Неорганические стекла

Стекла – неорганические квазиаморфные твердые вещества, в которых отсутствует упорядоченность в распределения частиц. Стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные.

Свойства диэлектриков имеют только оксидные стекла. Их основу составляют стеклообразные окислы: SiO₂, B₂O₃, GeO₂, P₂O_5. Наиболее распространены силикатные стекла (доступны, дешевы, химически стойки). Получают в стекловарочных печах, сырьем служат SiO₂ (кварцевый песок), Na₂CO₃, K₂CO₃, CаCO₃, Na₂B₄O₇ (бура), H₃BO₃, Pb₃O₄ и т.д. Чтобы избежать кристаллизации быстро охлаждают. Т_Текуч.= 700-900^оС, Т_{стеклования}= 400-600 ^оС.

Силикатные стекла подразделяют:

1. бесщелочные (отсутствуют Na₂O, K₂O) – нагревостойки, высокое , но трудно обрабатываемые.

2. щелочные стекла без тяжелых окислов (натриевые и Na,K - ливые) – технологичны, но менее нагревостойки и имеют меньшее .

3. щелочные стекла, содержащие тяжелые окислы (Pb₃O₄, BaO) обрабатываются удовлетворительно,  несколько больше щелочных.

4. кварцевые стекла (чистый SiO₂), Т_получ.= 1700^оС. Имеет наименьший коэффициент линейного расширения из всех известных веществ (у других стекол он в 10-20 раз больше). Высокая механическая прочность, стойкость к тепловым импульсам, химическая стойкость. Хороший конструкционный материал (реакторы, ампулы). Прозрачны в УФ, видимой и ИК-области до 4 мкм (линзы, оптические окна, призмы, баллоны, УФ-лампы), = 10¹⁶ Ом∙м; = 3,8; tg=2∙10^-4 при f=10⁶ Гц. У щелочных стекол имеет место полищелочной эффект (присутствие 2-х и более различных щелочных окислов обеспечивает лучшие электрические свойства, чем присутствие одного щелочного окисла). Е_пр стекол до 500 мВ/м. Пробой носит тепловой характер.

По техническому назначению подразделяют:

1. Электровакуумные стекла (для ножек, баллонов, электровакуумных приборов). Главный функциональный параметр – температурный коэффициент линейного расширения, т.к. он имеет важное значение при сварке стекол, впайке металлической проволоки, впайке ленты. Значения температурных коэффициентов линейного расширения должны быть близки. Кроме того стекло должно иметь низкие диэлектрические потери. По согласованию с металлом подразделяются на платиновые, молибденовые, вольфрамовые. По химическому составу это боросиликатные (B₂O₃ + SiO₂), алюмосиликатные (Al₂O₃ + SiO₂) с добавлением щелочных окислов, например, марка C89-5, 89 – это =89∙10^-7 К^-1; 5 – серия разработки.

2. Изоляторные стекла используют в качестве герметичных выводов в металлических корпусах приборов (стеклянные бусы). Химический состав – щелочное силикатное стекло.

3. Цветные стекла для светофильтров, эмалей, глазурей. Добавление CaO дает синюю окраску, Cr₂O₃ – зеленую, MnO₂ – фиолетовую и коричневую, VO₃ – желтую.

4. Лазерные стекла – рабочее тело твердотельных лазеров. Баритовый крон (BaO – K₂O – SiO₂ активировано Nd³⁺). Есть преимущества перед монокристаллами (технологичность, изотропность, оптическая однородность). Недостаток – уширение полосы лазерного луча, малая теплопроводность.

5. Стекловолокно. Стеклоткани используют для изготовление лент, шлангов, изоляции. Волокна из щелочных Al – Si, бесщелочных, Al – B – Si – стекол получают вытяжкой через фильеры =4-7 мкм. Можно ткать, т.к. высокая гибкость. Преимущества – высокая механическая прочность, нагревостойкость, малая гигроскопичность, высокое .

6. Световоды – используются для передачи светового излучения между источником и приемником излучения. Изготавливают жгуты с межволоконной изоляцией. Это основной материал волоконной оптики. Направленное действие волокна достигается за счет эффекта многократного полного внутреннего отражения.

Преимущества волоконной оптики перед линзовой: оптический путь может быть искривленным, высокая разрешающая способность, скрытность, высокая помехозащищенность излучения, передача большого объема информации, кодирование. Используют волокна =5-15 мкм. На поверхность наносят светоизоляционную оболочку. Материалы – кварц, твердый раствор AgCl – AgBr; AgCl – AgI. Разрабатываются плоские световоды для оптических ИС.