Термические свойства стекла

Интервал температур (800—1100 С), соответствующий вязкости 10⁸⁶ = КгП, является рабочей областью температур формования стеклоизделий. При этой вязкости производится выработка и формование стекла: под действием собственной массы и сил поверхностного натяжения размягченная стеклянная деталь в течение нескольких минут приобретает требуемую форму. В этом интервале вязкости стекло находится в пластичном состоянии, при котором оно достаточно размягчено, чтобы изменить свою форму, но в то же время достаточно вязко, чтобы не течь, как жидкость (и соответственно сохранять приданную ему форму). Стекла, имеющие большой температурный интервал формования, называются «длинными» (у «длинных» стекол кривая зависимости вязкости от температуры имеет пологий характер). Для «длинных» стекол вязкость изменяется постепенно и небольшие колебания температуры практически не сказываются на ней, что облегчает термопластичную обработку стекла и придание ему требуемой формы. У «коротких» стекол при сравнительно небольшом колебании температуры вязкость стекла выходит из пределов рабочего диапазона 10⁸⁶ — 10³ и формование стекла становится невозможным.

Температура Тв, соответствующая вязкости 10⁴П, называется рабочей температурой выработки. При этой температуре стекло размягчается до такой степени, что его можно обрабатывать Методами выдувания или прессования.

В интервале температур (1000 — 1500°С), соответствующем вязкости 10³ —10 П, стекло находится в капельно-жидком состоянии: оно приобретает текучесть, свойственную жидкостям, — именно в этом интервале вязкости и температур производится варка и выработка стекла в печах.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКР а) определяет величину термических и коэффициентных напряжений в спае, возможность получения вакуумно-плотных, газонепроницаемых спаев, а также стойкость стекла к резким переменам температуры.

ТКР а при нагреве стекла до температуры трансформации практически остается постоянным, а при более высоких температурах сначала резко возрастает, а затем остается без изменения вплоть до полного размягчения стекла. Соответствующим подбором содержания отдельных оксидов можно достигнуть любого ТКР _Q в пределах 640^—7 (кварцевое стекло) — 150-10~⁷ 1/°С. Во многих случаях соблюдается правило, по которому стекло с более высокой температурой размягчения обладает и более низким ТКР а.

Эта температура является верхней границей хрупкого состояния стекла — при температуре выше точки трансформации стекло приобретает пластичность: под действием внешних нагрузок может происходить деформация стекла (например, прогиб центральной части экранов цветных кинескопов в процессе их термовакуумной обработки под действием внешнего атмосферного давления на экран). Для практически применяемых стекол:

Электровакуумные стекла подразделяются и маркируются по числовым значениям ТКР на следующие группы: платинитовые (ТКР = (864- 92)-10~⁷); молибденовые (ТКР = (46 52)40~⁷); вольфрамовые (ТКР (35 42) 40“⁷).

Эти стекла не содержат ни платинита, ни молибдена, ни вольфрама — их название определяется не составом, а только величиной ТКР а стекла, которая равна соответственно ТКР а платинита, молибдена или вольфрама. Значение ТКР а стекла всегда указывается в маркировке стекла: например, стекло С93-1 имеет ТКР а = 9340^-Г 1/°С.

Под термостойкостью понимают наибольшую разность температур, которую стекло может выдерживать без растрескивания. Термостойкость тем выше, чем больше теплопроводность и чем меньше ТКР стекла. Поэтому кварцевое стекло, имеющее низкий ТКР, обладает наивысшей термостойкостью (700°С); стекла платинитовой группы, имеющие большой ТКР, обладают низкой термостойкостью (100 — 150°С). Отжиг, снимая напряжения, значительно повышает термостойкость. Ввиду большой термостойкости кварцевое стекло можно не отжигать.

Термостойкость стеклянного изделия всегда меньше, чем теоретическая, так как на нее влияют форма изделия, толщина, размеры, условия нагрева и охлаждения. Тонкостенные и округлые изделия более термостойки, чем толстостенные и с острыми углами. С увеличением толщины и особенно разнотолщинности стенок изделия термостойкость резко снижается. Царапины, мелкие посечки и микротрещины на поверхности стеклодетали уменьшают ее термостойкость. Обычно при быстром охлаждении термостойкость меньше, чем при быстром нагреве.

Термостойкость стеклянных деталей проверяют методом термоудара — деталь, выдержанную в горячей воде, погружают в холодную воду, и наоборот. При резком охлаждении стеклодеталей на их поверхности образуются напряжения растяжения, а внутри стеклянной детали — напряжения сжатия. При резком нагреве стекла на его поверхности, наоборот, возникают напряжения сжатия.

Испытания по циклу «нагрев — охлаждение» являются более жесткими, чем испытания по циклу «охлаждение — нагрев», — это объясняется тем, что поверхностные напряжения растяжения более опасны, чем напряжения сжатия (см. с; 137).

При комнатных температурах стекла обладают очень высоким удельным объемным электросопротивлением 10¹ — 10¹⁹ Ом-см и являются хорошими изоляторами.

Носителями тока в стекле являются ионы. При повышении температуры подвижность ионов значительно увеличивается. При 200 — 400°С электрическое сопротивление стекол снижается примерно в 10⁸ — 1О¹⁰ раз. При температурах порядка 1200 — 1480°С электрическое сопротивление составляет всего 1 — 10 Ом-см. Интенсивность изменения электрического сопротивления при увеличении температуры оценивается по температур-вомукоэффициентуэлектрическогосопротив-ления стекла (ТК-100), который показывает, до какой температуры надо нагреть стекло, чтобы его электрическое сопротивление снизилось до 10⁸ Ом-см (до 100 МОм-см). Чем меньше величина ТК-100, тем быстрее снижается электросопротивление стекла при повышении температуры и тем хуже его электроизоляционные свойства. Величина ТК-100 зависит от химического состава стекла. Особенно важно, чтобы стекла для изготовления ножек приборов имели большую величину ТК-100 — это предотвращает электролиз и возможность утечек и пробоев между электродами, находящимися под разными потенциалами.

Удельное поверхностное электрическое сопротивление стекол зависит не только от состава стекла, но и от состояния его поверхности. Удельное поверхностное сопротивление меньше удельного объемного электрического сопротивления стекла — это объясняется наличием на поверхности стекла водяной пленки. В этой пленке растворены щелочи, содержащиеся в стекле, а также углекислота и другие загрязнения, находящиеся в атмосферном воздухе. При комнатной температуре Удельное поверхностное сопротивление всех стекол одинаково и равно 10¹¹ Ом-см, оно определяется сопротивлением адсорбированной водяной пленки. Чем выше влажность окружающего воздуха, тем меньше поверхностное сопротивление стекла и больше его поверхностная проводимость. Различные поверхностные загрязнения, например следы от прикосновения рук, резко снижают поверхностное сопротивление стекла. Для повышения поверхностного электросопротивления рекомендуется на поверхность стекла наносить защитные, не смачиваемые водой (гидрофобные) покрытия, например кремнийорганические лаки.