ЛЕГКОПЛАВКИЕ СТЕКЛА
Т.Е. Кривченко, Н.И. Беломеря
Донецкий национальный технический университет
Материалы XXI Всеукраинской научной конференции аспирантов и студентов . – Донецк, 2010, с.230-231.
В связи с быстрым развитием науки, техники и новых технологий все более жесткие требования предъявляются к традиционным материалам, как по техническим характеристикам, так и по эстетическим показателям, что вызывает необходимость создания новых современных материалов. Увеличивается художественный подход к дизайну зданий и сооружений, расширяется производство изделий хозяйственно-бытового и декоративно-художественного назначения и др.. Одним из широко применяемых для этих целей материалов является стекло.
Стекло – один из наиболее важных искусственных материалов, которые прочно вошли в культуру, быт и технику людей всего мира. Сочетая такие свойства, как прозрачность, твердость, стойкость против воздействия химических реагентов, жаропрочность, а также возможность изменять эти свойства в нужном направлении, способность окрашиваться в разные цвета и формоваться разнообразными способами стекло стало незаменимым материалом современности.
Использование легкоплавких стекол, которые кроме применения их в декоративных целях, в виде накладных стекол и флюсов для приготовления керамических красок, применяются также для герметизации полупроводниковых приборов с целью защиты их от механических воздействий и химической коррозии, попадания влаги и примесей, ухудшающих их электрические характеристики. Легкоплавкие стекла также нашли применение в качестве припоя в вакуумной технике и электронике, как составная часть легкоплавких глазурей и эмалей и как защитные покрытия для терморезисторов, транзисторов миниатюрных контуров и др..
Легкоплавкие стекла могут быть получены на основе различных систем основными из которых являются: SiO2-B2O3- PbO-R2O, SiO2-B2O-PbO, SiO2-B2O3-Al2O3- PbO-R2O и др. в которых легкоплавкость стеклам придают оксиды PbO, B2O3 и R2O (LiO2, Na2O, K2O и др.) . Отдельные виды легкоплавких стекол должны обладать свойствами, не являющимися общими для всех остальных. К ним относятся сцепление с керамикой, металлом (грунты), декоративные свойства – окраска, глушение, блеск, химическая устойчивость к определенным реагентам, электро-физические и другие специальные свойства.
Температура размягчения является одним из важнейших свойств, позволяющих определить степень плавкости того или иного стекла. Для обычных стекол она лежит в интервале 500-600°С, а для легкоплавких – 250-400oС. Низкая температура размягчения стекол дает возможность использовать их в качестве покрытий и припоев для деталей не подвергающихся воздействию высокой температуры.
Термический коэффициент расширения (ТКР) имеет особо важное значение для стекол. Только в случае близости ТКР стекла и другого материала (отличие меньше 10%) возможно их одновременного применения при обеспечении прочностных характеристик и долговечности работы данного сочетания. ТКР (10-7 град-1) стекол для совместного использования с различными материалами должен быть для:
- стали 80-100;
- цветных и драгоценных металлов 100-120;
- керамики 20-100;
В данной работе была поставлена цель получить легкоплавкие стекла в системах SiO2-B2O3-PbO-Na2O и SiO2-B2O3-PbO, которые обладали бы определенными заданными свойствами (температура оплавления, температурный коэффициент расширения, оптические свойства). Для решения поставленных задач были выбраны составы легкоплавких стекол, обладающие требуемыми вышеуказанными свойствами, рассчитанными по формулам аддитивности. Для варки данных стекол использовались следующие сырьевые материалы: SiO2 вводился кварцевым песком, PbO – оксидом свинца (Pb2+), B2O3 – вводился бурой и частично борной кислотой, Na2O – вводился бурой.
Сырьевые материалы тонко измельчали, взвешивали в соответствии с их массовыми долями в шихте. После тщательного смешения всех компонентов синтез стекол проводили в керамических тиглях, которые помещали в электрическую муфельную печь. Варку осуществляли при температурах 1000-1050 °С. Готовность стекла определяли по вытягиванию стеклянной нити и на «лепешку». Для облегчения дальнейшего измельчения стекла его расплав подвергали фриттованию.
При анализе свойств полученных стекол было установлено, что свойства данных легкоплавких стекол близки к расчетным.
Для получения цветных легкоплавких стекол в шихтовой состав дополнительно вводились хромофорные оксиды (СоО, Cr2O3, Fe2O3, MnO2), как в чистом виде так и в виде техногенных продуктов, содержащих красящие компоненты. Варка цветных легкоплавких стекол осуществлялась аналогичным образом. Как и ожидалось интенсивность окраски стекол с повышением хромофорных материалов возрастает. Цветовая гамма легкоплавких стекол составила синюю, зеленую, красно-коричневую и фиолетовую окраску соответственно вводимому хромофору.