Свойства стекла (стр. 2 из 4)

В зависимости от состава стекла делятся на тугоплавкие и легкоплавкие. При работе первые приходится нагревать до ~1800°С и применять специальные паяльные горелки с подачей воздуха и даже кислорода в пламя, для обработки вторых иногда достаточно температуры пламени обычной газовой горелки.

Твердость. Твердость — сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям. Обычно она оценивается сопротивлением вдавливанию индикатора. Существует также шкала твердости, предложенная Моосом и названная его именем. Эта шкала составлена из ряда материалов, которые расположены по увеличению твердости, причем каждый последующий царапает предыдущий. В этой шкале каждый минерал имеет свой номер, характеризующий его относительную твердость. Самый твердый из них — алмаз — имеет № 10, корунд— № 9. Твердость всех других материалов оценивается в сравнении с твердостью десяти эталонных минералов. Стекло по шкале Мооса обладает твердостью 5—7, т. е. это весьма твердый материал.

Наиболее твердыми являются кварцевые стекла и стекла типа пирекс».

Прочность при сжатии и при растяжении. Прочность — сопротивление материала разрушению. Она характеризуется пределом прочности, который определяется наименьшим усилием, действующим на единицу площади, вызывающим разрушение материала. В единицах СГС эта величина измеряется в динах на квадратный сантиметр, в единицах СИ —в паскалях: 1дин/см² = 0,1 Па.

Предел прочности при сжатии определяется силой сжатия, пре-тел прочности при растяжении — силой растяжения.

Стекло довольно прочный материал, причем его прочность зависитот состава и метода обработки. Прочность при сжатии стекол разного вида находится в пределах от 5 до 200 кГ/мм², т. е. от 1,9-10" до 19,6-10⁹ дин/см² или 4,9-10⁸— 19,6-10⁸ Па. Чтобы попять, насколько прочно стекло, можно для сравнения привести значение прочности при сжатии чугуна 60-т-120 кГ/мм² и стали 200 кГ/мм².

Предел прочности стекла при растяжении в 15—20 раз меньше предела прочности при сжатии и составляет 3,5—10 кГ/мм².

Прочность при изгибе. При изгибе стекло испытывает действие и растягивающих, и сжимающих сил. Прочность стекла при изгибе определяют, положив свободно концы стеклянного стержня па две опоры и постепенно повышая нагрузку в середине его вплоть до разрушения стержня. Прочность стекла при изгибе меньше прочности при растяжении, поэтому участки в местах изгибов трубок и отделки дна заготовок должны быть утолщены.

4.Термические свойства

Часто пригодность стекол для изготовления того или иного прибора, работающего в определенном интервале температур, оценивают по термическим свойствам стекол: теплоемкости, теплопроводности, термическому расширению и термостойкости.

Теплоемкость. Теплоемкость материала равна отношению количества теплоты, сообщенной ему, к происшедшему при этом изменению температуры материала.

Различают удельную и мольную теплоемкость.

Удельная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы материала, чтобы его температура изменялась на 1К, мольная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 моль вещества для изменения его температуры также на IK. В единицах, основанных на калориях, удельная теплоемкость измеряется в кал/ пли в ккал/, в единицах системы СГС — в эрг/, в единицах СИ —в Дж/; 1 кал/ = = 1 ккал/ = 4,1868-10⁷ = 4,1868- 10³Дж/.

Удельная теплоемкость стекла равна 0,08—0,25 кал/, или 334,9—1004,8 Дж/ и зависит от его химического состава. Чем больше стекло содержит окислов тяжелых металлов, например ВаО, РЬО, тем хуже теплоемкость стекла и тем больше потребуется тепла, чтобы нагреть стекло до заданной температуры. Стекла, в состав которых входят окислы легких металлов, например LbO, обладают большей удельной теплоемкостью.

Теплопроводность. Способность материала проводить тепло, т. е. его теплопроводность, оценивается коэффициентом теплопроводности, который численно равен количеству тепла, переносимому на определенное расстояние через единицу поверхности сечения за единицу времени при разности температур в 1 К. Коэффициент теплопроводности измеряется в кал/ или в СГС —в эрг/, а в СИ —в Вт/: 1 кал/ = 4,1868-10⁷ эрг/ == 4,1868-10² Вт/.

Стекло плохо проводит тепло, его коэффициент теплопроводности равен 0,0017—0,0032 кал/ или 7—14 Вт/. Нагретые стекла очень медленно остывают, о чем следует помнить при обработке стекла. Кроме того, вследствие малой теплопроводности стекла при формовке из него деталей и пайке на довольно небольших участках стеклянных изделий создается большой перепад температуры, а следовательно, в стекле возникают внутренние напряжения и хрупкость его значительно увеличивается.

Тепловое расширение. Все твердые тела при нагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме. Стекло является изотропным материалом — при нагревании оно изменяется в объеме во всех направлениях одинаково.

Тепловое расширение обычно характеризуют коэффициентом теплового расширения. Под коэффициентом теплового расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1К, отнесенное к длине образца до нагревания.

При выполнении стеклодувных работ это свойство стекла следует учитывать. Например, нельзя спаивать стекла, значительно различающиеся коэффициентами термического расширения, так как спай при охлаждении обязательно треснет. Особенно важно правильно подбирать стекло, если его надо спаять с металлом'. В таблице 3 приведены значения коэффициентов термического расширения и других физических характеристик некоторых стекол, применяемых в стеклодувных работах.

Термостойкость. Способность вещества, не растрескиваясь, выдерживать резкие температурные перепады называется термостойкостью. Термостойкость стекла в основном зависит от значения коэффициента термического расширения.

6. Электрические свойства

Стекло при обычных условиях, т. е. в твердом состоянии, является изолятором, и эта его особенность широко используется. Например, металлические контакты — вводы — в приборах впаивают непосредственно в стекло. Однако в расплавленном состоянии стекло проводит электрический ток. При повышении температуры по мере размягчения стекла электрическое сопротивление его уменьшается, причем у разных стекол по-разному. Наибольшим электрическим сопротивлением обладают стекла с небольшим содержанием ионов щелочных металлов, а также стекла, содержащие малоподвижные ионы.

Удельное электрическое сопротивление в единицах СП выражается в Ом-м. В таблицах чаще всего приводят удельное объемное сопротивление стекол при температурах 100, 250 и 350 °С. Кроме того, приводят температуру, при которой удельное объемное сопротивление стекла становится равным 100 МОм-см; условно эту температуру обозначают Т_к— 100.

Способность стекол изменять электрическое сопротивление при нагревании используют для пайки с помощью токов высокой частоты. Этот метод особенно удобен для пайки и монтажа крупногабаритных стеклянных изделий. Разогрев до размягчения спаиваемые участки изделия газовой горелкой, подводят ток высокой частоты и «сваривают» детали.

Это свойство стекла всегда необходимо учитывать при изготовлении электродов, монтаже электровводов и т. п. Если в стекло впаяны металлические вводы, то они являются электродами конденсатора, где стекло — диэлектрик. На обкладках конденсатора рассеиваемая за счет диэлектрических потерь электрическая энергия переходит в тепло.

Часто напряжение тока, подаваемого на контакты, достигает десятков киловольт, а поэтому всегда существует опасность перегрева стекла между контактами. При этом стекло может стать проводником, произойдет замыкание или частичный электролиз стекла. Силикаты, входящие в состав стекла, подвергаются электролизу при наложении разности потенциалов, в результате чего нарушается однородность состава стекла, ухудшаются его свойства. Кроме того, при пропускании больших токов через вводы вдоль впаянных металлических электродов появляются пузыри, образуются трещины, нарушается вакуумная плотность спая. Признаком, по которому можно обнаружить начало электролиза, является изменение цвета спая, а в свинцовых стеклах — выделение металлического свинца на поверхности электродов.

Электролиз стекла усиливается с возрастанием разности потенциала на вводах и с увеличением температуры.

При этом стекло в результате перегрева может размягчиться и, если прибор работает при пониженном давлении, место ввода контактов деформироваться под действием атмосферного давления, возможна даже разгерметизация прибора.

Учитывая все сказанное, при монтаже прибора следует тщательно подбирать нужные сорта стекла. Чем больше диэлектрические потери, тем больше возможен перегрев. Диэлектрические потери прямо пропорциональны частоте переменного тока и произведению тангенса угла диэлектрических потерь на диэлектрическую проницаемость материала. Последнее произведение носит название коэффициента потерь. Для впаивания электродов следует подбирать стекла с наименьшим коэффициентом потерь, для использования стекла в качестве диэлектрика — с наибольшим удельным сопротивлением. Так, наибольшим электрическим сопротивлением обладают свинцовые, боросиликатные, типа «пирекс», алюмосиликатные и кварцевые стекла.