12.2. Неорганические стёкла

Стёкла получаются путём варки исходных материалов в печах. Сырьём служат песок SiO₂, сода В₂О_ЗСО_З, поташ К₂СО_З, известняк СаСО_З, бура

Na₂B₄O₇, сурик, каолин, полевой шпат и другие. Сырьевые материалы измельчаются, отвешиваются в нужных соотношениях, тщательно перемешиваются и загружаются в печь. Здесь шихта плавится, летучие составные части (Н₂О, СО₂, SО_З) удаляются, а оставшиеся окислы химически реагируют между собой, образуя стекломассу, которая поступает на изготовление изделий. Изделия подвергаются обжиму для устранения механических напряжений, возникающих при быстром охлаждении изделий.

Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы стекло не успело закристаллизоваться. При обжиге изделие нагревают до температуры ниже температуры плавления на 100-200°С и затем медленно охлаждают.

Стёкла – аморфные термопластические вещества. Известны стёкла оксидные и халькогенидные. Основой оксидных стёкол являются окислы SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂, As₂O₅ и другие. Халькогенидные стёкла – сплавы на основе сульфидов, селенидов теллуридов металлов. Халькогенами называют аналоги кислорода в 6 группе системы Менделеева - S, Se, Те, а их соединения с металлами называют халькогенидами (например, 4As₂Se₃*As₂Te₃; As₂Se₃*Sb₂Se₃).

Оксидные стёкла кроме стеклообразующих окислов содержат также окислы щелочных элементов Na₂O, K₂O, щёлочноземельных элементов СаО, ВаО (снижают температуру плавления), а также окислы PbO, ZnO, A1₂O₃.

Стёкла на основе SiO₂ называют силикатными, а на основе В₂О_З боратными. В радиотехнических устройствах наибольшее распространение получили силикатные стёкла, которые по электрическим свойствам делятся на три группы:

1) щёлочные стёкла с содержанием окислов Na₂O, K₂O, незначительным содержанием окислов тяжёлых металлов; это оконные стёкла, стёкла пирекс, нонекс, фурко, колбочное, марок №7, 12, 14, 20, 71, 707, К-5, К8 и др.;

2) щёлочные стёкла с высоким содержанием окислов тяжёлых металлов; стёкла, содержащие РbО, называются флинтами, ВаО - кронами;

3) бесщёлочные стёкла - боратное, кварцевое, № 24, 19, ТК-6.

Как все аморфные вещества, стёкла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагревании вязкость стёкол увеличивается постепенно. Температура размягчения стёкол лежит в пределах (400-1600)°С. Самое тугоплавкое – кварцевое стекло SiO₂. Температурный коэффициент линейного расширения α_l лежит в пределах (0,5 – 150)_*10^-7 1/град.

Наименьший α_l у кварцевого стекла. Это самый стабильный материал из всех известных материалов. Стёкла - прочный материал:

σ_расш = 100 - 300 кг/см, σ_сж = (6 – 21)*10³кг/см,

Как видно, предел прочности на сжатие σсж больше, чем предел прочности на растяжение. Поэтому стёкла не боятся резкого охлаждения, но боятся резкого нагревания. Тонкостенные изделия более устойчивы к резкой смене температур, чем толстостенные. При пайке и сварке стёкол с металлами необходимо, чтобы α_l стёкол был равен α_l металла.

Выпускаются стёкла, согласованные по α_l с вольфрамом, молибденом, платиной. Обычные стёкла прозрачны для лучей видимого спектра, легко окрашиваются окислами металлов (СаО – синее; Cr₂O₃ – зеленое; MgO₂ –фиолетовое, коричневое; VO₃ – желтое). Большинство стёкол поглощает ультрафиолетовые лучи, кварцевое и увиолевое стёкла прозрачны для ультрафиолетовых лучей. Стёкла допускают механическую обработку: сверление, шлифовку, полировку, фрезеровку. Сверление стёкол производят свёрлами из победита или латуни с применением абразива, применяют сверление на ультразвуковых установках. Стёкла растворяются в воде. Наименьшей растворимостью обладает кварцевое стекло. При введении окислов щелочных металлов растворимость сильно увеличивается. Стёкла с составом Na₂О*m_*SiO₂ (m=1,5 – 4,2) растворяются в воде при высокой температуре полностью, образуя жидкое стекло (силикатный клей). Силикатные стёкла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой, стойкость к щелочам ниже. Электрические свойства стёкол зависят от состава.

Натриевые стёкла: ε= 5 – 7.5; tgδ=0.003 – 0.006; ρ_v =10⁷ – 10⁸Ом_*см;

Свинцовые и бариевые стёкла:

ε= 5.7 – 7.5; tgδ=0.001 – 0.003; ρ_v =10¹⁰ – 10¹²Ом_*см;

Бесщёлочные стёкла: ε= 3.2 – 8.8; tgδ=6*10^-4– 10^-3; ρ_v =10¹³ – 10¹⁵Ом_*см;

У всех стекол E_пр = 50 кВ/мм, α_ε= (30 – 500)*10^-6 1/град.

Лучшими свойствами обладает кварцевое стекло SiO₂. Введение в состав стекла окислов щелочных металлов понижает удельное сопротивление, причём Na₂O понижает ρ_v сильнее, чем K₂O. При воздействии на стекло постоянного напряжения происходит его электролиз, у катода откладывается металл. При введении в состав стекла двух различных щелочных окислов наблюдается их взаимная нейтрализация, что показано на рис.1.

Введение в состав щелочного стекла окислов тяжёлых металлов уменьшает tgδ т.к. ионы тяжёлых металлов препятствуют продвижению ионов лёгких металлов. В стёклах наблюдаются потери энергии на сквозную проводимость, на ионно-релаксационную поляризацию, на структурную поляризацию (в некоторых стёклах).

Поверхностная электропроводимость стёкол зависит от состава, типа загрязнения, влажности воздуха. Объёмная проводимость - ионная, за счёт ионов примеси. Пробивная напряжённость стёкол мало зависит от их состава. Пробой стёкол носит, как правило, тепловой характер. Стёкла можно рассматривать как твёрдые электролиты. Если электроды сделаны из Ag, Ni, то их ионы способны мигрировать под действием электрического поля на значительные расстояния (при U = 1B это расстояние равно 1 см). Золотые и платиновые электроды не дают этого эффекта.

Стёкла применяются для изготовления баллонов радиоламп, конденсаторов, изоляторов. Нашли применение также стеклоэмали. Для покрытия мощных проволочных резисторов эмаль получают из следующих материалов: 27% Pb, 70% H₃BO₃, 3% MgO₂. Это борно-свинцовое стекло, окрашенное в коричневый или зелёный цвет соответствующим окислом. Для увеличения водостойкости и теплостойкости к шихте добавляют SiO₂. Эмаль получается сплавлением шихты, выливанием расплава тонкой струйкой в холодную воду с последующим размолом полученной фритты в порошок. Для нанесения эмали изделия покрывают этим порошком, затем нагревают до t=600°C. Порошок оплавляется и превращается в эмаль.

Из бесщёлочного стекла изготовляется стекловолокно. Оно получается выдавливанием длинных нитей (до 20 км) из расплавленного стекла с последующим промасливанием нитей, которые наматываются на барабан. Нити прочны как сталь, их толщина 3-7 мкм. Из нитей ткутся ткани, которые применяются для изготовления стеклотекстолитов.

Из стёкол изготавливаются также ситаллы (стеклокерамика). Ситаллы имеют мелкокристаллическое строение, обладают высокой прочностью, служат подложками гибридных интегральных микросхем. Если кристаллизация ситалла происходит под действием тепла – термоситаллы. Их ε’ не зависит от частоты до 10¹⁰ Гц.

Графики зависимости tgδ и ε’ от температуры для ряда стёкол на рис. 2- 4.

Выпускаются также закаленные стёкла – сталиниты, а также слоистые стёкла (с плёнками полимеров) - триплексы.

Халькогенидные стёкла обладают электронной проводимостью, удельное сопротивление лежит в пределах 10^-3 – 10¹³ Ом_*см. Эти стёкла могут быть и диэлектриками полупроводниками. Они имеют низкую температуру размягчения (30 – 400°С).

Стекло 4As₂Se₃ имеет ε=12,25; tgδ = 10^-2-10^-3 и ρ_v=10¹³Ом*см.

Стекло 4As₂Se_3*As₂Se₃: ε=14,1; tgδ=10^-2-10^-3 и ρ_v=3,6*10⁹Ом*см.

Стекло 4As₂Se_3*2As₂Se₃: ε=20; tgδ=10^-2-10^-3 и ρ_v=10⁶Ом*см.

Халькогенидные стекла применяются в микроэлектронике.