Стекла — неорганические квазиаморфные твердые вещества, в кото рых при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Свойства диэлектриков проявляют лишь оксидные стекла. Основу оксидного стекла сос тавляет стеклообразующий окисел. К числу стеклообразующих окислов относятся Si02, В20 3, Ge02, Р20 5. Наибольшее распростране ние получили силикатные стекла (т. е. на основе Si02) благодаря вы сокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Д л я придания определенных физических свойств, а также из технологических соображений в состав силикат ных стекол вводят окислы различных металлов (наиболее ' часто — щелочных и щелочно-земельных).
Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотноше ниях и тщательно перемешивают; полученную при этом шихту загру жают в стекловарочную печь. В крупном производстве применяют ван ные печи, а для получения небольшого количества стекла gточно вы держанным составом — горшковые печи. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (Н20, С02, S03) из нее удаляются, а остав шиеся окислы химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая и идет на выработку лис тового стекла или стеклянных изделий.
Формовку изделий из стекла осуществляют путем выдувания, цен тробежного литья, вытяжки, прессования, отливки и т. п. Необходимо отметить, что стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлажде ния начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия обладают при этом невысокой механической прочностью.
В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стек ломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие темпера турам текучести Тт и стеклования 7^. При температурах выше ТТу стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состоя ния. Вязкость различных стекол при температуре Тт примерно одинакова и равна 108 Па-с. Температуре стеклования Гс, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 101а Па-с.
Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу , чтобы устранить опасные местные механические напряжения в стекле, воз- никшие при быстром и неравномерном его остывании. При отжиге изде лие нагревают до некоторой достаточно высокой температуры («темпе ратура отжига»), а затем медленно охлаждают.
Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим свойствам (тангенсу угла диэлектрических потерь и удельной проводи мости) можно подразделить на три группы.
1. Бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит число кварцевое стекло (плавленый кварц). Стекла данной группы обладают высокой нагревостойкостью, высоки ми электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изде лия, особенно сложной конфигурации и с малыми допусками по разме рам.
2. Щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа стекол состоит из двух подгрупп: а) натрие вые; б) калиевые и калиево-натриевые. В эту группу входит большинст во обычных стекол. Они отличаются пониженной нагревостойкостью, легко обрабатываются при нагреве («технологичны»), но имеют пони женные электрические свойства.
3. Щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых окислов (на пример, силикатно-свинцовые и бариевые). Эти стекла, обладая удов летворительной обрабатываемостью, имеют повышенные электричес кие свойства, приближающиеся при нормальной температуре к элект рическим свойствам стекол первой группы.
Силикатные стекла устойчивы к действию кислот, за исключением плавиковой кислоты HF, которая их растворяет; стойкость этих стекол к щелочам значительно меньше.
Кварцевое стекло получают из чистой двуокиси кремния при тем пературах выше 1700°С. Такая стекломасса обладает очень узким ин тервалом размягчения и даже при температурах выше 1700°С характе ризуется высокой вязкостью. Поэтому из нее удается получить изде лия только простейшей конфигурации.
Электровакуумные стекла. Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Он имеет очень важное значение при пайке и сварке различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло. Значения стекла и соединяемых с ним материалов должны быть приблизительно одинаковыми, так как иначе при измене нии температуры может произойти растрескивание стекла, а также нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Кроме того, для высокочастотных приборов используют стекла с низкими диэлектрическими потерями. Электровакуумные стекла под разделяют и маркируют по численным значениям температурного ко эффициента линейного расширения. Так как стекла — это материалы с маленьким значением температурного коэффициента линейного рас ширения, а у металлов (см. Приложение) наблюдается закономерная связь температуры плавления со значением температурного коэф фициента линейного расширения, то в стекла удается впаивать только тугоплавкие металлы или металлические сплавы, у которых аг такой же, как у тугоплавких металлов.
И з о л я т о р н ы е стекла. Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металличе ские корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисто ров и др.).
Цветные стекла. Обычные силикатные стекла прозрачны для излучения в видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам соответствующую окраску: СаО — синюю, Сг20 3— зеленую, Мп02— фиолетовую и коричневую, 1Ю3— желтую и т.д., что ис пользуется при изготовлении цветных стекол, светофильтров, эмалей и глазурей.
Лазерные стекла. Стекло может быть использовно в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах.
Весьма тонкие стеклянные волокна (диаметром 4—7 мкм) имеют настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться способами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из от дельных волокон, ткут стеклянные ткани, ленты и шланги.
Световоды. Тонкие стеклянные волокна используют для передачи светамежду источником и приемником излучения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели (жгуты) свнутренними межволоконными свето изолирующими покрытиями. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью тончайших волокон получила название волоконной оптики, которая явля- ется важной составной частью оптоэлектроники.
