Кристаллы и стекла – справочная информация

Кристаллы


Детали из приведенных оптических материалов могут быть изготовлены с нанесением просветляющего оптического покрытия в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне.

Кристаллографические характеристики

Кристаллами называют твердые тела, обладающие упорядоченной трехмерно-периодической пространственной атомной структурой. Использование кристаллических материалов в оптике определяется их высокой (по сравнению со стеклами) прозрачностью в ультрафиолетовой и инфракрасной области спектра, а также разнообразием дисперсионных свойств.

Приведенные кристаллографические данные включают сингонию, класс симметрии, параметры решетки и спайность.

Сингония характеризует тип симметрии элементарной ячейки кристалла. Классом симметрии кристалла называют полную совокупность его возможных симметричных преобразований.

Параметры решетки – это ее три элементарные трансляции a, b и c. Спайность – свойство кристалла образовывать трещины по определенным кристаллографическим плоскостям. Для обозначения спайности указывают кристаллографический символ плоскости легкого раскола. Качественно, спайность характеризуется как «высоко-совершенная», «совершенная» или «несовершенная».

Кристалл может состоять из одного целостного блока, и тогда его называют монокристаллом. Существуют также и поликристаллы – агрегаты хаотически ориентированных монокристаллических зерен разного размера. Свойства поликристаллов определяются свойствами зерен, из которых они образованы, а также их величиной, взаимным расположением и силами взаимодействия между ними.

Оптические характеристики

Оптические характеристики материалов представлены данными по показателю преломления, относительному температурному коэффициенту показателя преломления и коэффициенту пропускания для различных длин волн; приводятся спектры пропускания для образцов толщиной 10 мм.

Показатель преломления n, обозначает отношение скорости электромагнитного излучения в вакууме к скорости излучения в материале.

Температурный коэффициент показателя преломления определяется по следующей формуле: b(t,l ) = dn(l)/dt, оC-1, где t – температура. Для анизотропных и оптически одноосных кристаллов фтористого магния и сапфира значения показателей преломления и относительного температурного коэффициента показателя преломления приведены для обыкновенного nо и необыкновенного nе лучей.

Коэффициент пропускания t (l) – отношение потока монохроматического излучения, прошедшего сквозь образец материала, к потоку падающего излучения.

В некоторых случаях вместо коэффициента пропускания указывается значение показателя ослабления, который рассчитывается по следующей формуле:

Formula-1.gif

где ti (l) – коэффициент внутреннего пропускания, который равен отношению потока монохроматического излучения, достигшего выходной поверхности образца, к потоку излучения, прошедшему через его входную поверхность, S – толщина образца, измеренная в сантиметрах.

Ослабление излучения вызывается поглощением и рассеянием внутри материала, но оно не включает потери на отражение, которые могут быть определены по формуле: Потери на отражение = (n-1)2 / (n+1)2

Тепловые характеристики

Приводятся справочные значения температурного коэффициента линейного расширения, теплопроводности, удельной теплоемкости, термостойкости и температуры плавления.

Температурный коэффициент линейного расширения at, °С-1, характеризует относительное изменение длины образца при изменении его температуры на 1 °С и определяется по формуле:

Formula-2.gif

где l – длина образца, t – температура.

Теплопроводность, Вт/(м • °С), характеризует способность материала проводить тепло и определяется количеством теплоты, передаваемым через единичную площадку за единицу времени при единичном градиенте температуры.

Для анизотропных кристаллов фтористого магния и сапфира значения температурного коэффициента линейного расширения и теплопроводности приведены в направлениях параллельном и перпендикулярном оптической оси.

Удельная теплоемкость, Дж/(кг•°С), характеризует энергию, необходимую для нагревания материала, и определяется количеством теплоты, требуемой для нагревания единицы массы материала на один градус.

Термостойкость, °С, характеризует способность образца выдерживать без разрушения резкие смены температуры. Мерой термостойкости является максимальная разность температур при быстрой их смене, выдерживаемая образцом без разрушения.

Механические характеристики

Механические характеристики описываются значениями плотности, твердости по Моосу, микротвердости по Викерсу, постоянных упругой податливости, модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона.

Плотность, г/см3, определяется отношением массы материала к его объему. Твердость по Моосу, характеризует способность материала подвергаться царапанию другим материалом.

Приведены справочные числа твердости по условной шкале Мооса, в которой 10 стандартных минералов расположены в ряд по степени возрастания твердости.

Микротвердостъ по Виккерсу, Па, характеризует сопротивление поверхности материа­ла вдавливанию индентора в виде четырехгранной алмазной пирамидки при определенной инденторной нагрузке.

Приведены справочные значения микротвердости при нагрузке 1 Н. Постоянные упругой податливости S11, S12, S44 , Па-1 являются коэффициентами пропорциональности между составляющими напряжения и деформации.

Модуль упругости (модуль Юнга) E, Па – нормальное напряжение, изменяющее линейный размер тела в два раза. Модуль сдвига G, Па – касательное напряжение, вызывающее относительный сдвиг, равный единице.

Коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) – отношение относительного поперечного сжатия к его относительному удлинению.

Фотоупругие характеристики

Фотоупругие свойства представлены оптическими коэффициентами напряжений, фотоупругими и пьезооптическими постоянными.

Оптические коэффициенты напряжений В1, В2, Па-1 отражают взаимосвязь между двулучепреломлением и вызывающем его напряжениями:

Formula-4.gif

где Dn12 – двулучепреломление, вызываемое напряжением сдвига s12.

Фотоупругие постоянные С1 , С2, Па-1 характеризуют зависимость изменения показателя преломления Dn1 и Dn2 материала под действием нормального напряжения s приложенного вдоль главных кристаллографических направлений.

Formula-3.gif

Пьезооптические постоянные p11, p12, p44, Па-1 являются коэффициентами пропорциональности между составляющими напряжения и показателя преломления.

Химическая устойчивость

Химическая устойчивость материалов характеризует их сопротивляемость к воздействию агрессивной среды: воды, кислот и органических соединений. Приводится растворимость кристаллических материалов в воде при температуре 20° С, г/100 см3, а также способность их растворяться в кислотах и органических соединениях.