6.10. Неорганічні скла

*Скла - квазіаморфні тверді матеріали, в яких за наявності ближнього порядку розміщення частинок відсутній дальній порядок.

Отримують при швидкому охолодженні розплаву склоутворю-вальних компонентів (оксидів кремнію, бору, фосфору та ін.) і оксидів металів (літію, натрію, калію, магнію та ін.). Такі скла прозорі в тій чи іншій області оптичного діапазону. За повільного охолодження розплаву може відбутися часткова кристалізація скла і воно втрачає прозорість, а його механічна міцність змен­шується.

Виробництво скла вперше виникло 4000 років до н. е. в Старо­давньому Єгипті. Завдячуючи високій хімічній стійкості та де­шевизні і доступності сировини, найбільш поширені силікатні скла. Сировиною для виготовлення скла є кварцовий пісок Si0₂ (основ­на склоутворювальна речовина), сода Na₂C0₃, доломіт CaC0₃·MgC0₃, крейда та деякі інші компоненти. Ці матеріали подрібнюють, змішують у необхідних пропорціях і отримують шихту, яку завантажують в скловарну піч і розплавляють. За нагрівання шихти з неї видаляється волога і гази, а оксиди калію, натрію, кальцію тощо хімічно взаємодіють з кремнеземом і утво­рюють складні сполуки, які називаються силікатами. Силікати плавляться за 1350 - 1600 °С і утворюють скломасу. З неї виду­ванням, пресуванням, відливкою, витяжкою тощо виготовляють різноманітні вироби. Видуванням в металеві форми отримують лампові балони, пресуванням - скляні ізолятори та інші вироби.

Залежно від хімічного складу силікатні скла ділять на чотири групи: >лужні, >лужні з добавками важких оксидів, >малолуж­ні і >безлужні.

Лужні скла містять велику кількість лужних оксидів (переваж­но Na,0), є легкоплавкими (≈ 1350 °С) і застосовуються переваж­но для отримання шибок, побутового посуду, пляшок та ін. Вони вирізняються великим температурним коефіцієнтом лінійного розширення, низькою термостійкістю та електричними характе­ристиками.

Лужні скла із вмістом важких оксидів - флінти (містять РbО) і крони (містять ВаО), мають підвищені значення електричних ха­рактеристик і застосовуються для виготовлення конденсаторів, ізоляторів та ін.

Малолужні скла використовуються для виготовлення скляних ізоляторів високої напруги. Після формування нагрітий ізолятор виймають з форми і рівномірно охолоджують обдуванням його з усіх боків холодним повітрям. Міцність загартованого ізолятора в кілька разів вища порівняно з незагартованими і вища, ніж у фарфорових ізоляторів. Це дало можливість на 10-20% зменшити їх габаритні розміри.

Безлужні скла застосовують для виготовлення скляного воло­кна електроізоляційних склотканин.

Електротехнічні скла застосовуються в електротехніці і елек­троніці як ізоляційний і конструкційний матеріали. З них вигото­вляють ізолятори ліній електропередач, герметичні вводи, конден­сатори та ін. У тонкій (2-5 мкм) скляній ізоляції випускають мікропроводи.

Для електроізоляції застосовують безлужні і малолужні алю­мосилікатні скла, які характеризуються великим питомим елект­роопором, високою вологостійкістю, електричною і термічною міцністю.

В електровакуумному приладобудуванні електровакуумне скло застосовують як основний конструкційний матеріал. З ньо­го виготовляють =>електронні лампи, =>електропроменеві і рен­тгенівські трубки, => газорозрядні лампи, =>герметичні виводи еле­ктровакуумних приладів з металічним корпусом та ін. Електро­вакуумні скла мають високі діелектричні характеристики і узго-

джені з металами (для запобігання розтріскуванню спаїв) коефі­цієнти термічного розширення а. За його значеннями (а -10"⁷, град^-1) електровакуумні скла підрозділяють на наступні основні групи: >кварцове (6-10), >вольфрамове (37-40), >молібденове (47-50), >титанове (72 - 75), >платинове (84 - 92) і >залізне (110 - 120). Кварцове скло виготовляють із чистого SiО₂ за температур ви­щих 1700 °С. Характеризується найменшим із всіх відомих речо­вин значенням температурного коефіцієнта лінійного розширен­ня, високою границею міцності при стиску (до 2100 МПа). Воно дуже стійке до дії теплових імпульсів. Сильно нагріте кварцове скло можна занурити в холодну воду, не викликаючи його руй­нування. Висока термічна стійкість кварцового скла пояснюєть­ся дуже малим коефіцієнтом об'ємного розширення, який у 25 ра­зів менший, ніж у звичайного скла. Завдячуючи високій термічній стійкості та хімічній інертності, з кварцового скла виготовляють хімічний посуд, тонкі нитки для вогнетривких тканин тощо. Ви­сока прозорість для випромінювань в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній області спектра дає можливість застосовува­ти кварцове скло для виготовлення лінз, призм, балонів ламп уль­трафіолетового випромінювання та ін.

Скло в товстому шарі - крихкий матеріал, але тонкі скляні вироби мають підвищену гнучкість. Дуже тонкі (до 100 мкм) скляні волокна настільки гнучкі, що можуть використовуватись для ви­готовлення тканин. Велика гнучкість і міцність волокон поясню­ється орієнтацією молекул поверхневого шару при витягуванні скловолокна з розплавленої маси через фільєри. Зі скляних ниток, скручених з окремих волокон, виготовляють склотканини, стріч­ки, шланги та ін. Скляні тканини використовують для виготов­лення склотекстолітів. Переваги скляної волокнистої ізоляції по­рівняно з органічними волокнами: >висока нагрівостійкість, >ме­ханічна міцність, >відносно мала гігроскопічність і >добрі елек­троізоляційні властивості.

Світловоди застосовуються для передачі світлової інформації у волокнистій оптиці. їх виготовляють з тонких (5-15 мкм) скля­них волокон, які з'єднують у джгути (кабелі). Передача зобра­ження може відбуватися як прямолінійним, так і криволінійним шляхом. Для запобігання просочування світла з одного волокна в

інше їх виготовляють з світлоізолюючою оболонкою із скла з мен­шим показником переломлення світла п₂, ніж у серцевини волок­на «,. Світловий промінь, потрапляючи із серцевини з п₁ на повер­хню оболонки з п₂, може багаторазово відбиватись і проходити вздовж волокна. Світловий кабель діаметром 5 - 6 мм може вмі­щати декілька сотень тисяч волокон. Для передачі зображення не­обхідно, щоб відносне розміщення волокон на вхідному і вихідно­му торцях було однакове.

* Ситали (скорочення слів "силікат" і "кристал") - скло­подібні матеріали, які складаються з однієї або декількох кристалічних фаз, рівномірно розміщених у склоподібній фазі.

Вони займають проміжне положення між звичайними склами і керамічними матеріалами, тому їх інколи називають склокерамі­кою. На відміну від скла, ситали непрозорі, але в тонкому шарі пропускають світло. Головна відмінність ситалів від скла поля­гає в тому, що ситали мають переважно кристалічну будову, а від кераміки - значно меншим розміром зерен. Вирізняються си­тали високою >міцністю, >твердістю, >хімічною та термічною стійкістю, >нижчим коефіцієнтом лінійного розширення та >кращими електричними властивостями порівняно зі звичайни­ми склами. Ситали з низьким коефіцієнтом лінійного розширення нагрівостійкі, і їх механічна міцність мало змінюється при нагрі­ванні до 700 - 800 °С.

Виготовлення ситалових виробів проходить у декілька стадій. Спочатку із скломаси спеціально підібраного складу формують вироби звичайними методами. Стимуляторами кристалізації слу­жать ТіО₂ і FeS, фториди і фосфати деяких лужних і лужноземель­них металів. Отримані з аморфною структурою вироби нагріва­ють спочатку до 500 - 700 °С для утворення зародків кристаліза­ції, а потім до 900 - 1100 °С - для розвитку дрібнодисперсної (до

2 мкм) кристалічної фази об'ємом 80 - 95 %. Виготовлені таким способом ситали названо термоситалами.

Стимуляторами кристалізації скла також можуть бути колої­дні частинки металів - міді, срібла, золота та ін., які виділяються 3 відповідних оксидів, що входять до складу скла, під впливом ультрафіолетового опромінення і наступної термообробки (про-

цес проявлення) і є центрами кристалізації скла. Отримані таким способом склокристалічні матеріали називаються фотоситалами. Ситали, за технічним призначенням, поділяють на >установчі і >конденсаторні. Перші широко застосовуються для підкладок в гібридних та інтегральних мікросхемах, деталей СВЧ-приладів і деяких типів електронних ламп. Ситалові конденсатори харак­теризуються підвищеною (порівняно з керамічними) електричною міцністю. Із ситалів виготовляють різні трубки, електроізолято­ри та ін. вироби методами керамічної або скляної технології. За­стосовуються ситали також для герметизації електровакуумних приладів, в оптиці і т. д.