitau ntre 2 la 3 minute de obinere iar cele mai

mari n jur de 10 minute, ceea ce facilita producerea de cantiti nmas. Suflarea sticlei a permis fabricarea de sticle fine, cu pereisubiri, ntr-o mare varietate de forme. Suplimentar, utilizarea uneiforme coraborate cu aceast tehnic a facilitat standardizarea iduplicarea obiectelor.

Influena Imperiului Roman

Stpnirea roman a avut una dintre cele mai mari influene nceea ce privete rspndirea tehnologiei de fabricare a sticlei. Cufiecare nou cucerire de teritorii, relaii de comer, sau de


15/151

15

administrare efectiv politic i economic a imperiului, romaniiau creat condiiile pentru rspndirea i dezvoltarea fabricaieisticlei de-a lungul Europei de Vest i zonei mediteraneene.pentru rspndirea i dezvoltarea fabricaiei sticlei de-a lungul

Europei de Vest i zonei mediteraneene. Astfel, n timpul domnieimpratului Augustusau nceput s apar obiecte din sticl de-alungul ntregii Italii, n Frana, Germania i Elveia. Obiectele dinsticl a acelei perioade sunt cunoscute sub denumirea de sticlromani erau caracterizate ca avnd decoraii sub form gravat,filigram sau mosaic.

De asemenea, romanilor li se datoreaznceputurile utilizrii sticlei

n scopuri arhitecturale la ferestre sau ui, odat cu introducereaoxidului de magneziu n compoziia sticlei, ceea ce a condus laobinerea sticlei transparente (Alexandria, 100 d.C). n acestecircumstane, au nceput s apar tavanele confecionate din sticlpentru bile din cele mai luxoase vile din Herculane i Pompei cti n cele mai importante cldiri din Roma.

Odat cu extinderea geografic a imperiului, meteugarii sticlari

au nceput s renune la migraie, stabilindu-se n anumite regiuniceea ce a condus la accentuarea unor caracteristici distincte aleobiectelor din sticl concepute n acele zone. Alexandria acontinuat s rmn cea mai important zon din est n ceea ceprivete fabricarea sticlei, acesta producnd obiecte luxoasedestinate n special exportului. Renumitul vas Portland constituiecel mai elocvent exemplu de miestrie a meteugarilor sticlari dinAlexandria. Odat cu declinul Imperiului Roman, secolul al 5-lea nua eviden

iat nici un progres deosebit n ceea ce prive

te tehnicile

de fabricare a sticlei, constatndu-se chiar o abrutizare a formelor

i detaliilor, n special n cazul obiectelor din sticl de pe teritoriulGermaniei.

nceputurile erei medievale

Sec. 7

Sec. 8

Spturile arheologice efectuate n insula Torcello de lngVeneia (Italia) au scos la iveal obiecte aparinnd sfrituluisecolului al 7-lea i nceputul secolului al 8-lea care conin evidenecu privire la tranziia nspre era medieval a producerii sticlei.


16/151

16

1 000 Astfel, nspre nceputul anului 1 000 a avut loc o modificare

importantn privina tehnicilor de fabricare a sticlei n Europa.

Datorit dificultilor n ceea ce privete importul materiilor prime,sticla avnd n compoziie oxidul de sodiua fost gradat nlocuit desticla fabricat din cenu obinut n urma arderii lemnului, ceeace a fost evideniat n cazul obiectelor din sticl provenite din zonade nord a Alpilor comparativ cu cele fabricate n zona

mediteranean (Italia) la care materia prim dominant era nccenua de sare.

Fabricarea plcilor din sticlSecolul11

Secolul al 11-lea a fost caracterizat prin dezvoltarea tehnicilor defabricare a plcilor din sticl, introduse de ctre meteugariigermani i apoi dezvoltate de ctre cei veneieni n secolul al 13-lea. Astfel, n urma suflrii unei sfere din topitur de sticl ibalansare pe vertical s-a putut obine o form cilindric subaciunea gravitii, n lungime de pn la 3 metri i limi de pn la45 centrimetri. Materialul nc fierbinte, era tiat i ntins. Ferestrele

din sticl colorat au cunoscut o larg rspndire n Evul mediu,decoraiunile coninnd scene istorice i blazoane/armuri/armeregsindu-se ntr-un numr mare de cldiri, hanuri i locuine aoamenilor prosperi din acele timpuri.

1271

Veneia sticla de Murano

n Evul mediu, oraul italian Veneia i-a asumat rolul de centru defabricare a sticlei din zona vestic

a lumii. Navigatorii

i

comercianii veneieni, care stpneau zona mediteranean, aucontribuit la furnizarea cu materii prime i cunotine tehnice ameteugarilor sticlari de la omologii lor din Siria ct i cu influenaartistic islamic. Importana industriei sticlei n Veneia se poateevidenia nu numai din prisma numrului de meteugari prezenin aceast locaie (au fost nregistrai mai mult de 8 000 la unmoment dat) ci i prin statutul acestui sector a sticlei, din 1271,care coninea msuri concrete de protecie cum ar fi: o interdicieasupra importurilor de sticl i o interdicie a stabilirii n locaie ameteugarilor strini care doreau s lucreze n Veneia.


17/151

17

1291

Pn spre sfritul secolului al 13-lea, majoritatea locaiilor deproducere a sticlei veneiene erau plasate n ora. Ca urmare aincendiilor frecvente de la cuptoarele de topire a sticlei, autoritileoraului au hotrt, n 1291, transmutarea meteugarilor n insulaMurano. Aceast msur a facilitat, de asemenea, i uurinasupravegherii uneia dintre principalele bunuri, asigurndu-seastfel de pstrarea secretelor acestei meserii.

Secolul14

n secolul al 14-lea, s-a dezvoltat o nou zon industrial defabricare a sticlei n Altare, lng Genova (Italia). Importanaacestui fapt a constat n faptul c nu se aplicau regulile stricteimpuse la Veneia cu privire la exportul cunotinelor ce vizaulucrul cu sticla. n aceste circumstane, n timpul secolului al 16-lea,meteugarii din Altare au contribuit la rspndirea noilor stiluri itehnici specifice sticlei italiene nspre alte zone ale Europei, nspecial n Fran

a.

Sec. 15 Sec. 16

n cea de-a doua jumtate a secolului al 15-lea, meteugariisticlari din Murano au nceput s utilizeze nisipul de cuar i cenufabricat din plante marine n vederea fabricrii unor cristale pure.nspre sfritul secolului al 16-lea, aproximativ 3 000 din cei 7 000de locuitori ai insulei au fost implicai n diverse forme n industriafabricrii sticlei.

Insula Murano n varianta lui Jacopo de Barbari


18/151

18

Sticla de Murano a cunoscut de-a lungul secolelor momente de

glorie ct i de declin. Cu toate acestea, aceasta a fost ntotdeaunacaracterizat de obsesiva atitudine pentru calitatea acesteia. De

fapt, mndria a constat ntotdeauna n calitatea estetic ce acontrastat adesea cu sticlele similare propuse sau ncercrilefrustrante de imitare. n special, n epoca modern, muli dintreartiti simt nevoia s-i materializeze ideile n acest cadru magicfacilitat de prelucrabilitatea sticlei n cutarea semnificaiilor munciilor artistice ce se regsesc n profunzimile transparenei acestuimaterial.

Influena englez

Secolul17 Isaac Newton (1643-1727) a fost acela care a descoperit cauza

defectelor datorate culorilor i a fundamentat teoriaastigmatismului, fiindu-i s elimine imposibil efectele datorateacestor culori. La acea dat, din punct de vedere al disponibilitiide categorii/tipuri de sticl, se poate afrima faptul c eraudisponibile doar sticlele din clasa crown. nspre sfritul secolului al

17-lea, n Anglia, au fost descoperite i au nceput s fie fabricatesticlele de tip flint. n anul 1729, Haua fost primul care a utilizat, ncombinaie, sticla crown i flint pentru a produce lentile lipsite deaberaie cromatic, adic obiectivele de telescoape cu proprietiacromate. Ulterior, au devenit cunoscute configuraiile de acromateconcepute i propuse de ctre opticianul londonez Dollond(1706-1765).

Apariia cristalului cu plumb a fost atribuit fabricantului englez desticl George Ravenscroft (1618-1681) care i-a patentat nouasticl n 1674. nfiinarea, n 1660, a Societii Regale din Londra,care avea ca obiective promovarea tiinei, a jucat un rol importantn istoria sticlei. Unii membri ai Companiei Worshipful Companyof Glass Sellersdin Londra, nregistrat n 1664, erau membrii aiSocietii Regale, i l-au delegat pe George Ravenscroftpentru agsi un nlocuitor a cristalului veneian fabricat n Murano, care

avea n compoziie nisip pur de cuar i cenu. n urma nlocuirii,n proporie substanial, a cenuei cu oxid de plumb acesta areuit s produc o sticl strlucitoare, avnd un indice de refracie


19/151

19

mare, care se preta foarte bine operaiilor de inscripionare incrustrare.

Influena francezn anul 1688, n Frana, a fost dezvoltat un nou proces destinatfabricrii plcilor din sticl avnd ca destinaie principal uzulpentru confecionarea oglinzilor a cror caliti optice erau departede a satisface cerinele pn la acea perioad. Procesul dezvoltata constat n turnarea topiturii de sticl ntr-un recipient specialurmat de o netezire a acesteia. n urma rcirii, placa din sticl eralefuit pe o mas rotund de mari dimensiuni cu ajutorul unor

discuri rotative din fier forjat i nisipuri fine abrazive, urmat de opolisare utiliznd discuri de psl. Rezultatul acestui proces deturnare plac l-a constituit o sticl plat avnd caliti optice detransmisie foarte bune. Acoperirea uneia dintre faete cu un metalavnd proprieti reflective i punct de topire sczut a facilitatobinerea unor oglinzi de calitate superioar.

Frana a efectuat numeroi pai n ceea ce privete promovarea

propriei sale industrii a sticlei i atragerea de experi n sticl dinVeneia. n ceea ce privete cel din urm aspect, se poatemeniona dificultile nregistrate n ceea ce privete transferul decunotine i tehnic a veneienilor n circumstanele istorice alenumeroase aciuni de descurajare a unor astfel de transmutaii (aexistat la un moment dat o lege prin care meteugarii de sticlveneian erau condamnai la moarte n cazul n care fceaucunoscute secretele meseriei acestora sau se puneau n slujbaaltora, din exterior). Legisla

ia francez

a impus numeroase

restricii n ceea ce privea importurile de sticl dar a oferitmeteugarilor veneieni anumite favoruri, dintre care se potmeniona: posibilitatea obinerii ceteniei franceze dup 8 ani iscutirea total de impozite n cazul mutrii.

Revoluia industrial de la meteug la industrieSecolul19

Stadiile de sfrit ale revoluiei industriale au fost caracterizate deimplementarea tehnologiilor mecanice destinate produciei de masi cercetri tiinifice aprofundate n ceea ce privete conexiunile


20/151

20

dintre compoziia sticlei i proprietile fizice ale acesteia. n jurulanului 1800 s-a nregistrat un pas important n ceea ce privetedezvoltarea sticlelor optice, atunci cnd fabricantul de ceasurielveiene Guinandi Fraunhofer au reuit s confecioneze cele

mai mari plci din sticl omogen n baza unui proces tehnologicspecial. Topitura lui Fraunhofer, care a stat la baza sticlei finale,coninea 7 tipuri de oxizi ai metalelor: SiO2, K2O, CaO, Al2O3, PbOi Fe2O3.ntre anii 1834 i 1871, britanicul Harcourt i cunoscutul fizicianStokesau introdus 20 de elemente noi n vederea obinerii de noiproprieti optice: Li, Be, Mg, Sr, Ba, Zn, Cd, As, Sb, Tl, W, Mo, V,Ti, B, F, etc. Aceast etap a reprezentat att fundamentarea din

punct de vedere chimic a sticlelor optice dar i apariia unei noispecializri chimia sticlei.n ceea ce privete sticlele fabricate de cei doi, acestea prezentaunumeroase striaii ceea ce a fcut imposibil efectuarea unormsurtori precise ale proprietilor optice ct i evaluareasistematic a relaiei dintre compoziia chimic i proprietileoptice specifice. n detrimentul eforturilor depuse, care au vizatutilizarea unor metode mbuntite de topire i omogenizare a

compuilor chimici, att cei doi cercettori ct i predecesoriiacestora au euat n ceea ce privete obinerea unei omogenizribune/superioare a topiturii care va forma sticla.

Otto Schott (1851-1935) i-a susinut doctoratul la Universitateadin Jena cu teza ntitulat Contribuii la teoria i practica fabricriisticlei. Profesorul Ernst Abbea fost acela care l-a determinat, n1881, s se mute de la Witten-Ruhr la Jena unde s-i continuefructuoasa colaborare att cu el, ct i cu Carl Zeiss, pe baze noi.Abbe a recunoscut faptul c

doar conceperea de noi sticle va

putea contribui la mbuntirea coreciei defectelor imaginiloroptice, cum ar fi: cromatismul (spectrul secundar), aberaia sferic,astigmatismul sau distorsia imaginilor.

Este adevrat faptul c odat cu descoperirea sticlelor de tip flint,cu dispersie mare, a devenit posibil, n principiu, compensareaaberaiilor cromatice ale lentilelor confecionate din sticl crown princombinaii cu lentile din prima categorie. Cu toate acestea, nu afost posibil obinerea unor imagini corectate n totalitate fade oastfel de aberaie datorit apariiei acelui de-al doilea spectru.


21/151

21

Primul rezultat notabil al colaborrii Abbe-Schott a constat napariia sticlelor de borosilicat. Introducerea acidului boric ncompoziia clasic a sticlelor flint a permis o contracie acomponentei extinse, de la albastru la violet, n spectrul sticlei flint,

ceea ce aproximeaz dispersia relativ a sticlelor crown. Diferiteletipuri de topituri utilizate n cadrul experimentelor de ctre Abbe, n1881, l-au determinat pe acesta s considere soluionatproblematica acromatizrii perfecte a obiectivelor de telescop.Schott a a avut capacitatea de a transfera n practic, rapid i pescar larg, rezultatele experimentale obinute n laborator ct i ssoluioneze parial problema omogenitii, ceea ce au constituitpai importani pentru acea perioad. Anul 1884s-a impus ca fiind

anul apariiei primei sticle optice, att din punct de vedere acompoziiei, proprietilor dar i a tehnologiei de fabricare.Dac nainte de 1880 s-a acreditat ideea c toate sticlele opticeprezint aceeai dispersie (afirmaia lui Newton) sau faptul cdispersia variaz uniform cu refracia, cea din urm opinie a fostinformat de noile tipuri de sticle optice concepute de ctre Schott.

Aceste sticle noi prezentau valori ale dispersiei sau dispersiei

pariale care au permis corectarea aproape n totalitate a defectelorde imagine cunoscute ca efecte ale aberaiei cromatice.Inventarea sticlelor de borosilicat trebuie considerat ca fiind ceamai mare realizare a lui Schottdat fiind faptul c acestea nu numaic au revoluionat domeniul opticii dar au contribuit i la lansareaindustriei chimice i cea a bunurilor de consum.

SfritulSec. al19- lea

O alt contribuie important n evoluia spre producia de mas asticlei a avut-o Friedrich Siemens care a inventat cuptorul cuincint. Aceast invenie a contribuit la nlocuirea rapid a vechiuluicuptor oal de turnare i a facilitat producerea unor cantitimari de topitur de sticl.

Automatizarea proceselor de fabricaienspre sfritul secolului al 19-lea, inginerul american MichaelOwens(1859-1923) a inventat o main automat de suflat sticle,care a fost cunoscut europenilor doar nspre nceputurile secolului


22/151

22

20. Owens a fost susinut financiar n dezvoltarea cercetriloracestuia de ctre E.D.L Libbey, proprietar a Libbey Glass Co.DinToledo, Ohio. nspre anul 1920, n Statele Unite ale Americii segseau rspndite n jur de 200 de maini cu funcionare automat

de tip Owens Libbey Suction Blow, n timp ce n Europa eraufamiliare i utilizate mainile de dimensiuni mai mici, ns eficiente,de la companii ca: ONeill, Milleri Lynch.

Dezvoltarea tehnologiei moderne i mbuntirea compoziieisticlei

1905 -1914

n ceea ce privete producia sticlei plate, prima invenie real aaprut n 1905 cnd belgianul Fourcault a reuit s obin plci

continui din sticl, prin tragere pe vertical, avnd o anumitgrosime. Pn nspre anul 1914 s-a continuat utilizarea acestuiprocedeu propus de ctre Fourcault.nspre sfritul primului rzboi mondial, un alt inginer belgian, EmilBicheroux, a dezvoltat un alt procedeu care presupunea turnareadirect a topiturii de sticl printre doi tamburi. Ca i n cazulmetodei Fourcault, acest procedeu a facilitat obinerea unei sticlecu o grosime din ce n ce mai constant i a fcut ca procesele de

lefuire i polisare s devin mult mai economice i facile.

O contribuie importantn producia sticlei plate a avut-o procesulde ranforsare a sticlei n baza metodei laminrii (nserarea unuistrat dintr-un material celuloid ntre dou plci din sticl) care a fostinventat i dezvoltat de ctre omul de tiin francez EdouardBenedictus, care i-a nregistrat invenia sub denumirea deTriplex, n 1910.

1917 n America, Colburna dezvoltat o nou metod pentru obinereafoilor de sticl, prin tragere. Procedeul propus de ctre acesta afost ulterior mbuntit cu ajutorul financiar al firmei Libbey-Owensi a fost pentru prima dat utilizat n producia comercialn 1917.

1928 Procedeul Pittsburg, dezvoltat de ctre americanul PennvernoniPittsburg Plate Glass Co. a combinat i mbuntit principalelecaracteristici ale procedeelor Fourcault i Libbey-Owens, fiindutilizat ncepnd cu anul 1928.


23/151

23

1936 Dezvoltarea procedeelor tehnologice a fost ntotdeauna completati susinut de preocuprile i contribuiile n ceea ce privetembunirea proprietilor sticlelor prin propunerea de noi reete alecompoziiei acesteia. Astfel, n 1936, G. W. Moreya depus dosarul

pentru un brevet de invenie (U.S Patent 2 206 081) avnd cabeneficiar firma Eastman Kodak, att n Statele Unite ct i n alteri i care descria tipurile de sticle avnd compoziie chimic iproprieti optice care nu au mai fost menionate pn n acelmoment.

Spre deosebire de sticlele concepute de ctre Schott, acesta aconfecionat sticle coninnd borat pur, avnd un coninut relativsczut (O 10 %) de B2O3i pentru prima dat fiind introduse ca i

componente principale oxizii elementelor rare cum ar fi: La, Th, Zr,Nb, Ta, W i Mo. Aceast abordare a facilitat dezvoltarea unui noudomeniu, studiul sticlelor optice.Producerea pe scar larg a acestor tipuri de sticle a fost ntrziatdatorit vscozitii diminuate i tendinei mrite de cristalizare, cti aciunii corozive a topiturii asupra materialelor ceramice aleinstalaiei de formare. Odat cu utilizarea platinei ca materialanticoroziv pentru incint, a configuraiei cuptorului cu nclzire

electric ct i a noilor tehnologii de turnare i formare a topiturilors-a putut efectua trecerea la producia pe scar larg a acestortipuri noi de sticle.

Majoritatea sticlelor optice noi fabricate n Germania, Frana iJaponia se bazeaz mai mult sau mai puin pe compoziiile chimiceale sticlelor propuse de ctre Morey.

Prezent

i viitor

Scurta trecere n revist a celor mai importante repere istorice n apariia idezvoltarea sticlei e posibil s fi omis i alte influene, contribuii sau aspecte cuprivire la acest subiect. Autorii nu i-au propus descrierea unei istorii detaliate nacest sens i nu vor ncerca o concluzionare a acestei abordari.

Sticla, ca material de sine stttor, va exista mereu dei n prezent multe dintrenoile aplicaii i procese de fabricaie implic combinarea sticlei cu alte tipuri demateriale. De exemplu, fibrele optice sunt fabricate avnd unul sau mai multe

materiale ale nveliului acestora (cel mai adesea din materiale plastice). Odat cuconceperea de noi i sofisticate arhitecturi ale dispozitivelor opto-electronice s-aconstatat necesitatea dezvoltrii de noi materiale care s prezinte proprieti


24/151

24

mbuntite i care s satisfac necesitile aplicaiilor de tipul transmisiilor audio,video i informaiilor. Sticlele i materialele ceramice, fie individual, fie n combinaiecu alte materiale i vor gsi numeroase forme de aplicaie n domenii precummedicina i biologia. n prezent, sunt elaborate sticle de tip fotocrome, electro-cromei termocromecare sunt capabile a rspunde unor stimuli externi i care igsesc utilitatea n aplicaii din cele mai neobinuite.

Sticla optic a devenit preuit n arhitectura modern, sistemele de iluminare,configuraia instrumentelor de cercetare tiinific, instrumentelor optice, ustensilelede uz casnic, etc. Adevrata istorie a sticlei constn povestea unui material avndcosturi rezonabile, care a facilitat dezvoltarea tuturor acestor tipuri de aplicaii.Bilioane de oameni beneficiazn prezent de facilitile tehnologice care au permistransformarea sticlei ntr-un miracol la ndemna fiecruia. n ceea ce privete

viitorul acesteia lsm un spaiu liber ...Tabelul 1 Personaliti%i repere n evoluia istoric a opticii

Euclid (aprox. 300 .e.n) Katoptrika (prima referin tiinific),

consideraii generale cu privire la optic

Ibn al Haitham(963-1039)

R. Bacon(1214-1294) descoperirea camerei obscure

S. degli Armani 1299 descoperirea ochelarilor

Z. Janssen 1600 primul microscop

H. Lippershey(1587-1619) 1608 construirea primului telescop

G. Galilei(1564-1642) 1609 telescopul

J. Kepler(1571-1630) 1611 telescopul

W. Snell(1591-1626) 1621 formularea legii refraciei

R. Descartes(1596-1650) 1637 La dioptrique, teoria curcubeului, legea

refraciei

P. de Fermat(1609-1665) 1657 obinerea legii refraciei, principiul drumului

minim al razei de lumin

F. Grimaldi(1618-1663) 1665 Physicomathesis de lumiere, coloribus et

iride, descoperirea difraciei

E. Bartholius(1625-1698) 1670 descoperirea refraciei duble


25/151

25

C. Huyghens(1629-1695) 1678/90 Traite de la lumiere, explicarea refraciei

duble, descoperirea fenomenului de

polarizare

R. Hooke(1635-1703) 1665 Micrographia, teoria undelor, culorilepeliculelor subiri

I. Newton(1643-1727) 1668

1672

1675/76

1704

construcia telescopului cu oglind

New theory about light and colours

prelegeri cu privire la inelele lui Newton

Opticks a doua ediie (lat.), telescopul

cu oglind, teoria culorilor, teoria

componentelor luminii albe, culorilecurcubeului, inelele lui Newton, polarizarea,

difracia, teoria corpuscular

O. Romer(1644-1710) 1676 msurarea vitezei luminii

J. Bradley(1692-1762) 1725/28 explicarea aberaiilor fascicolelor de lumin

de la stele fixe

C. M. Hall(1704-1770) 1733 contrucia lentilelor acromate

J. Dolland(1706-1761) 1757 contrucia lentilelor acromate

F. W. Herschel(1738-1822) 1800 descoperirea radiaiei infraroii

J. W. Ritter(1776-1810) 1801 descoperirea radiaiei ultraviolete

W. H. Wollaston(1766-1828) 1801 descoperirea radiaiei ultraviolete

E. L. Malus(1775-1812) 1809 polarizarea prin reflexie

D. Brewster(1781-1858) 1815 unghiul lui Brewster

T. Young(1773-1829) 1801

1817

dezvoltarea interferometriei

interpretarea luminii ca und transversal

C. F. Gauss(1777-1855) optica geometric

J. Fraunhofer(1787-1826) 1814/15

1821/23

liniile Fraunhofer

dezvoltarea fundamentelor teoretice ale

difraciei

J. A. Fresnel(1788-1827) 1818

1819

contrucia zonelor Fresnel

ecuaiile lui Fresnel


26/151

26

1821/22 dezvoltarea teoriei difraciei, polarizrii,

fenomenelor de culoare, interferenei

W. R. Hamilton(1805-1865) optica geometric, refracia conic

G. R. Kirchhoff(1824-1889) 1859

1883

analiza spectral (mpreun cu R. W.

Bunsen)

teoria difraciei

R. W. Bunsen(1811-1899) 1859 analiza spectral

H. Fizeau(1819-1896) 1849 msurri terestre ale vitezei luminii

J. B. L. Foucault(1819-1896) 1850 msurarea vitezei luminii n diferite medii

H. von Helmholtz(1821-1894) teoria aberaiilor instrumentelor optice

E. Abbe(1840-1905) teoria rezoluiei sistemelor optice

J. C. Maxwell(1831-1879) 1862 ecuaiile lui Maxwell, fundamentele teoriei

electromagnetice ale luminii

L. G. Gouy(1854-1926) modificarea de faz la caustice

A. Sommerfeld(1868-1951) soluiile exacte ale problemelor de difracie

H. Hertz(1857-1894) 1888 detecia undelor electromagnetice

W. C. Rontgen(1845-1923) 1895 razele X

H. A. Lorentz(1853-1928) teoria electronic a proprietilor optice ale

materiei

M. Plank(1858-1947) 1900 cuantele de lumin

A. Einstein(1879-1955) 1905 teoria efectului fotonic, relativitatea special

A. A. Michelson(1852-1931) 1880 interferometrul Michelson

D. Gabor(1900-1979) 1948 holografia

T. H. Maiman(1927- ) 1960 laserul

C. H. Townes(1915- ) 1964 premiul Nobel pentru dezvoltarea laserilor


27/151

27

2. Natura sticlei optice2.1 Definirea i descrierea sticlei

Sticla nu poate fi descris cu uurin. Structura solid a acesteia nu se pliaz ca

aparinnd categoriilor lichid, solid sau gazos. De fapt, sticla tinde mai mult nspre onatur lichid dect solid aa cum pare ea s fie. Natura complex a acesteia l-aintrigat pe om nc din cele mai vechi timpuri.

Societatea American pentru Testare %i Materiale (en. ASTM American Societyfor Testing and Materials) definete sticlaca fiind un produs inorganic al fuziunii,care a fost rcit, fr a cristaliza, nspre starea de rigid. Astfel, sticla poate ficonsiderat ca fiind un material neobinuit care prezint o structur atomicspecific lichidelor care a fost ngheat ntr-o anumit manier astfel nct s

devin o substansolid i permanent.Sticla poate avea o natur transparent, translucid sau opac. Aceasta esteneporoas, neabsorbant i nereactant la aciunea elementelor chimice obinuitect i a multor lichide i substane chimice cu aciune distructiv. Aceasta prezint,de asemenea, o rezistende excepie fade abraziune i zgrierea suprafeei,fiind unul dintre materialele cele mai bune izolatoare electric dei poate fi modificatpentru a facilita conducia electricitii. Sticla prezint o conductivitate diminuat acldurii comparativ cu marea majoritate a metalelor, unele tipuri avnd coeficien i

de dilatare de valori foarte mici, nule sau chiar negative.Datorit faptului c aceasta conine proporii mari de SiO2 (silica) i c aceasta seobine n urma aciunii cldurii asupra acestui compus, sticla este catalogat, ngeneral, ca fiind un material ceramic. Cu toate acestea, sticla constituie ea nsi oclas separat de materiale. Marea majoritate a materialelor ceramice sunt formatela rece i apoi nclzite pentru a obine materialul final spre deosebire de sticl,care este format la temperaturi extrem de nalte i apoi supus unui proces dercire. Datorit faptului cn urma aplicrii, ntr-o anumit msur, a cldurii, astfel

nct aceasta s devin semi-plastic, plastic sau chiar s se topeasc, sticla estecatalogat ca fiind un material termoplastic, care se nmoaie n urma nclzirii i sentrete n urma rcirii.

Cuvintele solid necristalin i tranziia n stare de sticl sugereaz faptul c osticl nu poate fi clasificat nici n categoria materialelor cristaline, cum ar fi cuarul,safirul, etc., nici n categoria lichidelor. Configuraia atomic a unei sticle difer decea a materialelor cristaline fiindu-i specific o neregularitate extins, aa cum s-areprezentat n figura 1 (a) i care se aseamn mult cu dispunerea atomilor unui

lichid. n structura sticlei nu exist o reea cristalin i nici noduri ale reelei i prinurmare, n locul unor vrfuri de difracie n reeaua de difracie obinut cu raze X seva vizualiza o aureol.


28/151

28

n figura 1(b) s-a reprezentat configuraia atomic corespunztoare substanelorcare formeaz solidele necristaline, cum ar fi sticlele cu oxizi, cu halogenuri saucalcogenide. Reeaua aleatorie 3D a legturilor puternice se obine cu ajutorul unuiconstituent care poart denumirea de formator de reea. Unele componente din

structura sticlei sunt cunoscute sub denumirea de modificatori de reea, acetiaputnd participa la obinerea sticlei, acionnd n vederea modificrii proprietiloracesteia. Aceste componente nu formeaz reele dar ocup locaii stabiletermodinamic sau acioneaz ca nlocuitori pentru o anumit parte din formatorii dereea.

2.2 Materiale i semifabricate optice

n principiu, sticlele pot fi obinute n urma combinrii a mai multor compui chimicin condiiile n care vor conine o cantitate suficient de compus din categoriaformatorilor de reea. Absena unei regulariti n structura atomic, adic structuraaleatorie, este esenial n vederea nelegerii caracteristicilor fizice i chimicespecifice acelor sticle care prezint proprieti speciale i care vor fi menionate naceast carte.

Proprietile macroscopice ale unei sticle, cum ar fi transmisibilitatea optic iabsorbia, refracia luminii, dilatarea termic, etc., sunt aceleai n toate direciile ncondiiile absenei tensiunilor i deformaiilor n sticl. Prin urmare, sticla este unmaterial izotrop spre deosebire de materialele cristaline care sunt, n general,anizotrope.

Teoretic, datorit naturii conexiunilor sale atomice, sticla ar trebui s fie de 5 ori mai

tare dect oelul, n realitate aceasta fiind casant. Unul dintre principalele motivepentru aceast rezistenmic l constituie tensiunile de suprafai cele interne.n cazul n care sticla este rcit cu rapiditate, tensiunile mari sunt ngheate n

(a) (b)

Fig.1. Reprezentarea schematizat 2D a distribuieiatomice ntr-un: (a) cristal, (b) sticl optic


29/151

29

interiorul acesteia i poate conduce la sfrmarea ei. Aceast sfrmare poateavea loc spontan sau n urma apariiei unei mici zgrieturi la suprafaa bucii desticl.

Modul de variaie a tensiunilor suntilustrate n figura 2, reprezentare dinsecolul al 17-lea cunoscut sub denumireadepictura prinului Rupert. Aceast figurse dorete a fi reprezentarea unui obiectdin sticl obinut n urma picurrii unei micicantiti de topitur de sticl, fierbinte, ntr-un recipient cu ap rece i lsat s serceasc. Acest fapt conduce la apariia unei stri accentuate de tensiune dintre

stratul exterior, rcit de ap i regiunea intern, nc cald. Datorit strii detensiune accentuate, extremitatea sub forma unui bulb poate suporta o lovitur cuciocanul, ns n cazul n care se zgrie sau sparge suprafaa sticlei din zonasubiat, fragil, sticla elibereaz tensiunile interne cu o asemenea for nctntreaga pies se sfrm sub form de pulbere fin.

Aceast demonstraie interesant cu privire la tensiunile din sticl a fost efectuatn Anglia, n anul 1640, de ctre prinul Rupert de Bavaria (1619-1682), nepotulregelui James I al Angliei. Acesta a fcut cunoscute aceste manifestri regelui,

fiind apoi utilizate pentru a face o serie de glume proaste curtenilor sau altor invita ila curte datorit acestei proprieti de transformare n particule mici n urma ruperiiextremitii subiri.

Pentru evitarea apariiei acestor tensiuni interne bucile de sticl trebuiau supuseunui proces de clire. Aceasta presupunea nclzirea obiectelor din sticl pn cese obinea o relaxare a tensiunilor interne, cu condiia controlului temperaturii astfelnct sticla s nu cedeze. La acea valoare a temperaturii n care aprea relaxarea,ntreg obiectul se gsea la aceeai temperatur uniform, nenregistrndu-se nici o

diferende temperatur intern. Sticla se meninea un anumit interval de timp laacea temperatur dup care ncepea procesul ncet de rcire pn la temperaturacamerei.

2.3 Clasificarea sticlelor optice

Literatura de specialitate evideniaz existena a mai mult de 200 de tipuri de sticleoptice pe care productorii le pot pune la dispoziie imediat sau la cereaspecialitilor i utilizatorilor. nc de la nceputul clasificrii acestora s-au difereniatdou grupe principale: sticlele crowni sticlele flint. Dei denumirile nu mai au nicio legtur cu situaia actual, ele fiind preluri din practica productorilor englezi desticle, acestea au fost totui pstrate. n vederea diferenierii acestora s-au utilizat

Fig.2. Pictura prinului Rupert


30/151

30

simbolurile K, respectiv F iar n cadrul fiecreia dintre grupele majore s-auevideniat 5 categorii: sticle foarte u%oare, u%oare, normale, grelei foarte grele.

Simbolurile acestor categorii difer de la productor la productor, ele reprezentndns iniialele atribuite de acetia nsoite de simbolul grupei. n tabelul 1 s-auindicat principalele tipuri de sticle, denumirea i principalii constitueni chimici aiacestora, ca n Anexa 1s fie furnizate codurile sticlelor optice echivalente, codurispecifice diferiilor productori majoritari de sticl (ex. Hoya, Corning, Schott, etc.).n tabelul 2 au fost furnizate exemple de semifabricate i produse din sticl,caracteristicile specifice i metodele de fabricare ale acestora.

Tabelul 1 [25] Coduri, tipul %i compoziia chimicprincipal ale unor sticle optice

Codul Ti ul sticlei Com ozi ia chimic

FA Fluoroaluminat AlF3-RF-MF2-(Y,La)F3FP(FK) Fluorofosfat P2O5-A1F3-RF-MF2FZ Fluorozirconat ZrF4-RF-MF2-(Al,La)F3

FK(FC) Fluorocrown SiO2-B2O3-K2O-KF

BK(BSC) Crown borosilicat SiO2-B2O3-R2O-BaO

PK(PC) Crown fosfat P2O5-B2O3-R2O-BaO

PSK(DPC, PCD) Crown fosfat dens P2O5-(B,A1)2O3-R2O-MO

K(C) Crown SiO2-R2O-(Ca,Ba)O

ZK(ZC, ZnC) Crown zinc SiO2(B2O3)-ZnO

BaK(BaC, LBC) Crown barium SiO2(B2O3)-BaO-R2OSK(DBC, BCD) Crown barium SiO2-B2O3-BaO

SSK(EDBC, BCDD) Crown Ba dens SiO2-B2O3-BaO

LaK(LaC, LaCL) Crown lantan B2O3(SiO2)-La2O3-ZnO-MO

LaSK Crown lantan dens B2O3(SiO2)-La2O3-ZnO-MO

LgSK Crown special B2O3-A12O3-MF2TiK Crown titan

TiF Flint titan } SiO2(B2O3)-TiO2-Al2O3-KF

TiSF(FF) Flint titan dens

KzF(CHD, SbF) Flint scurt SiO2-B2O3-R2O-Sb2O3KzFS(ADF) Flint scurt dens B203(Al2O3)-PbO-M0

KF(CF, CHD) Crown flint

LLF(BLF, FEL) Flint extra uor

LF(FL) Flint uor } SiO2-R2O-PbO-MO

F(DF, FD) Flint

SF(EDF, FDS) Flint dens

SFS Flint dens special } SiO2-R2O-MO-TiO2BaLF(LBC, BCL) Flint bariu uor

BaF(BF, FB) Flint bariu } SiO2-B2O3-BaO-PbO-R2O

BaSF(DBF, FBD) Flint bariu dens


31/151

31

TaK Crown tantalTaF Flint tantal B2O3-La2O3-(Gd,Y)2O3-(Ta,Nb)2O5

TaSF Flint tantal dens B2O3-La2O3-(Gd,Y)2O3-(Ta,Nb)2O5NbF Flint neobiu B2O3-La2O3-ZnO-Nb2O5

NbSF Flint neobiu dens B2O3(SiO2)-La2O3-ZnO-(Ti,Zr)O2

Tabelul 2 Semifabricate din sticl optic caracteristici, metode de producere

Produsul Caracteristici specifice Metoda de fabricare

Containere din sticl costuri relativ mici n cazul produciei n

mas

rezistenla ocuri mecanice

capacitate mare de mbuteliere (> 1000

sticle/minut)

pot fi reutilizate i reciclate

pot fi sterilizate la temperature mari

imune la aciunea substanelor toxice

Suflare automat la

viteze mari

Panouri din sticl relative ieftine

pot fi supuse unui process de ntrire

rezisten la aciunea factorilorclimaterici

pot fi supuse unor operaii de acoperire

Turnare %i rulare

Recipieni din sticl

pentru uz casnic

aspect plcut

capacitate de rezisten la uz

ndelungat

nu influeneaz coninutul acestora

Suflare manual,

presare sau producie

n mas complet

automatizat

Ecrane de protecie la

radiaii

densitate mare pentru a facilita

absorbia radiaiei

Extrudare sau turnare.

Pot fi polisate %i

rectificate pentru

obinerea unei

anumite precizii optice

Tuburi pentru

termometre

stabilitate termic ntr-un interval mare

de temperaturi cu pstrarea

transparenei

Tragere automat sau

manual

Recipiente pentru uz

de laborator

durabilitate chimic mare

dilatare termic mic

Suflare automat sau

manual, sinterizare


32/151

32

Ecrane de vizitare

cuptoare i mese din

sticl

rezistenla oc termic

atractivitate

uurinn ntreinere

posibilitate de utilizare n cazulcuptoarelor cu microunde

Presare sau suflare

automat

Sticla optic gam larg de valori ale indicilor de

refracie

gama larg a coeficienilor de dispersie

omogenitate perfect

complet transparent

Extrudare %i presare

urmate de polisare %i

rectificare

Componente electrice

(ex. tuburi catodice,

rezistori, componente

de calculator, etc.)

proprieti dielectrice bune

pierderi electrice mici ntr-un interval

extins de temperature

n funcionare, suport valori mari ale

temperaturilor

Suflare. Tragere sub

form de tuburi %i

plci. Sinterizare %i

presare.

Sticlele care au n compoziia acestora preponderent silice i oxizi de bariu sunt ngeneral dure i stabile chimic, avnd indici de refracie mai mici i sunt

caracterizate printr-o dispersie mare. Sticlele crown (K) care au n compoziiaacestora BaO i PbO n proporie de 3 % vor avea indicii de refracie cuprini ntre1.5 la 1.55 i dispersia ntre 50 la 70.

Sticlele flint (F) sunt caracterizate printr-un coninut mult mai bogat de oxizi deplumb. Acestea sunt n general sticle moi, instabile i au o nuanglbuie. Indicii derefracie a acestor tipuri de sticle sunt mult mai mari dar prezint dispesie mic. Deexemplu, sticlele flint uoare (FL) conin ntre 15 i 40 % PbO, indicele de refraciefiind cuprins ntre 1.54 la 1.58 i dispersia ntre 40 la 47.5. sticlele flint normale (F)conin ntre 40 i 50 % PbO, cu indicele de refracie cuprins ntre 1.58 la 1.65 i

dispersia 40 i 35. Sticlele flint grele (SF) care conin mai mult de 50 % PbO auindicele de refracie mai mare de 1.65 i dispersia mai mic de 34.

Se impune observaia c sticlele din aceaai categorie provenind de la diveriproductori nu sunt echivalente din punct de vedere al caracteristicilor lor optice,dei se poate stabili o concordanntre acestea.

ntre aceste dou grupe principale, K i F, mai exist o serie de sticle intermediare,denumite crown-flinti simbolizate KF, care conin ntre 3 i 15 % PbO i prezintindici de refracie cuprini ntre 1.5 1.55 i dispersii ntre 47 58. din aceast

categorie fac parte sticlele cu bariui sticlele cu bor, (BaK i BaF; respectiv BK iBF)


33/151

33

n vederea prezentrii sortimentului de fabricaie i pentru a facilita alegerea cuuurina sticlelor din catalog, dup caracteristicile optice ale acestora, productoriide sticle optic prezint n cataloage o serie de diagrame ale indicilor de refracie(pentru lungimea de und de referind) vs. dispersie (coeficientul lui Abbe, ) n

care se menioneaz principalele subcategorii. n figura 3 s-a reprezentat o astfelde diagram dup Schott.

2.4 Alte tipuri de sticle pentru componentele optice

n practic se ntlnesc deseori situaii n care specificaiile tehnice impuse

componentelor optice nu necesit ntrebuinarea sticlei optice care s prezinteindici superiori de calitate dar se ntlnesc i situaii n care condiiile specialeimpuse anumitor instrumente i dispozitive opto-mecanice impun utilizareaanumitor tipuri de sticle cu proprieti speciale.

Sticla tehnic

Acest tip de sticl reprezint sticla industrial obinut n condiii de elaborarerestrictive, avnd n compoziie silice, dioxizi de calciu i natriu sau potasiu.Materiile prime care intrn compoziia acestei sticle nu sunt totui bine purificate,

ceea ce va da o tent verzuie acestei sticle. Comparativ cu sticla optic, aceaststicl prezint un coeficient de absorbie mult mai mare. De asemenea, acesta vaprezenta aceleai defecte de material ca i sticlele industriale, dat fiind faptul c

Fig.3 [25] Diagrama categoriilor de sticle optice(Schott)


34/151

34

sunt utilizate aceleai instalaii de formare, i anume: incluziuni, bule, striuri itensiuni interne, etc.

Sticla tehnic se utilizeaz n vederea confecionrii de piese optice pentrucomponente de mic importan (ex. vizorii de u) sau componente aparinndunor sisteme optice secundare sau de iluminat, cum ar fi: lentile condensor, oglinzi,lame, etc.

Sticla termostabil

Acest tip de sticl aparine categoriei sticlelor special elaborate i care prezintcoeficieni de dilatare cu 78 ori mai mici comparativ cu sticlele obinuite. Curent,n practic, aceste tipuri de sticle sunt utilizate pentru confecionarea calibreloroptice, oglinzilor pentru aparate de precizie, etc. n general, aceste tipuri de sticle

sunt materiale dure, prezint stabilitate chimic i sunt realizate n condiii specialeceea ce ns nu le face imune fade defecte precum bulele i striurile. Denumirilecomerciale cele mai uzuale sub care se cunosc aceste tipuri de sticle sunt Pyrex,

Duran, etc.

Sticla termorezistent

Constituie o categorie de sticle elaborate special pentru a suporta variaii detemperatur sau ocuri termice innd cont de faptul c anumite componente opticesunt supuse n practica utilizrii la variaii de temperatur (ex. oglinzile aparatelor

de proiecie). n aceste context se impune menionarea faptului c sticlele obinuitesunt sensibile fade variaiile de temperatur, ceea ce face ca nclzirea acestorala temperaturi relativ mici (100 120 0C) s fie urmat de o rcire lent i absenaunor cureni de aer reci care pot conduce la tensionri nedorite.

Sticla colorat

Cunoscute i sub denumirea de sticle filtru, aceste tipuri de sticle se obin principialca i sticlele incolore cu excepia faptului c n compoziia acestora de introducanumite substane colorate, cel mai adesea din categoria oxizilor metalici (vezi

tabelul 3). n funcie de compoziia acestora, sticlele colorate prezint diferene nceea ce privete transmisia luminii. Acestora le este specific aa numitcaracteristic a filtrului, curba ( )fT = , care indic n ce domeniu a lungimilor deund acestea transmit sau absorb radiaiile luminoase. Ca exemple de utilizare, sepot meniona cazurile n care sunt utilizate pentru protecia ochilor fade anumiteradiaii nocive, diminuarea sensibilitii ochiului fade anumite radiaii sau n cazuln care se urmrete studiul anumitor fenomene fizice ntr-un interval spectral dat.

n cazul urmririi unor efecte speciale, se pot utiliza combinaii de filtre n vederea

obinerii unei suprapuneri a caracteristicilor filtrelor componente.


35/151

35

Tabel 3 [4] Substane utilizate pentru colorarea sticlei

Colorantul Simbolul chimic Efectul colorant

Oxidul de mangan

Permanganat de potasiu

Oxidul de nichel

Oxidul de cobalt

Sulfatul de cupru

Oxidul de cupru

Oxidul de crom

Oxidul de fier

Sulfura de fierCromatul de potasiu

Oxidul de ceriu

Sulfura de cadmiu

Clorur de aur

Oxid de cupru

MnO2

KMnO4

NiO

CoO

CuSO4

CuO

Cr2O3

Fe2O3

FeSK2CrO4

Ce2O3

CdS

AuCl3

Cu2O

Violet

Violet

Cafeniu pn la violet

Albastru

Albastru

Albastru-verzui

Verde

Galben verzui

Galben cafeniuGalben cafeniu

Galben

Galben

Roz pn la rou

Rou

Sticla difuzant

n general, acest tip de sticl se utilizeaz n cadrul dispozitivelor de iluminat nvederea obinerii unei iluminri uniforme a cmpului de viziune. Specific acestortipuri de sticle sunt cele dou categorii care contribuie la difuzia luminii, i anume:sticla mati sticla opal.

Sticla mat se obine din sticl transparentn urma aplicrii proceselor de mtuiremecanic sau chimic. Procesul de mtuire mecanic se realizeaz prin sablaresau prin lefuire cu substane abrazive pe ambele fee iar cel de mtuire chimicprin atacul suprafeelor cu acid fluorhidric avnd o concentraie diminuat.

Sticla opal difuzeaz lumina prin modificarea ntregii mase a sticlei. n timpul topiriin compozia chimic primar se adaug anumite substane (ex. fluorur dealuminiu, fluorur de sodiu, etc.) care determin opalescena masei din sticl, prinsepararea unui numr mare de particule incolore uniform distribuite n mas.Separaiile sunt de obicei sub forma unor cristale, fascicolele de lumin difuzndu-se prin reflexie i refracie.

Sticla de cuar

Aceast sticl se obine prin topirea silicei iinnd cont de faptul c se realizeaz

la valori foarte ridicate (1 700 0C) procedeul tehnologic este relativ dificil. Aceaststicl este dur, prezint un coeficient de dilatare mic i stabilitate chimic mare, nspecial fade aciunea apei i a substanelor acide.


36/151

36

Sticla de cuar prezint o transparena ridicat fade radiaiile din domeniul UV,ceea ce face ca aceasta s fie utilizat la confecionarea componentelor opticepentru aparatele care funcioneazn domeniul UVsau la temperaturi ridicate, cumar fi de exemplu dispozitivele de fluorescenale microscoapelor, lentile care vor fi

localizate n apropierea unor surse de lumin puternice sau lentile destinate uzuluin configuraia pirometrelor.

3. Compoziia chimic a sticleiSticla natural i are originile n milenii ndeprtate fiind obinut sub forma uneisubstane semi-opace, puternic anticoroziv, topit de erupiile vulcanice iparcurgnd secole de eroziune. Compoziia chimic a acesteia coninea trei

elemente: nisip, sare i clei. Aceleai elemente, sub forme diferite, se regsesc ncompoziia de baz a produselor fabricate din sticl de diferite forme i aplicaii. nproducia modern a sticlei sunt utilizate aproximativ 50 de alte elemente chimice,n diferite proporii, n vederea modificrii culorii, vscozitii sau durabilitii sau nvederea obinerii unor proprieti fizice mbuntite. Cu toate acestea,ingredientele originale constituie elementele de bazn formula sticlelor.

n general, sticla are o structur de legturi deschise de atomi de siliciu, loculspaiilor dintre acetia fiind ocupat de atomi ai diferiilor oxizi. Aceast structur

contribuie la transparena sticlei. Dioxidul de siliciu sau nisipul constituie cel maiimportant ingredient n fabricarea sticlei dat fiind faptul c acesta constituie sursa ifurnizeaz structura pentru transparena sticlei.

n prezent, un amestec utilizat n vederea fabricrii plcilor de sticl conine, nmedie, aproximativ 70 % nisip cuaros, 13 % clei, 12 % natriu i mici cantiti dealte materiale. Dioxidul de siliciu (SiO2) care este nserat n compoziia sticlei prinaciunea cldurii este dificil de topit ceea ce necesit utilizarea unor temperaturiextrem de mari. Oamenii de tiin din vechime au fost aceia care au descoperit

faptul c unele materiale, precum soda topit, n contact direct cu nisipul, permitetopirea dioxidului de siliciu la temperaturi mult mai mici. Astfel de materiale suntcunoscute sub denumirea de topituri, sarea fiind probabil prima din aceastcategorie.

Primele tipuri de sruri utilizate n fabricarea sticlei au fost carbonatul de sodiu ihidroxidul de sodiu (soda caustic). n cazul dizolvrii unui amestec din nisip isodntr-o topitur de natriu conduce la obinerea silicatului de sodiu. n funcie decantitile de nisip i soda, acest silicat de sodiu devine mai mult sau mai puin

solubil n ap, fiind cunoscut sub denumirea de ap de sticl. Pentru a remediasolubilitatea sticlei este necesar a se introduce un alt element oxidul de calciu.


37/151

37

Oxidul de calciu se introduce n amestecul pentru compoziia chimic sub form debuci. Introducerea ntr-o proporie corect conduce la obinerea unei compoziiichimice care este virtual insensibil la aciunea umiditii i acizilor. Oxidul de calciuface ca sticla s devin mai vrcoas la temperaturi de lucru, diminueaz timpii de

fabricare i mbuntete proprietile de clire.Datorit temperaturii reduse de topire, compoziia soda-lime-silicat constituie frndoial compoziia chimic utilizat n vechime pentru obinerea obiectelor dinsticl vase, pietre semipreioase, platouri i ferestre, etc.

Adugarea altor tipuri de compui chimici n aceast structur de baz pentruobinerea unor proprieti deosebite sau pentru a nlocui unul dintre compuii debaz are ca scop fabricarea unei diversiti de sticle comerciale. De exemplu,oxidul de calciu poate fi nlocuit cu oxidul de plumb, acesta din urm fiind introduspentru a mri strlucirea, densitatea i indicele de refracie a sticlei. Sticlele deacest tip au fost utilizate n vederea fabricrii de sticle optice i oftalmice, dar i acelor mai fine obiecte de art. Borul, ca substitut parial sau total a dioxidului desiliciu contribuie la creterea indicelui de refracie, accentueaz culoarea dat dediferitele materiale de colorare a sticlei i diminueaz valoarea coeficientului dedilatare termic. Sticlele de borosilicat sunt utilizate pentru confecionareaproduselor din sticl rezistente la temperaturi nalte.

O alt caracteristic important atribuit unicitii structurii sticlei o constituieflexibilitatea compoziiei chimice. Spre deosebire de materialele cristaline, n cazulsticlei nu se impune condiia corespondenei stoichiometrice ntre constitueni ncircumstanele unei neutraliti electrice n ntreaga structur a sticlei. Suplimentar,multe dintre proprietile acestor sticle multi-componente, cum ar fi volumul molar,coeficientul de dilatare termic, indicele de refracie, etc. pot fi descrise aproximativutiliznd legea de nsumare a constituenilor. Aceste proprieti reflect naturaintrinsec a constituenilor respectivi n proporie cu coninutul acestora.

Fie P proprietatea care prezint interes i ci ( ni ,1= ) constituenii compoziiei sticlei.Dac pi ( ni ,1= ) sunt factorii care reprezint influena acestor constitueni, atuncilegea de dependense poate scrie aproximativ ca fiind:

nn

n

iii cpcpcpcpP +++= =

=

...22111

(1)

Datorit absenei cerinei cu privire la raportul stoichiometric dintre constitueni va fiuor de efectuat doparea elementelor active, cum sunt elementele din categoriacelor rare sau metalele de tranziie, componente semiconductoare, etc., ceea cepermite obinerea de sticle cu proprieti unice inerente elementelor de dopare,

cum ar fi culori speciale, emisie a fascicolelor de lumin fluorescente,susceptibilitate neliniar mare, etc.


38/151

38

O alt caracteristic derivat din flexibilitatea compoziiei sticlei o constituiecapacitatea de modificare a proprietilor unei sticle prin schim de ioni. n structuraunei sticle se gsesc numeroase locaii stabile pentru ionii modificatori de reea,cum ar fi de exemplu ionii alcalini care pot fi activai termic cu uurini care se

pot deplasa dintr-o locaie stabiln alta, n structura sticlei. O astfel de deplasare aionilor alcalini, n cadrul structurii sticlei, permite nlocuirea ionilor alcalini dinapropierea suprafeei sticlei cu ali ioni avnd aceeai valen(ex. Na+ cu K+, Na+

cu Ag+, K+ cu Tl+, etc.). Aceast nlocuire a ionilor alcalini din structura iniial asticlei cu ali ioni modific parial compoziia sticlei i prin urmare i proprietileacesteia. Aceast tehnic prezint importan deosebit n special n ceea ceprivete modificarea proprietilor mecanice i optice ale sticlelor.

Aceast seciune care abordeaz compoziia chimic a sticlei nu poate fi

complet fr a meniona unele dintre reetele utilizate pentru obinerea sticlelor.Aceste reete sunt vechi, precum este veche i metoda de obinere a acestuimaterial i credem c nu exagerm dac am afirma n cadrul acestui contextposibilitatea ca acestea s fi aprut i ca urmare a preocuprilor alchimitilor ncautrile acestora duppiatra filosofal.

Tabelul 4 Reete ale compoziiei chimice a sticlelor

Sticla alb pentru recipieni

Nisip (alb)

Clei

Carbonat de sodiu

Nitrat de sodiu (acioneaz cadecolorant)

Pri

64

6

23

5

Sticla verde pentru recipieni

Clei

Nisip

Carbonat de sodiu

Pri

11

63

26

Sticla flint obinuit

Nisip cuarosMiniu

Cenu

Pri

110

110

33

Sticl violet

Nisip

CenuSalpetru

CretPirolusit

Oxid feric

Pri

50

15

2

5

10

2

Sticl albastr

Nisip alb

Carbonat de potasiu

Borax

Plumb rouOxid de cobalt

Pri

10

3.5

1

15

0.4

Sticl roie

Nisip

Plumb rouOxid de cupru

Oxid de staniu

Pri

100

200

6

6

Sticl verdeNisip

Cenu

Pri50

15

Sticl galbenNisip

Cenu

Pri65

25


39/151

39

Carbonat de calciu

Saltpetru

Oxid feric

Oxid de cupru

5

1

5 la 10

3 la 10

CretCrbune de lemn

3

1

Compoziia chimic a sticlelor industriale

Sticlele industriale se constituie acea categorie de sticle fabricate n vedereasatisfacerii necesitilor de ordin casnic sau industrial, sub form de articole demenaj, geamuri, ambalaje din sticl, etc. n acest sens, acestea trebuie s prezinteo serie de caracteristici, cum sunt: transparen n cazul n care deservetescopului fabricrii, omogenitate, duritate normal, conductivitate termic i electricdiminuat i nu n cele din urm, stabilitate chimic fa de aciunea apei i aagenilor chimici, etc.

Acest categorie de sticle nu este destinat uzului, sub form de componente, ncadrul aparatelor optice datorit carenelor n ceea ce privete proprietile opticeale acestora, cum ar fi:

prezena de impuriti ca urmare a inserrii de oxizi colorai (de Fe, Cu)diminueaz transparena materialului (tent verzuie);

prezint o valoare mare a absorbiei, datorit compoziiei chimicenesatisfctoare;

existena unor defecte frecvente n masa sticlei, de tipul bulelor iincluziunilor;

variaia, n masa sticlei, a proprietilor optice;

prezena unor tensiuni interne ca urmare a unui tratament termicnecorespunztor.

Compuii chimici de baz care intrn componena sticlelor industriale sunt: SiO2,Na2O, respectiv CaO. Aceti oxizi sunt introdui n compoziia sticlelor individualsau constituie rezultatul unor reacii chimice desfurate la temperaturi ridicate, cudegajare de gaze sau vapori de ap. Compoziia chimic menionat anterior esteuna relativ simpl, dat fiind faptul c n compoziia sticlei, n realitate, pot intra unnumr mult mai mare de oxizi. Dup natura chimic acetia pot fi acizi(SiO2, P2O3,B2O3) sau bazici(CaO, MgO, BaO, ZnO, K2O, etc.).

n vederea colorriisticlei se folosesc oxizii metalici de Cu, Fe, Co, etc. Oxizii acizi

i bazici coninui n sticle se pot combina ntre ei i conduc la formare de sruri. nfunciei de aceste sruri sticlele se pot clasifica n sticle de: silicai, borosilicai,borai, fosfai, etc.


40/151

40

Din cele menionate anterior, se poate remarca faptul c un procent substanial dintotalul elementelor chimice care pot participa la formarea sticlei sunt sub form deoxizi. Cu toate acestea, componenta principal a majoritii sticlelor industriale oconstituie silicea (SiO2). Aceasta are ns o temperatur de topire foarte ridicat (

peste 1 700 0C) ceea ce face ca masa de silice, chiar i la aceast valoare atemperaturii, s prezinte o vscozitate mare care duneaz procesului tehnologicde formare. n vederea diminurii temperaturii de topire, n compoziia sticlelor seintroduc o serie de oxizi alcalini(Na2Oi K2O) care joac rolul unor fondani. Chiari aceste circumstane, sticlele prezint instabilitate chimic, fiind solubile n ap.

n vederea mririi stabilitii chimice a sticlelor se introduc n compoziaia acestoraoxizi ai unor elemente bivalente, trivalente sau tetravalente (CaO, P2O3) care pe

lng funcia de stabilizare contribuie i la modificarea proprietilor fizice i chimice

ale sticlelor.

4. Proprietile termodinamice ale sticlei4.1 Tranziia sticlei

O sticl a crei structur nu prezint regulariti prezint, n general, o entropiemare a configuraiei i prin urmare a valoare mai mare a energiei libere comparativcu un material cristalin avnd aceai compoziie. Cu alte cuvinte, sticla reprezint

un material metastabil din punct de vedere termodinamic, care rmnenetransformat n strile sale cele mai stabile datorit dinamiciirearanjrii atomice ntimpul procesului de formare a sticlei.

Transformarea unei sticle ntr-un cristal este iniiat prin intermediul formriigermenilor de cristal i creterii cristalului sub aciunea forei motrice a difereneidintre energiile libere dintre cristal i sticl, 8Gv, care crete odat cu cretereatemperaturii de rcire 8Tr. Att viteza de nucleere I ct i viteza de cretere acristalului Usunt dependente de vscozitatea ; a lichidului suprarcit ct i de 8Gv.

Dat fiind faptul c vscozitatea Y crete exponenial cu descreterea temperaturii,influena acesteia asupra dinamicii rearanjrii atomilor crete cu descretereatemperaturii, n timp ce fora motrice pentru transformarea n cristal va crete odatcu descreterea temperaturii.

Viteza de nucleere Ise exprim ca fiind:

,

exp2

3

1

=

rr TT

g

kI

(2)


41/151

41

unde k1 este o constant (de obicei avnd valoarea 1030 dyne cm),

tr

T

TT = ,

t

tr

T

TTT

= , g este un factor care depinde de forma nucleului (pentru forma sferic

este3

16 ), Z i[ fiind parametrii adimensionali, exprimai sub forma:

,3 2

fM

cA

H

VN

=

(3)

respectiv

,R

S

TR

H fM

t

fM =

= (4)

unde NA este numrul lui Avogadro, Vc este volumul molar a cristalului, = esteenergia la interfaa cristal-lichid, 8HfMeste entalpia molar de fuziune i 8SfMesteentropia molar de fuziune. Pentru nemetale, Z[1/3 este cuprins aproximativ ntre0.5 i 0.7.

Viteza de cretere a cristalului, U, se exprim ca fiind:

,exp13 2

=

t

fm

ATTR

TH

N

TRfU

(5)

unde f reprezint poriunea de zon la care are loc tranziia sticl-cristal, iar

TTT t= .n intervalul de temperatur din apropierea punctului de topire, Tt, predomin

influena luit

fm

TH iar n intervalul de temperaturi mult sub cea a punctului de

topire influena vscozitii Y este foarte mare comparativ cu cea dat de raportulanterior.

Reprezentarea variaiilor I i Un funcie de temperatur evideniaz faptul ctemperatura la care se obine maximul vitezei de cretere a cristalului, U, este maimare dect valoarea temperaturii la care se obine maximul vitezei de nucleaie, I.

n cazul rcirii unui lichid vscos, pornind de la o valoare mare a temperaturii,acesta trece printr-un interval de temperaturi specific creterii cristalului nainte dea avea loc nucleaia. Prin urmare, un lichid vrcos rcit cu o anumit vitez i vamri vscozitatea n apropierea sau peste 1014dPa sfrns a fi fost transformatntr-un cristal. Odat ce vscozitatea acestuia atinge aceast valoare, nu va fiposibil modificarea aranjrii locale a atomilor obinndu-se astfel o structurngheat n locaiile respective. Ca urmare a acestui fapt materialul se vacomporta ca un solid rigid i casant, adic ca o sticl.

Fenomenele fizice i chimice care au loc ntr-o sticl solid nu vor mai fi att desensibile fa de modificrile de temperatur, cu excepia acelora care vor fimbuntite prin activare termic, cum ar fi deplasrile ionilor alcalini.


42/151

42

Tranziia de la lichid vscos la sticl solid poart denumirea de tranziia sticleiiartemperatura corespondent acestei tranziii este denumit temperatura de tranziien stare de sticl, Tg. n cazul n care sticla este nclzit la o temperatur mai maredect Tg are loc transformarea reversibil de la sticln lichid vscos.

Dat fiind faptul c tranziia n sticl are loc ca rezultat a creterii vscozitii icreterea vitezei vscozitii depinde de viteza de rcire, temperatura de tranziie nstare de sticl nefiind ntotdeauna aceeai chiar dac compoziia chimic esteaceeai, aceasta depinznd de viteza de rcire a lichidului.

O rcire nceat permite un timp suficient ca lichidul vscos s-i modificearanjarea atomilor si locali pentru a se obine o energie liber minim latemperatura corespunztoare, n timp ce o rcire rapid produce o cretere avscozitii care are loc prea repede pentru a se obine o aranjare a atomilor, ceea

ce rezult i ntr-o tranziie n stare de sticl la o temperatur mai mare.Structura unei sticle rcite rapid este mult mai deschis dect a celi rcite mai ncetdeoarece nghearea n locaie a atomilor reelei are loc la o temperatur maimare. Prin urmare, proprietile sticlei difer de la sticl la sticl, n funcie deistoricul termic al acestora, chiar dac compoziia lor chimic este identic.

4.2 Stabilitatea termic i relaxarea structural

O sticl obinut prin rcirea unui lichid se poate transforma ntr-un cristal n cazuln care este renclzitn domeniul de temperaturi mai mari dect Tg, unde au loc

nucleaia i creterea cristalului.Pe de alt parte, dac temperatura de renclzire nu este mare i se afl napropierea temperaturii Tg, care este mult sub temperatura care furnizeaz cea maimare vitez de cretere a cristalelor, sticla rmne necristalizat dar suferanumite modificri n structura atomilor denumite relaxare structural. Diferenele nceea ce privete structura i proprietile aferente sticlelor ce prezint un istorictermic diferit pot fi eliminate de ctre aceast relaxare structural indus prin acesttratament de nclzire n apropierea temperaturii de tranziie a sticlei.

5. Proprietile optice ale sticleiDomeniul de utilizare a unei sticle optice este determinat de proprietile saleoptice. Caracteristicile sticlei, cum ar fi: tranparena, indicele de refracie, dispersiamedie, coeficientul de dispersie, etc., reprezint constante ale sticlei care seregsesc n cadrul cataloagele firmelor de specialitate. Proiectanii i utilizatorii potselecta astfel tipul de sticl care satisface condiiile urmrite.

Practica a evideniat faptul c o cunoatere a acestor proprieti i de ctre

personalul de deservire sau fabricare a componentelor optice conduce la unmanagement mai bun al procesului de fabricare a instrumentului/aparatului opticdat fiind faptul c pot apare situaii n care dou tipuri de sticle pot fi schimbate ntre


43/151

43

ele, din greeal, ceea ce conduce la compromiterea pieselor optice respective i antregului proces de fabricare.

5.1 Transparena

n cadrul structurii sticlei optice nu se regsesc interfee sau delimitri alegranulelor ceea ce face ca pierderile intrinseci prin mprtiere ale acestui materials fie foarte mici. Prin urmare, sticla este, n principiu, transparent pentrufascicolele de lumin cu lungimi de und n regiunea n care nu au loc absorbiiintrinseci, adicntre dou limite de absorbie determinate de energia benzii interisei energia de vibraie a constituenilor.

Sticlele fluoridice sau oxidice prezint o zon interzis mare ntre benzile deconducie i de valen i sunt, n general, transparente pentru fascicolele de

lumin din domeniul vizibil i din domeniul IR apropiat, n timp ce sticlelecalcogenide prezint benzi interzise nguste i sunt, n general, translucide pentrudomeniul vizibil dar transparente pentru IRapropiat sau IR.

Datorit proprietii de transparen superioar pentru lumina din vizibil, sticla aconstituit mult timp materialul preferat pentru confecionarea diferitelor componenteoptice. Beneficiind de avantajul flexibilitii n ceea ce privete compoziia chimic aacesteia, pn n prezent au fost fabricate peste 200 de tipuri de sticle opticecomerciale.

Cerinele de baz impuse unei sticle optice suntpuritate superioari omogenitatemarepentru a facilita propagarea fascicolelor de lumin cu pierderi optice minime.Pierderile optice inerente unei sticle avnd o anumit compoziie se datoreaz:

pierderilor intrinseci prin absorbieca urmare a tranziiei electronilor dinbanda de valen n banda de conducie care este determinat deenergia benzii interzise dintre cele dou;

pierderilor prin absorbiedatorit vibraiilor moleculelor;

pierderilor prin mpr%tiereRayleigh.

Valorile acestor tipuri de pierderi sunt dependente de lungimea de und, nconformitate cu expresiile (6), (7), i (8):

( ) ,exp 00

=

kT

EEAE iUV (6)

unde Eeste energia fotonilor, >(E)UVreprezint coeficientul de absorbie a fotonilorde energie E datorat pierderilor intrinseci prin absorbie n regiunea UV, Ei esteenergia benzii interzise dintre benzile de valeni conducie, keste constanta luiBoltzman,

>0iA

0fiind constante.

( ) ,exp2

2

=

E

EE IR (7)


44/151

44

unde Z(E)IReste coeficientul de absorbie a fotonilor de energie Edatorat vibraiilormoleculelor, >2i E2 fiind constante.

( ) ( ) ( ) VCC

np

p

nI i

i

RS

+

= 222

222

4

3

3

8(8.a)

unde

( ),

2

2

Fe kTV

p

=

(8.b)

( ) ,2

i

Ci

Fi

CN

kTC

=

(8.c)

Documents

Materiale Semifabricate Optice Sticla