Бесщелочные силикатные стекла

Силикатные стекла

Неорганические стекла

Стеклами называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава. Исходные порошки плавятся в стекловаренных печах, затем формовка изделий (выдуванием, вытяжкой…) из полученной стекломассы и очень быстроеохлаждение (чтобы частицы не успели образовать кристаллическую решетку). Отжиг при высокой температуре полученных стекол (с последующим медленным охлаждением) для устранения механических напряжений в стеклах.

По химическому составу стекла делятся на три основных типа:

галогенидные - на основе галогенидов, главным образом BeF₂ (фторберилатные стекла)

халькогенидные - на основе сульфидов, селенидов, теллуридов (As₂S₃, As₂S₃). Большинство из этих стекол имеют электронную электропроводность.

оксидные - на основе оксидов (SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O₅) - силикатные, боратные, германатные, фосфатные. Наиболее широко применяются.

Устойчивы к воздействию кислот, за исключением плавиковой (HF), в которой они растворяются, но малостойки к щелочам. Подразделяются на 3 группы:

Кварц и стекла с очень малым содержанием щелочных оксидов – высокая нагревостойкость и электрическое сопротивление, из них трудно изготавливать изделия сложной конфигурации.

Кварцевое стекло – выплавляется из горного хрусталя и чистых кварцевых песков. Наименьшие e= 3.8, tgδ =0.0002, температурный коэффициент линейного расширения и наибольшие гидролитическая стойкость и r_v = 10¹⁵ Ом×м по сравнению с другими стеклами. Применяется для изготовления линз, баллоны ламп УФ излучения, высоковольтных изоляторов для высоковольтных линий, деталей переменных конденсаторов…

Щелочные без тяжелых окислов силикатные стекла (или почти без них).

Натриевые, калиевые, натриево-калиевые. Оконное, бутылочное и прочие бытовые стекла. Низкая нагревостойкость и электрическое сопротивление. Легко обрабатываются при нагреве. Окислы щелочных металлов вводят для улучшения технологических характеристик (↓ Т _варки, ↑ интервала размягчения), но при этом ↓ r_v и ↑ tgδ. Все это из-за разрыхления кислородного каркаса (обрыва связей) → ↑ ионно-релаксационная поляризация → ↑ e и tgδ, ↑ количество ионов, участвующих в электропроводности → ↓ r_v.

↓ R _{щелочного иона} → ↑ μ _иона → ↑ γ (↓ r_v и r_s).

Радиус Na⁺ < радиуса K⁺ → введение Na₂O более отрицательно влияет на электрические свойства стекла.

Нейтрализационный эффект – при одновременном присутствии двух щелочных окислов в составе стекла его электрические свойства могут быть лучше чем при наличии одного щелочного окисла в таком же количестве.

Щелочные силикатные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов

Силикатно-свинцовые и бариевые. Высокая e (у конденсаторных стекол e = 8) и низкий tgδ. Удовлетворительная обрабатываемость при нагреве.

Свойства стекол ( см. также выше).

У большинства стекол ионная электропроводность. Для разных стекол r_v= 10⁶–10¹⁵Ом×м, e= 3.8-16.2, tgδ =0.0002-0.01.

Наиболее сильно ↓ электропроводность стекол SiO₂ и B₂O₃.

Диэлектрические потери в стеклах складываются из потерь проводимости и потерь релаксационных и структурных.

↑ Т (нагрев) → ↑ e стекла.

Влажная среда → ↓ r_s стекол.

Электрическая прочность стекол при постоянном напряжении в однородном электрическом поле может достигать до 500 МВ/м. Основное влияние на Е_пр оказвают воздушные включения в стекле, а не состав стекла. В переменном электрическом поле Е_пр = 17 - 80 МВ/м.

Гидролитическая стойкость стекол сильно уменьшается при введении в состав стекла щелочных оксидов.