Краткое описание технологи получения стекол

Классификация стекол и их основные свойства

План лекции

СТЕКЛА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИЗДЕЛИЯХ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

ЛЕКЦИЯ 2.5

Вопросы для самоконтроля

1. Дать определение пластмассы.

2. Дать определение полимера.

3. Охарактеризовать линейные полимеры.

4. Что такое дендример.

5. Дать определение гибкоцепных полимеров.

6. Назвать основные технологические способы получения полимеров.

7. В чем особенность дендримеров.

8. Дать определение эластомера.

9. Что такое гомополимер, сополимер.

10. В чем особенность карбоцепных полимеров.

11. Где нашли применение дендримеры.

12. Назовите типичные особенности термопластов.

13. Приведите 3-5 примеров термопластов.

14. Как ведут себя термопласты при взаимодействии с водой и смазочными маслами.

15. Как влияет температура на механические свойства термопластов.

16. Перечислите наполнители реактопластов.

17. Почему в реактопластах почти всегда используется наполнитель.

18. В чем особенность реактопластов.

ТЕМА 2.2. Пассивные диэлектрики

1. Классификация стекол и их основные свойства

2. Краткое описание технологи получения стекол

3. Лазерные стекла.

4. Светочувствительные стёкла.

5. Стекла для ультразвуковых линий задержки.

6. Оптически и магнитоактивные стекла.

7.Стеклянные волоконные и пленочные оптические элементы.

8. Области применения стекол, получивших наибольшее распространение.

Література [1-3, 10-14, 16-19,29]

Стекла это неорганические квазиаморфные твердые вещества, в которых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц. Это изотропные твердые тела, т.е. тела, у которых свойства в любом направлении одинаковы.

По химическому составу неорганические стекла подразделяются на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий окисел: SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO₂) благодаря высокой химической устойчивости, дешевизне и доступности сырьевых компонентов.

Для придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикатных стекол вводят окислы различных металлов (чаще щелочных, щелочноземельных).

По наличию в составе щелочных металлов стекла делятся на бесщелочные, малощелочные и щелочные. Если в стекле отсутствует окисел щелочного металла или он содержится в небольших количествах, то такие стекла называют бесщелочными. Чем больше в оксидных стеклах ионов Na, тем стекло менее прочно.

Механические свойства оксидных стекол. Прочность стекол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв (6000-21000 МПа и 100-300 МПа на сжатие и растяжение соответственно).

Нагревание стекла до температуры размягчения и резкое охлаждение (этот технологический прием называют закалкой стекла) также увеличивает прочность, но при этом увеличивается и хрупкость. Закаленное стекло нельзя резать или сверлить. Оптические свойства закаленного стекла хуже, чем у не закаленного.

Прочность стекла повышают химико-термической обработкой, которая заключается в частичной замене ионов натрия в приповерхностном слое на более крупные ионы лития или калия.

Шлифование и полирование стекла увеличивает его прочность в несколько раз. Для уменьшения шероховатости стекла широко используют огневую полировку (оплавление).

Тепловые свойства оксидных стекол. Как аморфные вещества стекла не имеют резко выраженную температуру плавления. При нагреве вязкость стекол уменьшается постепенно. За температуру размягчения стекла принимается температура, при которой вязкость его составляет 10⁷-10⁸ Па×с. Эта температура для большинства стекол находится в пределах от 400 до 1600⁰С. Наибольшая температура размягчения у кварцевого стекла, которое на 100% состоит из SiO₂. Добавки к SiO₂ щелочных оксидов понижают температуру размягчения.

Коэффициент линейного расширения a лежит в пределах 0,55×10^-6К^-1 (кварцевое стекло) до 15×10^-6К^-1. Этот коэффициент играет большую роль в оценке стойкости стекол к резким сменам температуры (термоударам). Он имеет значение при пайке и сварке друг с другом различных стекол, при нанесение стеклоэмали на поверхность. Коэффициенты линейного расширения a паяемых и свариваемых материалов должны быть приблизительно одинаковыми. Название стекол “вольфрамовые”, “молибденовые”, объясняются не их составом, а тем, что a этих стекол близки к a вольфрама и молибдена.

Плотность стекол лежит в широких пределах от 2,0 (оконное стекло имеет плотность 2,5 г/см³) до 8,1 г/см³ (хрустали, флинты).

Оптические свойства. Оптические свойства характеризуются светопропусканием, показателем преломления n (n уменьшается с увеличением длины волны света) и дисперсией k (дисперсия – зависимость n от длины волны). Стекла с n=1,47-1,67 и k=70-51 относят к кронам, а с n=1,52-1,96 и k=54-15 – к флинтам.

Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра. Добавки придают стеклам окраску: CoO (оксид кобальта) – синююо, Cr₂O₃ (оксид хрома) – зеленую,O₂ – желтую и т.д.

Большинство технических стекол из-за содержания в них примеси оксидов железа, значительно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие Fe₂O₃ менее 0,02%, обладают прозрачностью для ультрафиолета. Хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи кварцевое стекло, которое используют в специальных “кварцевых” лампах.

Показатель преломления n стекол колеблется от 1,47 до 1,96 (тяжелые свинцовые стекла - хрустали). Стекла, в состав которых входят элементы с малой атомной массой, прозрачны для рентгеновских лучей. Стекло состава (83% B₂O₃ – 2,5% BeO – 14,5% Li₂O) применяют для окошек в рентгеновских трубках. Хрустали поглощают рентгеновские лучи.

Гидролитическая стойкость. Стойкость к действию влаги оценивается массой составных частей стекла, переходящей в раствор с единичной поверхности стекла при длительном соприкосновении его с водой.

Растворимость стекла увеличивается с ростом температуры. Наивысшей гидролитической стойкостью обладают кварцевые стекла. Это свойство ухудьшается при введении щелочных оксидов.

Стекла состава Na₂O×mSiO₂ (реже K₂O×mSiO₂) с силикатным модулями m от 1,5 до 2,4 являются растворимыми стеклами. При повышенном давлении и температуре они растворяются в воде, образуя вязкие клейкие растворы щелочной реакции. Такой раствор концентрации 30-50% с плотностью 1,27-1,95 г/см³ называется жидким стеклом.

Силикатные стекла стойки к действию кислот за исключением HF, но мало стойки к щелочам. Специальные типы стекол с высоким содержанием B₂O₃ и Al₂O₃ стойки к парам Na, что важно для некоторых электроосветительных приборов.

Электрические свойства. Электрические свойства очень зависят от состава. При нормальной температуре для различных технических стекол удельное сопротивление r=10⁶-10¹⁵ Ом×м, относительная диэлектрическая проницаемость e=3,8-16,2, тангенс угла диэлектрических потерь tgd=2×10^-4-0,01

Удельное сопротивление уменьшается с введением в стекло оксидов щелочных металлов с наличием ионов Na или К. При воздействии на щелочное стекло постоянного напряжения происходит электролиз, который наблюдается в виде отложений у катода щелочного металла.

Присутствие в составе стекла двух щелочных металлов увеличивает r и уменьшает tgd. Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. Решающее влияние на Е_пр оказывают воздушные включения – пузырьки в толще стекла.

Сырьем для изготовления силикатного стекла служат кварцевый песок SiO₂, сода Na₂CO₃, поташ K₂CO₃, известняк CaCO₃, доломит CaCO×MgCO, сульфат натрия Na₂SO₄, бура Na₂B₄O₇, борная кислота H₃BO₃, сурик Pb₃O₄, полевой шпат Al₂O₃×6SiO₂×K₂O и др.

Сырьевые материалы для получения шихты измельчают, взвешивают в нужных количествах, тщательно перемешивают и загружают в стекловарочную печь. В крупном производстве применяются ванные, а в мелкосерийном сырьевом производстве – горшковые печи. Шихту нагревают, она плавится, летучие составные части H₂O, CO₂, SO₃ из неё удаляются, а оставшиеся окислы химически реагируют между собой, в результате чего образуются однородная стекломасса, которая идет на выработку листового стекла или стеклянных изделий.

Формовку изделий стекла осуществляют путем выдувания, центробежного литья, вытяжки, прессования, отливки и т.п. Стеклообразное состояние материала получается при быстром охлаждении. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация и стекло теряет прозрачность, а отформованные изделия обладают невысокой механической прочностью.

Изготовленные стеклянные изделия должны быть подвергнуты отжигу для устранения механического напряжения. Отжиг – нагревание до высоких температур и медленное охлаждение.

Дата добавления: 2014-01-20