Пресс-порошки и изготовление фасонных изделий
Пресс-порошки, т. е. отвешенные в нужных соотношениях, измельченные, высушенные и тщательно перемешанные составные части пластмасс, служат исходным материалом для изготовления большинства изделий самой разнообразной формы. Пресс-порошки, содержащие наполнитель, могут изготовляться либо сухим способом, т. е. измельчением и перемешиванием наполнителя и связующего в твердом состоянии, либо мокрым (лаковым) способом, с предварительной пропиткой наполнителя раствором связующего в подходящем растворителе, последующим нагревом для испарения растворителя и измельчением полученного материала. Лаковый способ требует расходования растворителя, но в некоторых случаях обеспечивает лучшую однородность пресс-порошка. При изготовлении пресс-порошков применяют мельницы, мешалки, вальцы, вакуумные сушилки, сита для просеивания готового порошка и другое оборудование.
Прессование фасонных изделий. Обычно его производят на гидравлических прессах, обеспечивающих создание достаточно большого давления. В пресс-форму, изготовленную из твердой стали и хромированную, засыпают требуемое количество
температура пресс-формы 155-160 °С, время выдержки в пресс-форме под давлением и при нагреве 0,5—1 мин на каждый миллиметр толщины прессуемого изделия) получаются изделия со следующими свойствами: плотность 1,33—1 40 Мг/м8-предел прочности при растяжении не менее 30 МПа, при сжатии не менее 150 МПа-' ?о^ЛЬ^ооДдарная вязкость не менее 4,2 кДж/ма; теплостойкость по Мартенсу «™ы, ; к0ЭФФ"циент теплопроводности 0,16-0,22 Дж/(м-К); температурный коэффициент линейного расширения а, = (4,9—5,3) • 10"? К"1; водопоглощение v mioX* 6ojiees°>25 % по массе; удельное объемное сопротивление не менее 5 X а ш им-м; tg о не более 0,05 (при нормальной температуре н частоте 50 Гц).
Свойства термопластиков. Пластмассы из полиэтилена, полистирола и других неполярных полимеров без наполнителей обладают весьма малым tg б, но недостатком большинства этих пластмасс за исключением полипропилена и сшитого полиэтилена является их сравнительно низкая нагревостойкость.
Пластмасса из поливинилхлорида (без наполнителей и пласт ифи-каторов)^ называемая винипластом, изготовляется в виде листов толщиной от 0,3 до 10 мм. При горячей прессовке в этажерочных прессах из уложенных в стопки листов получается материал в виде монолитных пластин или досок. Кроме того, из винипласта изготовляются трубы, стержни и различные фасонные изделия. Винипласт имеет предел прочности при растяжении не менее 50 МПа, относительное удлинение перед разрывом от 10 до 50 %, удельную ударную вязкость не менее 120 кДж/м2; он обладает ничтожной гигроскопичностью и высокой стойкостью ко многим растворителям и химически активным веществам. Электроизоляционные свойства винипласта-р = J013 Ом-м; р5 = 10" Ом; ег = 3,2-4,0; tg б = 0,01 — 0,05;" £пр — 15-4-35 МВ/м. Теплостойкость по Мартенсу не ниже 65 °С. Винипласт применяется для изоляции в разного рода электрической аппаратуре, в частности, работающей в условиях высокой влажности и воздействий химически активных веществ, но при относительно невысокой рабочей температуре.
СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ
Широкое применение в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов имеют слоистые пластики, в которых наполнителем является тот или иной листовой волокнистый материал. К этим материалам относятся гетинакс, текстолит и др.
Гетинакс получается посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Для производства гетинакса берется прочная и_ нагревостойкая пропиточная бумага (§ 6-12). Пропитка ее смолой может производиться различными способами. Наиболее распространенным способом в течение ряда лет был способ пропитки лаком, т. е. раствором бакелита А в спирте, с последующей сушкой В пропиточной машине бумага (или ткань —для производства текстолита, см. ниже), разматываясь с рулона, проходит через ванну с лаком, поднимается в сушильную шахту и через валики наматывается на приемный механизм. Существенным недостатком этого способа пропитки является расходование больших количеств дорогого растворителя —спирта, пары которого при сушке удаляются, 152
к тому же применение легкогорючего спирта повышает пожарную опасность производства.
В СССР была разработана технология производства слоистых электроизоляционных пластиков, для которой характерна пропитка бумаги или ткани жидкими водными суспензиями фенолформаль-дегидных смол; при сушке пропитанной бумаги вода испаряется. Данная технология производства слоистых пластиков совершенно не требует применения спирта, и внедрение ее в производство некоторых марок слоистых пластиков дало большую экономию. Пропитанная (бакелитизированная) бумага нарезается листами требующегося формата, собирается пачками нужной толщины и укладывается между стальными плитами гидравлического пресса. Прессы для производства слоистых пластиков с целью повышения производительности выполняются с располагаемыми в несколько «этажей» плитами и заготовки из пропиточной бумаги закладывают одновременно во все этажи. Во время прессования через просверленные в плитах каналы пропускается пар, который нагревает плиты, от плит теплота передается прессуемому материалу, бакелит в нем расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными листами ее и, запекаясь (переходя в стадию С), твердеет и связывает отдельные слои бумаги. При прессовке гетинакса обычно устанавливают давление около 1 МПа; температура плит пресса 160—165 °С; время выдержки под давлением от 2 до 5 мин на каждый миллиметр толщины досок, считая с момента достижения плитами пресса указанной выше температуры. По окончании прессования, перед выемкой отпрессованных досок, последние охлаждаются примерно до температуры +60 °С, для чего подача пара в каналы плит прекращается, и в эти же каналы пропускается холодная вода. У отпрессованного материала края обрезают под прямым углом циркульной пилой.
Согласно ГОСТ 2718—74 листовой электротехнический гетинакс выпускается различных марок (табл. 6-5). Отметим только две из них: 1 —для панелей распределительных устройств, щитов, изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения (выпускается в листах толщиной от 0,2 до 50 мм); V — для деталей, работающих в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения (выпускается в листах толщиной от 5 до 50 мм). Для всех марок гетинакса длина—не менее 700 мм, ширина —не менее 550 мм. Электрическая прочность гетинакса в направлении, перпендикулярном слоям, Епр ~ 20—40 МВ/м, диэлектрическая проницаемость ег от 5 до 6. Дугостойкость гетинакса, как и других пластиков на фенолформальдегидном связующем, невысока: после воздействия разряда на поверхности материала остается науглероженный след, обладающий значительной электрической проводимостью (явление тренинга). Слоистая структура гетинакса, как и других слоистых пластиков (а также слюды и слюдяных материалов, см. § 6-18), приводит к заметной анизотропии свойств в направлениях, перпендикулярном и параллельном слоям. Так, например, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50—100 раз, а электрическая прочность вдоль слоев в 5—8 раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс может обрабатываться режущим инструментом из твердых сплавов, причем скорости резания при небольших подачах велики; станки должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией для удаления пыли; охлаждение ведется воздушной струей. Торцы штампованных деталей рекомендуется защищать электроизоляционным лаком. Не следует снимать фрезой поверхностный слой материала, ибо такая обработка ведет к ухудшению влагостойкости гетинакса. Гетииакс нашел применение в высоко- и низковольтном аппарато-приборостроении, а также в технике связи.
Фольгированный гетинакс. Для изготовления печатных схем низковольтных цепей аппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной стороны или с двух сторон электролитической красно-медной фольгой толщиной 0,035—0,05 мм. На рис. 6-31 показан печатный монтаж, полученный травлением фолыированного гетинакса.
Текстолит. Этот пластик аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Свойства различных марок листового электротехнического текстолита определяются ГОСТ 2910—74. Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани (например, марка Б, см. табл. 6-5) в общем близки к свойствам гетинакса; текстолит имеет повышенную удельную ударную вязкость, стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию (при вдавливании клина в торец доски). Текстолит в пять-шесть раз дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно выше стоимости бумаги, и применяется лишь в отдельных случаях для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей
и т. п.). Текстолит марки ЛТ на основе синтетической (лавсановой) ткани с пропиткой эпоксидно-фенолформальдегидной смолой более влагостоек, но его нагревостойкость (до 85 СС) понижена.
Другие виды слоистых пластиков. Это текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными — с обеих сторон —слоями хлопчатобумажной ткани); древеснослоистые пластики (ДСП) —типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоляционными свойствами и более гигроскопичные; более нагревостой-кие слоистые пластики — на неорганических основах: асбогетинакс на основе асбестовой бумаги и асботекстолит на основе асбестовой ткани (см. § 6-19); наиболее нагревостойкие, влагостойкие и механически прочные слоистые пластики — стеклотекстолиты на основе неорганической —стеклянной (см. § 6-16) ткани с нагревостойкими связующими (см. характеристики для стеклотекстолита марки СТЭФ на эпоксидном связующем в табл. 6-5). Наряду со стеклотекстоли-тами выпускаются и более дешевые слоистые пластики на основе не стеклоткани, а стекломата, получаемого без тканья, т. е. без переплетения нитей друг с другом.
Фасонные и намотанные изделия. Помимо описанных выше листовых слоистых пластиков, находят применение и фасонные слоистые изделия. Таковы намотанные изделия, известные под названием гетинаксовых (бакелитовых) трубок (внутренний диаметр от 10 до 30 мм) и цилиндров (внутренний диаметр от 30 до 600 мм). Бакелитовые трубки и цилиндры выпускаются различной длины при толщине стенки от 1,5 до 3 мм. Они изготовляются из лакированной с одной стороны (на специальных лакировочных машинах) намоточной бумаги (§ 6-12), более тонкой и плотной, чем пропиточная бумага, которая идет на производство листового гетинакса. Лакированная бумага туго наматывается на металлическую оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных изделий уступают свойствам листового гетинакса. Изготовляются также текстолитовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали сложной формы, в частности гасильные камеры для масляных выключателей. Текстолит применяется и как конструкционный материал, например, для изготовления подшипников и бесшумных зубчатых передач. Зубчатые колеса для таких передач прессуются из набранных в стопки заготовок, отштампованных из пропитанной ткани.
ЭЛАСТОМЕРЫ
Большое значение в самых разнообразных отраслях техники и в быту имеют материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ —так называемых эластомеров.
НАТУРАЛЬНЫЙ КАУЧУК
Натуральный каучук получается из особых растений — каучуконосов. Большая часть каучуконосов содержит каучук в млечнсм соке (латексе), представляющем собой взвесь в воде микроскопических частиц округленной формы (глобул); глобулы имеют тонкую оболочку из белковых веществ и жирных кислот. Каучук выделяется при коагуляции латекса и удалении примесей. По химическому составу натуральный каучук представляет собой полимерный углеводород, имеющий состав (C5Hs)n и строение, характеризуемое наличием двойных связей:
Уже при нагреве до температуры 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах он хрупок. Каучук растворяется в углеводородах и сероуглероде. Раствор каучука в бензине, называемый обычно резиновым клеем, может применяться для прочного склеивания каучука и резины. Высокая эластичность каучука связана с зигзагообразной, «шарнирной» формой цепочек его молекул; при действии на каучук растягивающего усилия форма цепочки приближается к прямолинейной. Каучук — аморфное вещество, но в растянутом состоянии он дает рентгенограммы, характерные для кристаллических тел, имеющих упорядоченное расположение молекул в пространстве. После снятия растягивающего усилия каучук вновь приобретает свойства аморфного тела. Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и пониженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устранения указанных выше недостатков каучук подвергают так называемой вулканизации, т. е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей цепочечных молекул и сшивание цепочек через атомы —S— с образованием пространственной структуры. РЕЗИНА
Вулканизация улучшает как нагревостойкость, так и холодостойкость каучука, повышает его механическую прочность и стойкость к растворителям. В зависимости от количества серы, добавляемой к каучуку, при вулканизации получают: при содержании 1-—3 % серы —мягкую резину, обладающую весьма высокой растяжимостью и упругостью, а при 30—35 % серы —твердую резину (эбонит) —твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Относительное удлинение перед разрывом для технических резин составляет 150—500 %, а для эбонита —2—6 % (остаточное удлинение — соответственно 10—45% и 0,8—1,2%).
Помимо каучука и серы при изготовлении резины и эбонита в состав резиновой смеси вводят различные наполнители (мел, тальк), а также красители, катализаторы (ускорители) процесса вулканизации и другие вещества. Резину широко применяют в электропромышленности для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких переносных проводов и кабелей. Она употребляется также для изготовления защитных перчаток, галош, ковриков и изоляционных трубок, применяемых при монтаже проводов. К недостаткам резины как электроизоляционного материала следует отнести низкую нагревостойкость (при нагреве резина стареет, становится хрупкой и трескается), малую стойкость к действию неполярных жидкостей (бензол, бензин); малую стойкость к действию света, особенно ультрафиолетового, под
влиянием которого резина быстро стареет. Губительно действует на резину озон, образующийся при ионизации в воздушных включениях или в окружающем воздухе: озон резко ускоряет старение резины, в особенности работающей в растянутом состоянии; в этих случаях образующиеся при начавшемся старении трещины имеют тенденцию к увеличению и озон по ним проникает в глубь материала. В связи с этим применение резины для работы при высоких напряжениях, когда может иметь место ионизация воздуха, сопряжено с большими трудностями. Содержащиеся в резине остатки свободной (не связанной химически с каучуком) серы могут оказывать вредное действие на медь, соприкасающуюся с резиной, особенно при повышенной температуре: медь соединяется с серой, образуя сернистую медь. Поэтому недопустимо непосредственно накладывать обычную резиновую изоляцию на медную жилу кабельного изделия; предварительно медь покрывают так называемым разделителем —слоем олова либо другого не подверженного влиянию серы металла, или бумагой. На алюминиевые жилы резина может накладываться непосредственно, без разделителя.
В необходимых случаях применяют тиурамовую резину, при изготовлении которой берут не чистую серу, а тиурам —органическое сернистое соединение, при нагреве передающее часть содержащейся в нем серы каучуку, что и обеспечивает вулканизацию; тиура-мовая резина не содержит свободной серы, и потому ее можно накладывать непосредственно на медь. Кроме того, тиурамовая резина обладает более высокой нагревостойкостыо: так, в кабельных изделиях для сернистых резин допускается рабочая температура +55 °С, а для тиурамовых резин +65 °С (если тиурамовая резина защищена свинцовой или поливинилхлоридной оболочкой —даже до +80 °С).
Резины, содержащие в качестве наполнителя сажу и имеющие поэтому черный цвет, обладают хорошими механическими свойствами, но электроизоляционные свойства их низки. Поэтому сажевые резины в электротехнике используют лишь в тех случаях, когда от них не требуются высокие электрические свойства; пример — наружные защитные оболочки (шланги) резиновых кабелей.
Чистый каучук практически неполярен; он имеет р около 10" Ом-м; ег = 2,4; tg б = 0,002. Примерный характер изменения е,. и tg б при вулканизации каучука, имеющего различное количество серы, показан на рис. 6-32; рост гг и tg б вызван усилением полярных свойств материала из-за влияния атомов серы, но при большом содержании серы (материал типа эбонита) ориентация дипольных молекул затрудняется увеличенной вязкостью вещества. Свойства резины сильно зависят от состава резиновой смеси и от технологии; для обычных электроизоляционных резин р лг « Ю13 Ом-м; ег = Зч-7; tg б = 0,02-г-0,10 (для сажевых резин — до 0,25); £пр = 20—30 МВ/м.
СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК
В течение многих лет натуральный каучук добывали исключительно в тропических странах, сначала из дикорастущих каучуконосных деревьев (Бразилия), затем из тех же деревьев, но разводимых на каучуковых плантациях (Индонезия, Шри Ланка и др.).
До Великой Октябрьской социалистической революции каучук в Россию полностью ввозился из-за границы. В дальнейшем эта задача была разрешена как нахождением отечественных растений-каучуконосов (например, кок-сагыз), так и, главным образом, разработкой способов промышленного получения синтетического каучука—СК; (натуральный каучук — НК). Сырьем для получения СК служит спирт, нефть и природный газ. В кабельной про мышленности резины для защитных оболочек изготовляются исключительно на основе СК, а в изоляционных смесях более половины НК заменяется СК.
Бутадиеновый каучук (СКВ) получается при полимеризации газообразного углеводорода бутадиена (дивинила):
Н2С=СН-СН=СН2.
При полимеризации в присутствии катализатора (металлического натрия) бутадиен дает СКВ, цепочки молекул которого имеют вид
... — СН2 — СН = СН — СН2 — ...
Таким образом, по составу СКВ близок к НК, который можно представить как полимер углеводорода изопрена (метилдивинила):
Н2С=С—СН=СН2.
Синтетический бутадиеновый каучук, используемый в качестве электрической изоляции, должен быть тщательно отмыт от остатков катализатора (натрия), которые могут ухудшать его электроизоляционные свойства. При нагреве до 200—300 °С СКВ (без добавки вулканизирующих веществ) дополнительно полимеризуется в результате частичного разрыва двойных связей и переходит в эскапон, по механическим свойствам приближающийся к эбониту, но более нагрезостойкий и мало подверженный действию кислот и органических растворителей. По мере увеличения времени полимеризации материал получается все более твердым. Эскапон, название которого происходит от первых букв слов «синтетический каучук» и фамилии изобретателя материала Л. Т. Пономарева, имеет высокие электро-158
изоляционные свойства (р около 1015 Ом-м; ег = 2,7ч-3,0; tg б около 510~4), что объясняется неполярной природой этого пространственного полимера чисто углеводородного состава. На основе эскапона изготовляется целый ряд электроизоляционных материалов (лаки, лакоткани, компаунды и т. п.).
Бутадиен-стирольный каучук (СКС) получается при совместной полимеризации бутадиена и стирола. По электроизоляционным свойствам СКС приближается к НК. Он обладает повышенной нагрево-стойкостью, маслостойкостыо и бензиностойкостью.
Бутилкаучук получают совместной полимеризацией изобутилена Н2С=С(СН3)2 с небольшим количеством изопрена или бутадиена. Число двойных связей в молекуле бутилкаучука значительно меньше, чем в СКВ или СКС; этим обусловлена относительно высокая нагревостойкость бутилкаучука и резин на его основе, а также повышенная его стойкость к действию кислорода, озона и кислот. Его газопроницаемость в 10—20 раз меньше, чем НК; эластичность его невысока, но сохраняется и при температурах ниже минус 60 °С, что характеризует высокую холодостойкость бутилкаучка.
Это полярный (вследствие присутствия атомов хлора) материал с невысокими электроизоляционными свойствами; зато он сравнительно стоек к действию масла и бензина, а также озона и других окислителей, благодаря чему может применяться для защитных оболочек кабельных изделий, маслостойких прокладок и т. п. Он более устойчив к тепловому старению и менее проницаем для газов,
чем НК.
Бутадиен-нитрилакрильный каучук (СКН) получается совместной полимеризацией бутадиена и акрилнитрила Н2С=СН—CN. Он также имеет дипольную природу (из-за наличия сильно полярных групп —CN) и невысокие электроизоляционные свойства. Все синтетические каучуки углеводородного состава (СКВ, СКС, бутилкаучук), как и НК, набухают и частично растворяются в нефтяных маслах; СКН и, как уже отмечалось, хлоропреновые каучуки более стойки к действию растворителей. Хлоропреновые каучуки обладают пониженной горючестью (не распространяют горение).
Кремнийорганические каучуки. В основе строения молекулы такие каучуки имеют полисилоксановую цепочку (см. стр. 124). Они вулканизируются лишь при введении специальных добавок, например органических пероксидов. Кремнийорганические каучуки обладают высокой нагревостойкостью (около 4-250 °С), хорошей холодостойкостью (сохраняют гибкость при температуре от —70 до —100 °С) и хорошими электроизоляционными свойствами, но имеют невысокие механические свойства, малостойки к действию растворителей и дороги. По механическим свойствам рассмотренные
выше каучуки могут быть разделены на две группы. Резины из ка-учуков первой группы имеют относительно высокую прочность при растяжении даже без добавления наполнителей. Резины из каучу-ков второй группы обладают высоким пределом прочности при растяжении только при наличии в их составе активных наполнителей; каучуки второй группы не обладают способностью кристаллизоваться, как об этом упоминалось при описании НК. К каучукам первой группы относятся НК, хлоропреновые каучуки и бутил-каучук, а к каучукам второй группы —СКВ, СКС и кремнийор-ганнческие каучуки.
Изделия из различных резин изготовляются с помощью прессования (§ 6-13). Нанесение изоляции защитных оболочек из резиновых смесей на кабельные изделия производится чаще всего на шприц-машинах, аналогичных по своему устройству экструдерам, служащим для наложения термопластов (см. стр. 151). Изолированные или покрытые резиновой смесью кабельные изделия подвергаются вулканизации. Прогрессивным способом является вулканизация на агрегатах непрерывной вулканизации (АНВ), когда провод или кабель непосредственно после червячного пресса пропускается через имеющее несколько десятков метров в длину нагревательное устройство, в котором резиновая смесь и вулканизируется.
Вопрос 25
СТЁКЛА
Стекла — неорганические квазиаморфные вещества — представляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклоооб-разующих оксидов, т. е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, В.2О8), в состав стекол входят и другие оксиды: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные СаО, ВйО, а также PbO, AI2O3 и др. Основу большинства стекол составляет SiO2; такие стекла называются силикатными.
СВОЙСТВА СТЕКОЛ
Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки.
Плотность. Стекла имеют плотность, которая колеблется от 2 до 8,1 Мг/м3. К тяжелым стеклам принадлежат стекла с высоким содержанием свинца (хрустали, флинты). Плотность обычных силикатных стекол (например, оконного стекла) близка к 2,5 Мг/м3.
Механические свойства. Прочность стекол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв: предел прочности при сжатии составляет 6000—21 000 МПа, при растяжении — 100—300 МПа.
Тепловые свойства. Как аморфные вещества, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагреве вязкость стекол уменьшается постепенно; за температуру размягчения стекла принимается температура, при которой вязкость его составляет 10'—108 Па-с. Температуры размягчения большинства стекол находятся в пределах от 400 до 1600 °С; последнее значение соответствует кварцевому стеклу (состава 100 % SiO2). Добавки к SiO2,
в частности щелочные оксиды, понижают температуру размягчения. Значение а1 стекол различного состава изменяется в пределах от 0,55-10"6 К"1 (это значение также относится к кварцевому стеклу) до 15-10~в К"1; сб; играет большую роль в оценке стойкости стекол к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении снаружи предмета из стекла (или другого хрупкого материала) вследствие неравномерного распределения температур в наружном слое материала возникают механические (температурные) напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания стекла. При быстром нагреве поверхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в них создаются напряжения сжатия. Если же имеет место внезапное охлаждение поверхности стекла, то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенденция к отрыву друг от друга соседних участков этого слоя. Так как у стекол прочность при растяжении много меньше, чем прочность при сжатии (см. выше), то внезапное внешнее охлаждение более опасно, чем внезапный нагрев.
Из всех величин, входящих в правую часть этой формулы, именно а; меняется для стекол различного состава в наиболее широких пределах и имеет основное практическое значение для оценки стойкости стекла к термоударам. Тонкостенные изделия из стекла данного состава значительно более стойки к термоударам, чем толстостенные.
Температурный коэффициент линейного расширения стекол играет важную роль при спайке и сварке друг с другом различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло, при нанесении стеклоэмали на ту или иную поверхность. Необходимо подбирать значения а; стекла и соединяемых с ним материалов приблизительно одинаковыми, иначе при смене температур может произойти растрескивание стекла, нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Применяемые в практике названия стекла «вольфрамовое» и «молибденовое» объясняются не составом их, а тем, что значения а, этих стекол близки к щ вольфрама и соответственно молибдена, что весьма важно для электровакуумной техники.
Оптические свойства. Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам определенную окраску (СоО — синюю, Сг2О3 — зеленую, UOa — жел-
6 Богородицкий Н. П. и др.
тую), что используется при получении цветных стекол, эмалей и глазурей.
Большинство технических стекол, благодаря содержанию примеси оксидов железа, сильно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие менее 0,02 % Fe2O3, обладают прозрачностью для ультрафиолетовых лучей; весьма хорошо пропускает эти лучи кварцевое стекло, которое применяется в специальных «кварцевых» лампах, дающих ультрафиолетовое излучение.
Показатель преломления п различных стекол колеблется от 1,47 до 1,96; высокие значения п имеют тяжелые свинцовые стекла — хрустали.
Стекла, в состав которых входят элементы с малой атомной массой, весьма прозрачны для рентгеновских лучей; таково, например, специальное стекло, имеющее состав 83 % В2О3, 2,5 % ВеО и 14,5 % Li2O; это стекло нестойко к действию влаги и должно покрываться лаком; из него изготовляют «окошки» в рентгеновских трубках, сквозь которые рентгеновские лучи выходят из трубки наружу. Напротив, стекла с большим содержанием свинца сильно поглощают рентгеновские лучи.
Гидролитическая стойкость. Стойкость к действию влаги оценивается массой составных частей стекла, переходящей в раствор с единицы поверхности стекла при длительном соприкосновении его с водой; растворимость стекла увеличивается при возрастании температуры. Стекла с низкой гидролитической стойкостью обладают малым поверхностным удельным сопротивлением в условиях влажной среды. Наивысшей гидролитической стойкостью обладает кварцевое стекло; гидролитическая стойкость сильно уменьшается при введении в стекло щелочных оксидов.
Стекла состава Na2O-/n SiO2 (реже K20mSi02) с силикатным модулем т от 1,5 до 4,2 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—1,92 Мг/м3 называется жидким стеклом.
Силикатные стекла практически стойки к действию кислот, за исключением лишь плавиковой кислоты HF, но малостойки к щелочам. Специальные типы стекол с высоким содержанием В2О3 и А12Оа стойки к парам натрия, что важно для некоторых электроосветительных приборов.
Электрические свойства (см. также стр. 40, 42) в весьма большой степени зависят от их состава. Для различных технических стекол при нормальной температуре р = 106н-1015 Ом-м; ег = 3,8-4-16,2; tg 6 = 0,0002-0,01.
Для кварцевого стекла при 20 °С гТ = 3,8 и tg б = 0,0002; р при 200 °С составляет примерно 1015 Ом-м. Сильно уменьшает р и ps введение в стекло оксидов щелочных металлов; наличие имеющих меньший размер ионов натрия более вредно, чем наличие ионов калия (рис. 6-33). При воздействии на щелочное стекло постоянного напряжения происходит электролиз, который благодаря про-162
зрачности стекла можно наблюдать непосредственно: при длительной выдержке стекла под достаточно большим напряжением, в особенности при повышенной температуре, когда проводимость стекла велика, у катода наблюдаются отложения металла (обычно натрия) в виде характерных ветвистых образований — дендритов.
Стекла с большим содержанием щелочных оксидов при отсутствии или при малом содержании оксидов тяжелых металлов имеют значительный tg б, который при повышении температуры заметно возрастает (см. рис. 3-8). Одновременное присутствие в составе стекла двух различных щелочных оксидов увеличивает р и уменьшает tg б по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочной оксид (явление называется нейтрализационным или полищелочным эффектом, см. рис. 6-34 и 3-8). Стекла, содержащие в больших количествах тяжелые оксиды металлов (РЬО, ВаО), имеют низкий tg б даже при наличии в их составе щелочных оксидов.
Содержание щелочных оксидов (N2O в большей степени, чем К2О) повышает е, силикатных стекол (рис. 6-35). Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости а8г различных технических стекол находится в пределах от +30-10"6 до +500- 10~в К-1.
Поверхностная проводимость сильно зависит от состояния поверхности стекла, возрастая при ее загрязнении. При повышенной влажности окружающей среды поверхностная проводимость также возрастает, особенно у стекол, обладающих низкой гидролитической стойкостью (см. выше).
Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. Решающее влияние на £пр оказывают воздушные включения — пузыри в толще стекла. При постоянном напря-
жении в однородном электрическом поле электрическая прочность стекла весьма велика и достигает 500 МВ/м, При высоких частотах (а при высоких температурах — и при низких частотах и даже при постоянном напряжении) пробой стекла имеет электротепловой характер.