Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых нанопористых покрытий на стекло, обладающих высокой просветляющей способностью и повышенной твёрдостью

Докладчик: Федюшкин Игорь Леонидович

Должность: зам. директора по научной работе и инновациям, зам. директора по научной работе и инновациям

Цель проекта:
Разработать золь-композиции, содержащие пористые или полые наночастицы диоксида кремния и получить на их основе новые нанопористые покрытия на силикатном стекле которые должны иметь низкий показатель преломления 1.20 - 1.30, обладать высокой просветляющей способностью (светопропускание стекла с покрытием в максимуме 99.0 - 99.9%) и повышенной твёрдостью (твёрдость по карандашу 4Н-6Н). Стекло с разработанными по данному проекту просветляющими покрытиями позволит вывести на рынок конкурентноспособную продукцию мирового уровня, находящую широкое применение, в частности, в производстве солнечных батарей.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках данного проекта предполагается дальнейшее использование и развитие золь–гель процесса с целью получения сначала золь–композиций оксидов металлов, смешанных оксидов металлов, а затем неорганических функциональных покрытий, неоргано – органических функциональных покрытий на специальном силикатном стекле, содержащем минимальное количество примесей оксидов железа. Предполагается разработка препаративных химических методик получения наночастиц оксидов металлов различного физического строения: пористые наночастицы, полые наночастицы и введение данных наночастиц в золь–композиции для получения нанопористых покрытий на оптических деталях из стекла. При этом будет проведено систематическое исследование оптических свойств покрытий и оптических изделий с покрытиями, изучена твёрдость покрытии. Вся работа будет проводиться совместно со стеклозаводом «Ворга», который организует впервые в России производство очищенного силикатного стекла специально для производства солнечных батарей. Нанесение однослойных просветляющих покрытий на стекло позволит увеличить КПД солнечной батареи на 3.0 – 5.0%.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.На основании разработанного в рамках данного проекта лабораторного метода получения пористых или
полых наночастиц диоксида кремния планируется организовать в ИМХ РАН опытное производство с
производительностью 1.0 кг наночастиц в месяц. Коллоидные растворы наночастиц могут найти
применение в электронике, фотонике, медицине, оптике. На сайте ИМХ РАН будет организована реклама
данной продукции.
2.Используя результаты НИР, полученные в рамках данного проекта, в ИМХ РАН планируется организовать производство золь–композиций с производительностью 50 кг в месяц. Стеклозавод Ворга планирует организовать на заводе технологическую линию по нанесению просветляющих покрытий на очищенное силикатное стекло. Эскиз производства приведён в приложенном файле. Золь–композиции будут переданы на стеклозавод Ворга для отработки технологии нанесения просветляющих покрытий на стёкла больших размеров (более 1 квадратного метра). Данные стёкла используются для производства солнечных батарей. На сайте ИМХ РАН будет организована реклама новых золь–композиций. Новые золь–композиции могут найти применение для нанесения эффективных просветляющих покрытий не только на силикатные стёкла, но и на полимеры. Стёкла из поликарбоната с просветляющими покрытиями находят применение в автомобилестроении, а стёкла из полиметилметакрилата – в самолётостроении. Новые золь – композиции могут найти применение для нанесения просветляющих покрытий на элементы сверхмощных лазеров.
3.По результатам НИР планируется оформить совместно с заводом Ворга не менее 2 заявок на патенты РФ.

Текущие результаты проекта:
а) Разработаны лабораторные методики получения устойчивых во времени при комнатной температуре золь-композиций диоксида кремния, диоксида титана, диоксида циркония, оксида алюминия с концентрацией оксида металла 0.5 моль/л и синтезированы данные композиции по 50 мл каждая.

б) Разработаны лабораторные методики получения золь – композиций смешанных оксидов металлов: оксид кремния – оксид титана с концентрацией оксида титана 0.1; 0.3; 0.5; 1.0; 5.0; 10.0; 20 молярных процентов и с суммарной концентрацией оксидов металлов 0.5 моль/л; оксид кремния – оксид циркония с концентрацией оксида циркония 0.1; 0.3; 0.5; 1.0; 5.0; 10.0; 20 молярных процентов и с суммарной концентрацией оксидов металлов 0.5 моль/л; оксид кремния – оксид алюминия с концентрацией оксида алюминия 0.1; 0.3; 0.5; 1.0; 5.0; 10.0; 20 молярных процентов и с суммарной концентрацией оксидов металлов 0.5 моль/л. Синтезированы данные композиции по 50 мл каждая.

в) Из каждой золь-композиции оксида металла, смешанных оксидов металлов методом погружения (dip coating) на силикатные стёкла (слайды для микроскопии) наносились однослойные двухсторонние покрытия. Отверждение покрытий проводилось при разных температурных условиях: 20С – 24 часа 40С – 0.5 и 1.0 час 60С – 0.5 и 1.0 час 80С – 0.5 и 1.0 час 100С – 0.5 и 1.0 час 200С – 0.5 и 1.0 час 300С – 0.5 – 1.0 час 400С – 0.5 и 1.0 час.

г) При исследовании светопропускания образцов стекла без покрытия и с покрытиями установлено следующее: 1) максимум светопропускания стекла без покрытия при 520 – 540 нм равен 91.0 – 91.2 %, показатель преломления 1.51 при 633 нм; максимум светопропускания стекла с однослойным двухсторонним покрытием на основе диоксида кремния (показатель преломления 1.45 – 1.46 при 633 нм) равен 94.3 – 94.5%. Т.е. светопропускание стекла с покрытием из диоксида кремния на 3.0% больше, чем стекла без покрытия, т.к. показатель преломления покрытия меньше, чем показатель преломления стекла 2) максимум светопропускания стекла без покрытия больше максимумов пропускания стекла с покрытиями из оксида титана, оксида циркония или оксида алюминия, т.к. показатели преломления оксида титана (1.9 – 2.0 при 633 нм), оксида циркония (1.9 – 2.0 при 633 нм) и оксида алюминия (1.6 при 633 нм) больше показателя преломления стекла (1.51 при 633 нм) 3) максимумы светопропускания стекол с покрытиями из диоксида кремния с небольшимидобавками 0.1 – 0.5 мольных процентов диоксида титана или диоксида циркония, или оксида алюминия имеют такие же значения, как и стёкла с покрытиями из диоксида кремния.

д) При исследовании твёрдости покрытий прибором Твердомер карандашного типа (международный стандарт ISO 15184) получены следующие результаты.
1.Твёрдость покрытий из диоксида кремния, отверждённых при температурах 20 – 80С в течение 1.0 часа, относительно низкая и несколько увеличивается с температурой от 3В до НВ. Твёрдость покрытия резко возрастает до 9Н при нагревании покрытия при 100С в течение часа. Твёрдость покрытий из диоксида кремния, отверждённых при 200, 300 и 400С в течение 30 минут, равна 9Н. 2.Твёрдость покрытий из диоксида кремния, отверждённых в течение часа при 60С (F) и 80С (НВ) возрастает до 8Н - 9Н при введении в диоксид кремния каталитических количеств (0.1 – 0.3 мольных процентов к содержанию диоксида кремния) оксида алюминия или оксида титана, или оксида циркония. Таким образом, на данном отчётном этапе получены новые экспериментальные результаты, позволяющие наносить на силикатное стекло покрытия из диоксида кремния с каталитическими добавками оксидов алюминия, титана или циркония при низких температурах 60 – 80С отверждения геля и с твёрдостью покрытий по карандашу 8Н – 9Н. Максимум светопропускания стекла с однослойным двухсторонним покрытием 94.0%, стекла – 91.0%. Показатель преломления покрытия при 633 нм равен 1.45 – 1.46.

В Техническом задании Проекта, пункт 4.1.7. сформулированы главные технические требования к нанопористому просветляющему покрытию и силикатному стеклу с покрытием:
а) твёрдость покрытия по карандашу 4Н – 6Н б) максимум светопропускания стекла с однослойным двухсторонним покрытием 99.0 – 99.9%
в) показатель преломления покрытия 1.23 – 1.30.
При сравнении результатов данного отчётного этапа с техническими требованиями ТЗ видно, что требование по твёрдости покрытия выполняется, однако показатель преломления полученного покрытия 1.45 – 1.46 значительно выше 1.23 – 1.30 (ТЗ), а светопропускание стекла с покрытием
94.0% на 5.0 – 5.9% меньше, чем требует ТЗ. Для выполнения требований ТЗ (понизить показатель преломления покрытия до 1.23-1.30, увеличить светопропускание стекла с покрытием до 99.0 – 99.9%) в разработанные на данном этапе золь – композиции необходимо вводить пористые или полые наночастицы диоксида кремния, содержащие воздух (показатель преломления воздуха является наименьшей величиной, равной 1.0). Поэтому основная научная работа по Проекту в 4 квартале 2014 г., в 2015 г и в первом полугодии 2016 г. будет направлена на разработку эффективных и экономически целесообразных способов получения пористых или полых наночастиц диоксида кремния.