Получение и обработка стекол

Стекло получается при быстром охлаждении расплавленного материала. Если вести охлаждение расплава медленно, то увеличивается вероятность перехода вещества в кристаллическое состояние; быстрое охлаждение с соответственно бы­стрым возрастанием вязкости приводит к тому, что молекулы не успевают образо­вать кристаллическую решетку и остаются закрепленными в тех случайных поло­жениях, в которых они сказались к моменту повышения вязкости, препятству­ющего молекулярным перемещениям.

Стекла изготовляются в стекловаренных печах («варятся»). В крупном заводском производстве применяют ванные печи, а для получения небольших количеств стекла о точно выдержанным составом — горшковые печи. Сырьевые материалы: кварцевый песок SiO2, соду Na3CO3, поташ К2СО3, известняк СаСО3, доломит СаСО,Х XMgCO3, сульфат натрия Na2SO4, буру N82840,, борную кислоту Н3ВО3, сурик РЬ3О4, каолин, полевой шпат — измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают; полученная при этом шихта загружается в стеклопла­вильную печь. В печи шихта плавится, летучие составные части (Н2О, СО2, SO3) удаляются, а оставшиеся оксиды химически реагируют между собой, в результате чего получается однородная стекломасса, которая и идет на выработку стеклянных изделий.

Горячее стекло благодаря пластичности легко обрабатывается путем выдувания (ламповые баллоны, химическая посуда), вытяжки (листовое стекло, трубки, шта-бики), прессования и отливки; нагретые стеклянные части приваривают друг к другу, а также к деталям из других материалов (металлы, керамика и пр.) Листовое стекло получается на машинах Фурко посредством вытягивания полосы стекла сквозь фильеру в шамотной заслонке, погруженной в расплавленную стекломассу; бутылки, ламповые баллоны производятся на машинах-автоматах чрезвычайно большой производительности. Изготовленные стеклянные изделия должны быть подьергнуты отжигу, чтобы устранить механические напряжения, образовавшиеся в стекле при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге изделие нагревают до не­которой, достаточно высокой температуры (температура отжига), а затем подвергают весьма медленному охлаждению. Механическая обработка стекла в холодном состоянии сводится к резке (алмазом), сверловке, шлифовке и полировке. Свер­ловка стекла может производиться инструментами из сверхтвердых сплавов, на­пример победита, или латунными сверлами с применением абразивов. Металлизация стекла осуществляется различными путями в зависимости от особенностей изделия: нанесением металла методом возгонки в вакууме, методом вжигания серебряной или платиновой пасты, шоопированием и химическим методом осаждения серебра.

ТИПЫ СТЕКОЛ

В зависимости от назначения можно отметить следующие основные виды элек­тротехнических стекол:

1. Конденсаторные стекла используются в качестве диэлектрика конденсато­ров, применяемых в высоковольтных фильтрах, импульсных генераторах колеба­тельных контурах высокочастотных устройств. Они должны иметь по возможности повышенную 6, и (для высокочастотных конденсаторов) малый tgб.

2. Установочные стекла служат для изготовления установочных деталей, изо­ляторов (телеграфных, антенных, опорных, проходных), бус и т. п.

3. Ламповые стекла применяются для баллонов и ножек осветительных ламп различных электронных приборов и т. д. К ним предъявляется требование спа-иваемости с металлом (вольфрамом, молибденом и др.), что связано с подбором нужного значения а; (см. выше).

4. Стекла с наполнителем; к ним принадлежит пластмасса горячей прессовки из стекла и слюдяного порошка — микалекс (стр. 181).

По химическому составу технические силикатные стекла могут быть разбиты на три группы:

1. Щелочные стекла без тяжелых оксидов или с весьма незначительным со­держанием их. К ним принадлежат наиболее распространенные в быту оконные, бутылочные и тому подобные стекла, а также стекла «пайрекс», имеющие довольно малое значение щ (около 3,3-10~6 К"1) и сравнительно стойкие к термоударам.

2. Щелочные стекла с большим количеством тяжелых оксидов. К ним при­надлежат флинты с содержанием РЬО и кроны с содержанием ВаО, применяемые в качестве оптических и электроизоляционных стекол. Эти стекла имеют высокую ег и малый tg б. К флинтам принадлежат специальные конденсаторные стекла с по­вышенным значением ег (около 8).

3. Бесщелочные стекла — кварцевое стекло, а также стекла с очень малым содержанием щелочных оксидов применяются для оптических, электроизоляцион­ных и различных специальных целей.

Выпускаемые промышленностью стекла получают определенные номера, или марки.

СТЕКЛОЭМАЛИ

Стеклоэмалями или просто эмалями (не смешивать с лаковыми эмалями!) на­зываются стекла, наносимые тонким слоем на поверхность металлических и других предметов с целью защиты от коррозии, придания определенной окраски и улуч­шения внешнего вида, создания отражающей поверхности (эмалированная посуда, абажуры, рефлекторы, декоративные эмали и т. п.). Эмали получаются сплавлением измельченных составных частей шихты, выливанием расплавленной массы тонкой струей в холодную воду и размолом полученной фритты на шаровой мельнице в тонкий порошок. Иногда к фритте перед ее размолом добавляются небольшие количества глины и других веществ. Для нанесения эмали на различные предметы нагретый в печи до соответствующей температуры предмет посыпается порошком эмали, которая оплавляется и покрывает его прочным стекловидным слоем; если требуется, покрытие повторяется несколько раз до получения слоя нужной тол­щины; во время оплавления эмалируемый предмет (например, трубчатый резистор) может медленно вращаться в печи для более равномерного покрытия. Важно, чтобы а; эмали был приблизительно равен щ материала, на который наносится эмаль, иначе эмаль будет давать мелкие трещины (цек) при резкой смене температур. При эмалировании предметов из стали или чугуна для улучшения сцепления эмали с ме­таллом производят предварительное покрытие металла грунтовой эмалью (с со­держанием оксидов никеля или кобальта); на нее уже наносится основная эмаль любой окраски. Важная область применения стеклоэмалей в качестве электроизо­ляционных материалов — покрытие трубчатых резисторов. В этих резисторах на наружную поверхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка (из ни­хрома или константана), поверх которой наплавляется слой эмали, создающий изо­ляцию между отдельными витками обмотки и окружающими предметами и защища­ющий обмотку от влаги, загрязнения и окисления кислородом воздуха при высо­кой рабочей температуре (примерно 300 °С). Кроме того, стеклоэмали используются в электроаппаратостроении для получения прочного и нагревостойкого электро­изоляционного покрытия на металле, а также для устройства вводов в металлические вакуумные приборы. Стеклоэмали применяются и в качестве диэлектрика в неко­торых типах конденсаторов.

СТЕКЛОВОЛОКНО

Волокна и ткани. Стекло в толстом слое — хрупкий материал, но тонкие стек­лянные изделия обладают повышенной гибкостью. Весьма тонкие (диаметром 4— 7 мкм) стеклянные волокна имеют уже настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться приемами текстильной технологии. На рис. 6-36 дана зависимость прочности при растяжении такого волокна от его диаметра. Большая гибкость и прочность стекловолокна объясняется ориентацией молекул поверхностного слоя стекла, имеющей место при вытягивании стекловолокна из расплавленной стекло­массы и его быстром охлаждении.

Стекловолокно получают сле­дующим образом: стекло расплав­ляют в изготовленной из тугоплав­кого сплава лодочке (рис. 6-37), которая накаливается пропуска­нием через нее электрического тока, В дне лодочки имеются отверстия (фильеры) диаметром около 1 мм. Расплавленная стекломасса под действием собственного веса мед­ленно вытекает сквозь отверстия в виде нитей, диаметр которых примерно равен диаметру отвер­стий. Выходящая из фильеры нить наматывается на быстро вращаю­щийся барабан, увлекается им с очень большой скоростью (около 30 м/с), и, пока она еще не успела полностью охладиться и затвердеть, вытягивается в тонкое волокно. Отдельные волокна числом до ста — по числу фильер в лодочке (на рис. 6-37 показаны для про­стоты только ДЕе нити), соединя­ются в одну прядь маслом, подава­емым из замасливателя. Благодаря наличию замаслпвателя при даль­нейшей перемотке нити с барабана не происходит спутывания волокон из различных прядей.

Из стеклянных нитей, скру­ченных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани, ленты и шланги; эти же нити используют для изоляции обмоточных проводов. Ткани и ленты из стеклянного волокна для целей электрической изоляции имеют обычно толщину от 0,02 до 0,7 мм. Стеклянные ткани используются в произ­водстве нагревостойких стеклотканей и стеклотекстолитов (см. выше). Короткое стекловолокно употребляется как наполнитель в пресс-порошках. Преимущества стеклянной волокнистой изоляции по сравнению с органическими волокнами: вы­сокая нагревостойкость, а также высокая механическая прочность, относительно малая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. По трем по­следним показателям стеклянное волокно выгодно отличается и от асбеста. Поэтому стеклянную изоляцию можно применять для наиболее трудных условий эксплуатации ' (при высокой температуре, большой влажности и пр.). Недостатки стекловолокна: малая эластичность (удлинение перед разрывом всего около 2%), пониженная по сравнению с органическими волокнами гибкость, а также малая стойкость по отношению к истиранию — вот почему стеклянная изоляция может сравнительно легко повреждаться при задевании об острые края пазов электрических машин.

Световоды. Своеобразное применение стекловолокна—изготовление свето­водов. Это жгуты, скрученные из волокон, имеющих сердцевину и оболочку из стекол разного состава, с различными показателями преломления «х и иа, причем Я! сердцевины больше п2 оболочки. Световой луч, падая из среды, оптически более плотной (сердцевина), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной, под углом, большим предельного угла, испытывает полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, идет вдоль волокна, не выходя в окружающее простран­ство. Изображение целого освещенного объекта передается по "изогнутому произ­вольным образом световоду в виде мозаики, состоящей из отдельных точек, каждая из которых соответствует одному стекловолокну (рис. 6-38). Диаметр двухслойного стекловолокна выбирается 20—30 мкм; в световоде диаметром 5—6 мм помещается несколько десятков тысяч волокон. Для правильной, без искажений, передачи изображений по световоду необходимо, чтобы отдельные волокна в сечении приемного конца световода 2 были фиксированы в таком же порядке, как в сечении переда­ющего конца /. Возможно также изготов­ление световодов из прозрачных органиче­ских полимеров, причем также должно соблюдаться соотношение между показа­телями преломления оболочки п2 и серд­цевины пг в виде п2 < Л1- Полимерные све­товоды более гибкие, но менее нагревос-тойки по сравнению со стеклянными. Воз­можно также изготовление плоских свето­водов, в частности в виде покрытий на соот­ветствующих подложках (печатные платы).

СИТАЛЛЫ

Изготовляются путем кристал­лизации стекол специального со­става (название «ситалл» — сокращение слов «силикат» и «кристалл»). Они занимают промежуточное положение между обычными стеклами и керамикой (§ 6-17), поэтому иногда их называют стеклокерамикой. Ранее процесс частичной кристаллизации (расстекловывание) при изготовлении стеклянных изделий, приводящий к появлению не­однородности строения и ухудшению прозрачности стекла, считался весьма нежелательным. Однако, если в состав склонного к кристалли­зации стекла ввести добавки веществ, образующих зародыши кри­сталлизации, удается стимулировать процесс кристаллизации стекла по всему его объему и получить обладающий ценными химическими и электроизоляционными свойствами материал с однородной микро­кристаллической структурой. В отличие от стекол ситаллы непро­зрачны, но многие из них в тонком слое заметно пропускают свет. Технология изготовления ситалловых изделий включает в себя несколько операций. Сначала изготовляют обычными способами изделия из стекломассы специально подобранного состава. Затем их подвергают двухступенчатой термообработке: на первой ступени (500—700 °С) происходит образование зародышей кристаллизации, а на второй (900—1100 °С) —развитие кристаллической фазы. Со­держание кристаллической фазы в материале после второй ступени термообработки составляет 80—95 % и даже более; размеры опти­мально развитых кристаллов —до 2 мкм. Усадка при кристалли­зации — до 2 %. В качестве стимуляторов кристаллизации приме­няются ТЮ2, FeS, фториды и фосфаты некоторых металлов и другие вещества. Получаемые по описанной выше технологии ситаллы на­зывают иногда термоситаллами (за рубежом — пирокерамами). Другой тип ситаллов — фотоситаллы (фотокерамы).

Ситаллы применяются для изготовления ответственных изделий. Помимо хороших электроизоляционных свойств, важную роль играют высокая механическая прочность и пониженная (по сравнению со стеклами) хрупкость, возможность широкого варьирования зна­чений ah высокая точность размеров изделий. Особую область применения имеют фотоситаллы: после воздействия на заготовки из светочувствительного стекла (возможно по определенному рис-сунку, сквозь отверстия в трафарете) ультрафиолетового облучения и кристаллизации засвеченной заготовки последняя может подвер­гаться травлению в кислоте, причем менее кислотостойкая закри­сталлизовавшаяся часть изделия растворяется; таким образом, по­лучается изделие сложной формы, которое вновь подвергается все­стороннему облучению и дополнительно кристаллизуется уже при более высокой температуре.