Химический состав и свойства оксидных стекол.

Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru

Составные части стекол
Al2O3, PbO, ZnO
Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru
SiO2, B2O3, GeO2, P2O5
Na2O, K2O, CaO, BaO
Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru
Оксиды, входящие в каркас стеклообразователя и разрушающие его структуру
Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru
Модификаторы
Стеклообразующие оксиды
Стеклообразующими, т.е. способными создавать пространственную сетку, являются помимо SiO2 также, например, B2O3, GeO, P2O3.

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).

Химический состав и свойства оксидных стекол. - student2.ru 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.

Параметры Оксиды, входящие в состав стекла
повышают параметр понижают параметр
1. Механические:    
модуль упругости Al2O3 B2O3, PbO
твердость SiO2 PbO, Na2O
2. Теплофизические:    
нагревостойкость SiO2, Al2O3 PbO, Na2O
теплопроводность SiO2, B2O3, Al2O3  
ТКЛР Na2O SiO2, B2O3, TiO2
3. Электрические:    
er Na2O, K2O, TiO2, PbO SiO2
tgδ Na2O, K2O SiO2, B2O3
EПР SiO2, Al2O3 Na2O

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.

Наши рекомендации