Твердые неорганические диэлектрики: стекла

Стекла — неорганические аморфные вещества, представля­ющие собой сложные системы различных оксидов. По роли в про­цессе стсклообразования и по положению в структуре стекла окси­ды делят на три основные группы:

1) оксиды-стеклообразователи, т. е. такие оксиды, каждый из которых в чистом виде способен сам по себе образовы­вать стекло (например, SiO₂, B₂O₃, Р2О5, GеО2 и др.). Например, если основу стекол составляет оксид SiO2, то их называют силикатными;

2) оксиды-модификаторы, которые вводят в состав стекла по технологическим соображениям, например для снижения температуры варки, повышения вязкости улучшения обрабатываемости. К ним относят CaO, BaO, Na2O, К2О и др.;

3) промежуточные оксиды, например А1₂Оз, ТiO2, РbО, ZnO, сами по себе не образуют стекол, но способны придать стеклам то пли иные специальные свойства.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (100-300 МПа) и увеличивается с повышением содержания в нем окси­дов кремния SiO₂ и кальция СаО. Щелочные оксиды снижают проч­ность стекла. Стекло противостоит сжатию гораздо лучше, чем рас­тяжению, предел прочности при сжатии составляет 6000-21000 МПа.

Типы стекол. В зависимости от назначения различают следу­ющие основные виды электротехнических стекол: электровакуум­ные, конденсаторные, изоляторные, стеклоэмали и др.

Электровакуумные стекла применяют для изготовле­ния баллонов электронных и газоразрядных ламп, оболочек рент­геновских ламп, горловин кинескопов и т. п. Кроме того, их широко применяют в полупроводниковой промышленности для получения металлостеклянных спаев в корпусах маломощных приборов.

Названия стекол «молибдено­вые», «вольфрамовые», «платино­вые» определяются не составом стекла, а только тем, что значения ТКl этих стекол близки к ТКl мо­либдена, вольфрама, платины.

В обозначении марки стекла после буквы С указывают величину ТКl и серию разработки. Например, обозначение С89-5 относится к стеклу с ТКl=89·10^-7 К^-1, серия 5.

Изоляторные стекла используют в качестве герметизи­рованных вводов в некоторые типы конденсаторов, терморезисто­ров, в полупроводниковом производстве для изготовления изолято­ров в металлических корпусах таблеточного тина и изоляторов в мощных приборах (рис. 13.1). Стеклянные изоляторы для полу­проводниковых приборов изготавливают из стекол С48-1, С49-2, С87-1, С88-1 и др.

Стеклоэмалями называют стекловидные покрытия, нано­симые на поверхность изделий с целью защиты от коррозии, элек­трической изоляции, а также для получения красивого внешнего вида. При эмалировании порошок стекла измельчают, наносят на поверхность изделия и обжигают. В результате плавления эмаль растекается по поверхности изделия и после охлаждения остается на ней в виде тонкого (0,1-1,0 мм) сплошного стекловидного по­крытия.

Стеклоэмали применяют в качестве электроизоляционного ма­териала для трубчатых резисторов, в которых на наружную по­верхность керамической трубки нанесена проволочная обмотка. Наносимый поверх нее слой эмали создает изоляцию между отдель­ными витками, между обмоткой и окружающей средой, а также защищает ее от воздействия влаги, от окисления и т. п. Стеклоэмали применяют также для изолирования вводов в металлические ва­куумные приборы и в качестве диэлектриков в некоторых типах конденсаторов малой емкости.

Стекловолокно получают из расплава стекла, чаще из бес­щелочного алюмоборосиликатного. Расплавленная стекломасса под действием собственного веса медленно вытекает из платиновых «лодочек» через фильеры диаметром около 1 мм. Выходящая из фильеры нить наматывается с большой скоростью (около 30 м/с) на барабан и, не успевая охладиться, вытягивается в тонкое волок­но диаметром в несколько микрон. При вытягивании происходит ориентация молекул, способствующая повышению гибкости и ме­ханической прочности стекла.

Из стеклянных нитей изготавливают световоды, изоляцию мон­тажных, обмоточных и микропроводов, стеклянные ткани, исполь­зуемые в производстве нагревостойких стеклолакотканей и стеклотекстолитов. Стеклово­локно по сравнению с органическими волокнами отличается более высокой нагревостойкостью (провода со стекловолокнистой изо­ляцией могут длительное время работать при температурах до 600°С), повышенной механической прочностью (σ_Р=1,6—25ГПа), относительно малой гигроскопичностью (0,2—4%), хорошими электроизоляционными свойствами. К недостаткам стекловолокнистой изоляции относят повышенную хрупкость, низкую стойкость к истиранию и изгибанию и малое значение относительного удли­нения при разрыве (2—3%).

Световоды представляют собой световедущее волокно, состоящее из двух слоев: световедущей жилы с высоким показателем преломления n_с и изоляционной оболочки с меньшим показателем преломления n_и. Основной путь сни­жения потерь в световодах — чистота исходных материалов и сте­рильность производства.