Материал: Учебное пособие ЭТМ
высокая химическая стойкость (благодаря чему эти стекла получили широкое применение в технологии получения чистых веществ, из них изготавливают различные реакторы, ампулы, тигли);
высокая прозрачность для излучения инфракрасной и ультрафиолетовой областей светового диапазона, до длины волны порядка 4 мкм, поэтому являются ценным оптическим материалом (линзы, призмы и т. д.);
по электрическим свойствам относятся к хорошим высокочастотным диэлектрикам, у них ε = 3,8; tgδ = 2·10- 4 (на частоте 106 Гц); ρv более 1016 Ом.
Для повышения технологических характеристик в состав стекол вводят оксиды щелочных металлов, при этом существенно снижаются электрические свойства, что связано с изменением структуры материала: происходит разрыхление пространственной сетки (обрыв связей) и образование тупиковых ветвей (рис. 4.31).
Рис. 4.31. Схема структуры щелочных стекол
Разрыхление кислородного каркаса вызывает понижение температуры размягчения стекла, с другой стороны слабосвязанные щелочные ионы под действием теплового движения могут срываться с мест закрепления и перемещаться из одной ячейки сетки в другую, при этом усиливается ионно-релаксационная поляризация (рост tgδ и ε) и одновременно уменьшается ρv материала.
103
Изменение электрических свойств стекла зависит от радиуса щелочного иона (чем меньше радиус иона, тем больше его подвижность). Ион натрия имеет меньший размер, чем ион калия, следовательно, отрицательное влияние оксида натрия (Na2O) сильнее. При одновременном присутствии оксида натрия и оксида калия (K2O) электрические свойства стекла могут быть значительно лучше, чем при присутствии одного из оксидов — полищелочной эффект (нейтрализующий эффект) (рис. 4.32).
tgδ
Рис. 4.32. Зависимость tgδ силикатного стекла от содержания в нем оксидов натрия и калия
Стекла, содержащие в больших количествах оксиды тяжелых металлов (титан, свинец и т. д.) характеризуются малыми потерями даже при значительной добавке щелочных окислов. Атомы многовалентного металла, встраиваясь в структурную сетку стекла, не образуют тупиковых ветвей, поэтому увеличение их концентрации не приводит к возрастанию релаксационных потерь. Более того, становясь на месте существующих обрывов ветвей, такие ионы могут соединить оборванные концы и укрепить пространственную сетку.
Технология получения силикатных стекол
Технология получения силикатных стекол относительно проста. Сырьем для производства является: кварцевый песок (SiO2), сода (Na2CO3), (К2СО3), известняк (СаCO3), доломит (СаCO3 · MgCO3), по-
левой шпат (Al2O3 · 6SiO2 · K2O).
104
Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и перемешивают. Полученную шихту загружают в печь и варят при температуре 1200 – 1400 ° С. Шихта (технологическая смесь) плавится, летучие составляющие (пары воды, углекислый газ, сернистый газ (SO3) и т. д.) удаляются, оставшиеся окислы химически реагируют между собой, образуя однородную стекломассу, из которых и формируется изделие. Формовку осуществляют: выдуванием, центробежным литьем, вытяжкой, прессованием, отливкой и т. д.
Изделия подвергают отжигу для снятия местных механических напряжений.
Области применения стекол
Электровакуумные стекла используются для изготовления баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов. Значения температурного коэффициента линейного расширения (αl ) стекла и соединяемых с ним материалов должны быть близки.
Боросиликатные или алюмосиликатные стекла с добавлением щелочных оксидов используются в качестве стеклоприпоев. Название стекла (платиновое, молибденовое, вольфрамовое) определяется не составом стекла, а тем, что значения αl этих стекол близки к αl платины, молибдена, вольфрама.
Изоляторные стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизирующих вводов в металлические корпуса различных приборов (конденсаторов, трансформаторов и т. д.) обычно для этой цели используется щелочное силикатное стекло.
Из цветных стекол изготавливают светофильтры, эмали, глазури. Обычные силикатные стекла прозрачны в видимой части светового спектра. Использование добавок предает стеклам соответствующую окраску: СаО — синюю, Cr2O3 — зеленую, MnO2 — фиолетовую или коричневую и т. д.
Лазерные стекла — рабочие тела в твердотельных, в которых генерирующими центрами являются активные добавки, равномерно распределенные в диэлектрической прозрачной матрице. Наиболее
105
часто используемые активные добавки — активированные ионы неодима Nd3+.
Стекловолокно получается вытяжкой через фильеру (тоненькое отверстие). Получают тонкие волокна 4 – 7 мкм, которые в дальнейшем обрабатывают методами текстильной технологии (стеклоткань, стеклоленты и т. д.). Для изготовления стекловолокон используют следующие виды стекол: щелочные алюмосиликатные, безщелочные и малощелочные алюмоборосиликатные стекла.
Световоды используются для передачи изображения, при этом используют волокна, диаметр которых менее 15 мкм.
В сердцевине и в оболочке световодов применяются стекла с разными показателями преломления, причем у сердцевины показатель преломления должен быть больше, чем у оболочки. Полимерное покрытие используется для защиты стекла от влаги и улучшения гибкости волокна (рис. 4.33).
оптический |
полимерное покрытие |
|
оболочка |
|
|
сигнал |
|
|
|
|
|
|
сердцевина |
стекло |
|
оболочка |
|
|
полимерное покрытие |
|
Рис. 4.33. Принципиальная схема волоконного световода
Принцип действия световода заключается в следующем. Световой луч, падая из среды с показателем преломления n1, на поверхность с показателем преломления n2 под углом большим предельного, при этом произойдет полное внутреннее отражение сигнала
(рис. 4.34).
γ |
γ − апертурный угол |
|
Рис. 4.34. Принцип действия световода |
106
4.6.4. Ситаллы
Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые путем почти полной стимулированной кристаллизации стекол специально подобранного состава. Эти материалы непрозрачны в видимом свете, от стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамики — значительно меньшими размерами кристаллических зерен.
Всостав стекломассы вводят добавки, дающие зародыши кристаллизации (частицы металлов и их соединения). Важно стимулировать процесс кристаллизации равномерно по всему объему и получить материал с однородной структурой. После получения изделия обычного стекла его подвергают двухступенчатой термической обработке:
первая ступень: при температуре 500 – 700 ° С происходит образование зародышей кристаллизации;
вторая ступень: при температуре 900 – 1100 ° С происходит развитие кристаллической фазы.
Вситаллах содержание кристаллической фазы составляет 95 %, размеры кристаллов порядка 0,05 – 1 мкм.
К достоинствам ситаллов относятся: повышенная механическая прочность.
возможность получения, как малого, так и большого температурного коэффициента линейного расширения (ситаллы с малым αl
очень нагревостойки); большие возможности получения материалов с заранее задан-
ными свойствами, т. е. можно варьировать как рецептуру стекломассы, так и режимы кристаллизации;
Ситаллы разделяются на установочные и конденсаторные. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называется пироке-
рамом, девитрокерамом, стеклофарфором и т. д.
107