یک انتخاب واضح: چگونه بهترین ماده شفاف را انتخاب کنیم

مواد شفاف زیادی وجود دارند که می‌توانید هنگام طراحی لنز برای یک کاربرد نورپردازی در نظر بگیرید. به تصویر بالا نگاه کنید؛ این مواد شفاف مختلف به نظر نمی‌رسد که شباهت زیادی به هم داشته باشند؟

شاید از خود بپرسید: “چه چیزی شیشه‌ها و پلاستیک‌ها را از هم متمایز می‌کند؟
کدام ماده برای لنز من مناسب است؟”

این جدول خواص مواد شفاف مختلف (شیشه بوروسیلیکات، پلی‌کربنات، سیلیکون اپتیکی) را از جنبه‌های مکانیکی، حرارتی و نوری مقایسه می‌کند و کاربردهای مختلف آنها را توضیح می‌دهد.

برای پاسخ به این سوالات، باید نه تنها به خواص مواد توجه کنید بلکه عواملی چون محیط کاری لنز، نیازهای انتقال نور در کاربرد شما، نیازهای دوام و طول عمر مورد انتظار قطعه‌تان را نیز مد نظر قرار دهید.

برای کمک به انتخاب راحت‌تر شما، در این مقاله برخی از خواص مکانیکی، نوری و حرارتی سه ماده شفاف رایج—شیشه بوروسیلیکات، پلی‌کربنات و سیلیکون اپتیکی—مقایسه شده و بررسی می‌کنیم که چگونه ممکن است این مواد در محیط‌های مختلف عمل کنند.

خواص حرارتی

خواص نوری

خواص مکانیکی

جدول بالا شامل خواص عمومی است که نمایانگر ویژگی‌های معمولی شیشه بوروسیلیکات، پلی‌کربنات یا سیلیکون اپتیکی است. به یاد داشته باشید که خواص مواد بسته به نوع خاص و ترکیب ماده‌ای که انتخاب می‌کنید، متفاوت خواهد بود و اغلب می‌توان آن‌ها را برای برآورده کردن نیازهای کاربرد شما تنظیم کرد.

در این مقاله، ما به این داده‌های عمومی پرداخته‌ایم، اما در آینده نزدیک، چندین مطالعه مقایسه‌ای دقیق منتشر خواهیم کرد که ترکیبات خاص مواد را بررسی می‌کنند.

مقایسه خواص مکانیکی

در محیط‌های سخت و چالش‌برانگیز، لنزها و سایر قطعات تحت تنش‌های مکانیکی قرار می‌گیرند که نیاز به ماده‌ای با استحکام، سفتی و دوام بالا دارند. شیشه‌های بوروسیلیکات و پلی‌کربنات هر دو مواد مقاومی هستند. هر دو می‌توانند بیش از 60 مگاپاسکال فشار کششی را قبل از شکست تحمل کنند؛

پدر حالی که سیلیکون اپتیکی تحت فشارهای کمتری در حدود 10 مگاپاسکال شکست می‌خورد. سفتی این سه ماده، که با مدول یانگ یا مدول الاستیک آن‌ها نشان داده می‌شود، متفاوت است. شیشه یک ماده سفت و الاستیک است، به این معنی که حتی وقتی تحت تنش یا فشار قرار می‌گیرد، به شکل دائمی تغییر شکل نخواهد داد؛ اما در شرایط شدید، ممکن است از طریق گسترش ترک‌های فوری و سپس شکستن، دچار شکست شود.

پلی‌کربنات مدول الاستیک کمتری نسبت به شیشه دارد، اما هنوز هم نسبتاً سفت است، در حالی که سیلیکون اپتیکی انعطاف‌پذیرتر است. برخلاف شیشه، هم پلی‌کربنات و هم سیلیکون اپتیکی، مواد پلاستیکی هستند که می‌توانند در صورت بارگذاری بیش از حد، تغییر شکل دائمی پیدا کنند.

پس از این نقطه، هر دو ماده شکست می‌خورند؛ پلی‌کربنات با شکستن و سیلیکون با پارگی مواجه می‌شود.

اغلب در یک کاربرد، ماده شفاف شما نیاز به مقاومت در برابر شرایط مکانیکی یا شیمیایی سایشی با حداقل آسیب سطحی یا از دست دادن انتقال نور دارد. شیشه بوروسیلیکات می‌تواند در برابر سایش مکانیکی و شیمیایی مقاومت کند و در عین حال سطوح بالایی از انتقال نور را حفظ نماید. پلی‌کربنات و سیلیکون اپتیکی بدون پوشش مقاومت کمتری در برابر سایش مکانیکی دارند و این پلیمرها سطوح مختلفی از مقاومت شیمیایی دارند.

به عنوان مثال، این مواد می‌توانند در برابر محیط‌هایی مانند آب، رطوبت و انواع الکل‌ها مقاومت کنند، اما در بسیاری از مواد شیمیایی مانند روغن‌ها، هیدروکربن‌ها و کتون‌ها دچار تخریب خواهند شد. مهم است که سازگاری شیمیایی ماده را با محیط کاری آن از ابتدای مرحله طراحی بررسی کنید.

تامین و خرید انواع شیشه با نازلترین قیمت و در سریعترین زمان

در صورت درخواست ثبت سفارش، از طریق واتس اپ پیام بدهید

شیشه بوروسیلیکات

شیشه کوارتز تخت

میله کوارتز

شیشه BK7

لوله کوارتز

شیشه FTO / ITO

مقایسه خواص حرارتی

اغلب لازم است که خواص حرارتی را هنگام انتخاب یک ماده شفاف برای کاربرد خود در نظر بگیرید. به عنوان مثال، اگر طراحی لنز شما شامل مواد مختلفی مانند پوشش‌ها، چسب‌ها، درزگیرها یا اتصالات فلزی باشد، ممکن است نیاز باشد که ضریب انبساط حرارتی (CTE) متفاوت این مواد را در نظر بگیرید.

شیشه بوروسیلیکات، پلی‌کربنات و سیلیکون اپتیکی انبساط‌های حرارتی متفاوتی دارند. شیشه کمترین انبساط را دارد با CTE برابر با 43E-7/°C، در حالی که سیلیکون دارای بزرگترین CTE برابر با 2750E-7/°C است، به این معنی که با تغییرات دما بسیار بیشتر انبساط می‌یابد. باید مراقب باشید که مواد با CTE‌های متفاوت به طور قابل توجهی را با هم ترکیب نکنید، زیرا تفاوت‌ها هنگام گرم شدن یا سرد شدن می‌تواند تنش ایجاد کرده و باعث شکستگی لنز شما شود.

همچنین باید محدوده دمای عملیاتی لنز خود را بدانید. شیشه بوروسیلیکات می‌تواند شکل و خواص نوری خود را در دمای بالا حفظ کرده و دماهای بالای 400°C را تحمل کند.

پلی‌کربنات از دمای 145°C شروع به تخریب می‌کند، در حالی که برخی از سیلیکون‌ها می‌توانند در دماهای بالای 200°C مورد استفاده قرار گیرند. گرم کردن یک ماده فراتر از دمای حداکثر عملیاتی توصیه‌شده می‌تواند به طرق مختلفی بر کاربرد شما تأثیر منفی بگذارد.

ابتدا، ماده ممکن است نرم شده و دچار تغییر شکل شود که این موضوع می‌تواند کارایی منشورهای لنز و سایر ویژگی‌های طراحی نوری را کاهش دهد.

قرار گرفتن در معرض گرمای بیش از حد می‌تواند باعث تغییر رنگ بسیاری از پلاستیک‌ها، از جمله پلی‌کربنات و سیلیکون شود.

این امر منجر به ظاهر زرد رنگ و کاهش انتقال نور لنز می‌شود. قبل از انتخاب نهایی، باید از محدودیت‌های حرارتی هر ماده‌ای که در نظر دارید و همچنین دمای عملیاتی کاربرد خود آگاه باشید.

مقایسه خواص نوری

هنگامی که بین مواد شفاف انتخاب می‌کنید، معمولاً یک عملکرد نوری خاص برای لنز خود در نظر دارید، که ممکن است شامل کروماتیسیته هدف یا حداقل نیاز به انتقال نور باشد. از بسیاری جهات، سه ماده‌ای که در اینجا بررسی می‌شوند از نظر نوری مشابه هستند.

شیشه‌های بوروسیلیکات، پلی‌کربنات‌ها و سیلیکون‌های اپتیکی همگی انتقال نور عالی‌ای در سرتاسر منطقه مرئی دارند. هنگامی که برای خروجی نوری بهینه طراحی شوند، میزان انتقال داخلی می‌تواند نزدیک به یک باشد و مقادیر انتقال خارجی معمولاً بالای 90% است، که هر گونه کاهش انتقال معمولاً به دلیل بازتابش‌های سطحی است.

علاوه بر این، رنگدانه‌های خاص می‌توانند به هر ماده اضافه شوند تا خروجی نور را تنظیم کرده و دامنه کروماتیسیته وسیعی تولید کنند.

تفاوت میان مواد در ناحیه فرابنفش (UV) مشخص می‌شود. پلی‌کربنات یک انتقال‌دهنده ضعیف UV است و انتقال نور در بازه UV-A (315-400 نانومتر) کمی دارد و هیچ‌گونه انتقالی در طول‌موج‌های UV-B (280-315 نانومتر) یا UV-C (100-280 نانومتر) ندارد.

سیلیکون اپتیکی در نواحی UV-A و UV-B انتقال خوبی دارد، اما انتقال آن در ناحیه UV-C محدودتر است و حتی ممکن است در معرض تابش UV-C دچار تخریب شود.

ترکیبات شیشه بوروسیلیکات می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که یا نور فرابنفش را منتقل کنند (حتی تا طول‌موج UV-C) یا نور UV را در طول‌موج‌های هدف‌گذاری شده جذب کنند، که بسته به کاربرد متفاوت است.

خواص نوری پلیمرها و شیشه‌ها با قرارگیری طولانی‌مدت در معرض تابش فرابنفش، به ویژه در ناحیه UV-C، می‌تواند کاهش یابد.

احتمالاً با زرد شدن لنزهای چراغ خودرو در گذر زمان آشنا هستید؛ علاوه بر این تغییر بصری، انتقال نور نیز کاهش می‌یابد. نور UV-C می‌تواند نه تنها به مواد پلیمری و شیشه‌ای آسیب برساند، بلکه برای انسان‌ها نیز مضر است.

در کاربردهای عمومی روشنایی و برخی درمان‌های فتوتراپی پزشکی، ممکن است نیاز به استفاده از ماده‌ای داشته باشید که نور UV را در طول‌موج‌های خاصی جذب کند. در مقابل، برخی کاربردها مانند درمان با UV نیاز به انتقال بالای UV-C دارند.

عملکرد نوری یک ماده همچنین می‌تواند تحت تأثیر سایش و قرارگیری در معرض حرارت قرار گیرد، همانطور که در بخش‌های قبلی بحث شد.

بنابراین، انتخاب ماده‌ای با ثبات نوری، حرارتی و مکانیکی خوب می‌تواند حیاتی باشد تا طول عمر عملیاتی لنز در محیط‌های سخت افزایش یابد.

نگاهی به محیط‌ها و کاربردهای مختلف شیشه بوروسیلیکات