Общая характеристика стекол.

Силикатное стекло являются одним из старейших материалов, известных человечеству. Тем не менее, наука о стекле все ещё не может ответить на многие важные вопросы. Шутят, что о стеклах легче сказать, чем они не являются, нежели определить, что же это такое. Стекла представляют собой неупорядоченные структуры, не имеют определенного химического состава (за исключением кварцевых стекол), температуры плавления.

Установлено, что основой строения силикатных стекол является комплекс SiO₄ – тетраэдр с очень прочными связями Si=0. Отдельные тетраэдры могут быть скреплены в цепи так называемым "мостиковым кислородом" (рис.3.17).

Благодаря некоторой закономерности строения силикатных колец стекло нельзя считать бесструктурным материалом. В нем имеется ближний порядок, т.е. правильная ориентация атомов распространяется на значительно меньшее, чем в кристалле, расстояние.

Влияние ближнего порядка на свойства материала наименее поддается теоретическому изучению, и, хотя экспериментировать со стеклом сравнительно несложно, интерпретация полученных данных крайне затруднительна. Это усложняет предсказание свойств новых стекол и объяснение их поведения в тех или иных условиях обработки и эксплуатации. Однако накопленный практический опыт позволяет использовать стекла во всех сферах науки и техники.

Химический состав и свойства оксидных стекол.

Однако свойства стекол определяются не только стеклообразующими оксидами, они сильно зависят от других примесей, называемых модификаторами. Не образуя в стекле собственных каркасов, многие примеси способны нарушать структуру стеклообразующих оксидов и вследствие этого менять, модифицировать свойства стекла.

Например, оксиды щелочных металлов (Na₂O, K₂O) вводятся в стекла для снижения температуры варки, обработки и подавления склонности стекла к кристаллизации (расстекловыванию).

Однако слабо связанные щелочные ионы под действием теплового движения могут срываться с мест закрепления и перемещаться из одной ячейки пространственной сетки в другую, что приводит к усилению ионно-релаксационной поляризации и сопровождается ростом tgδ. При этом уменьшается ρ, так как возрастает количество ионов, участвующих в процессе электропроводности (рис.3.20).

В то же время присутствие в составе стекла двух различных щелочных оксидов увеличивает e и уменьшает tgδ по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочной оксид. Такое явление называется нейтрализационным или полищелочным эффектом. Для уменьшения вредного влияния оксидов щелочных металлов на электрические свойства в стекло вводят оксид щелочноземельных металлов (СаО, ВаО).

Третью группу компонентов стекла составляют оксиды, способные в зависимости от состава и условия получения входить в каркас стеклообразователя и разрушать его структуру. Кним относятся Al₂O₃, РbО, ZnO и другие оксиды, не вошедшие в 1-ю и 2-ю группы.

Таблица 1.11. Влияние различных оксидов на свойства стекол.

Изменение свойств и параметров стекол в зависимости от вводимых в их состав оксидов качественно показано в табл. 3.11.

Рассмотрим подробнее теплофизические свойства стекол, отличающиеся наибольшим своеобразием. В связи с неупорядоченным состоянием и отсутствием свободных электронов стекла обладают очень низкой теплопроводностью, в сотни раз меньшей, чем металлы. Поэтому стеклянные детали – подложки, стенки корпусов, даже пленки – имеют высокое тепловое сопротивление и плохо пригодны для отвода тепла.

Уже в процессе формования изделия из-за опережающего охлаждения поверхностных слоев и низкой теплопроводности создается перепад температуры. По мере охлаждения внешние слои стекла теряют пластичность и создают сжимающие напряжения в объеме, а сами растягиваются. Если эти усилия превысят предел прочности стекла, произойдет его разрушение. Наличие остаточных напряжений характерно для стекла, поэтому изделия могут разрушаться как самопроизвольно, так и под действием даже небольших перепадов температуры или очень малых механических нагрузок. Для снятия остаточных напряжений стеклянные изделия необходимо подвергнуть отжигу – длительной термообработке при равномерном по объему детали нагреве.

Но и после этого прочность стекла составляет лишь около 0,01 от теоретической (рассчитанной по энергии связи электронов) из-за микротрещин на поверхности – очагов хрупкого разрушения.

Способность материала сохранять прочность при быстрой смене температур (термоударах) тем выше, чем меньше температурный коэффициент линейного расширения. Кварцевое стекло, обладающее самим низким из всех материалов ТКЛР=5·10^-71/град, не разрушаясь, выдерживает смену температур 1000°С – вода.

От значения ТКЛР зависит также способность стекла к соединению с другими материалами сваркой. Расхождение в значениях ТКЛР стекла и свариваемого с ним материала не должно превышать 5%, и этот параметр служит основной характеристикой стекла, содержащейся в самом обозначении его марки согласно ГОСТ.

В зависимости от состава стекло обрабатывают при 600–1600°С, причем ценность представляют как тугоплавкие кварцевые стекла, использующиеся в качестве контейнеров и реакторов в полупроводниковом производстве и в составе паст для металлизации керамики, так и легкоплавкие, необходимые для герметизации приборов иИС, изготовления корпусов, проводниковых и резистивных паст.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: