Файл: Зимин, В. С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента.pdf

(в зависимости от его состава) по шкале Мооса обладает твер­ достью 5—7, т. е. это весьма твердый материал.

Наиболее твердыми являются кварцевые стекла и стекла типа

«пирекс».

Прочность при сжатии и при растяжении. Прочность — сопро­

тивление материала разрушению. Она характеризуется преде­ лом прочности, который определяется наименьшим усилием,

действующим на единицу площади, вызывающим разрушение

материала. В единицах СГС эта величина измеряется в динах на

квадратный сантиметр (дин/см2), в единицах СИ — в паскалях

(Па): 1дин/см2 = 0,1 Па.

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

Стекло довольно прочный материал, причем его прочность за­ висит от состава и метода обработки. Прочность при сжатии сте­

кол разного вида находится в пределах от 5 до 200 кГ/мм2, т. е. от

4,9-IO9 до 19,6-IO9 дин/см2 или 4,9∙ IO8—19,6-IO8 Па. Чтобы по­

нять, насколько прочно стекло, можно для сравнения привести

(3,43-IO8 ÷ 9,8-IO8 дин/см2 = 3,43-IO7 ÷ 9,8-IO7 Па).

Прочность при изгибе. При изгибе стекло испытывает действие и растягивающих, и сжимающих сил. Прочность стекла при из­ гибе определяют, положив свободно концы стеклянного стержня на две опоры и постепенно повышая нагрузку в середине его

× IO7 ÷ 24,5-IO7 Па), поэтому участки в местах изгибов трубок и отделки дна заготовок (плечики) 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, теп­ лопроводности, термическому расширению и термостойкости.

Теплоемкость. Теплоемкость материала равна отношению коли­ чества теплоты, сообщенной ему, к происшедшему при этом изме­ нению температуры материала.

Различают удельную и мольную теплоемкость. Удельная теп­

13

для изменения его температуры также на IK- В единицах, осно­

=1 ккал/(кг-К) = 4,1868IO7 (эрг/(г-К) = 4,1868∙ IO3Дж/(кг-К). Удельная теплоемкость стекла равна 0,08—0,25 кал/(г-К), или

334,9—1004,8 Дж/(кг-К) и зависит от его химического состава. Чем больше стекло содержит окислов тяжелых металлов, напри­

мер BaO, PbO, тем хуже теплоемкость стекла и тем больше по­ требуется тепла, чтобы нагреть стекло до заданной температуры.

Стекла, в состав которых входят окислы легких металлов, напри­

мер Li2O, обладают большей удельной теплоемкостью.

Теплопроводность. Способность материала проводить тепло,

т. е. его теплопроводность, оценивается коэффициентом теплопро­

водности (λ), который численно равен количеству тепла, перено­

симому на определенное расстояние (толщину, длину) через еди­ ницу поверхности сечения за единицу времени при разности темпе­

ности равен 0,0017—0,0032 кал/(см-с-К) или 7—14 Bt∕(m∙K)- Нагретые стекла очень медленно остывают, о чем следует помнить

при обработке стекла. Кроме того, вследствие малой теплопро­ водности стекла при формовке из него деталей и пайке на до­ вольно небольших участках стеклянных изделий создается боль­ шой перепад температуры, а следовательно, в стекле возникают внутренние напряжения и хрупкость его значительно увеличи­ вается.

Тепловое расширение. Все твердые тела при нагревании расши­

ряются, т. е. увеличиваются в объеме. Стекло является изотроп­ ным материалом — при нагревании оно изменяется в объеме во всех направлениях одинаково.

Тепловое расширение обычно характеризуют коэффициентом теплового расширения (а). Под коэффициентом теплового рас­ ширения понимают увеличение длины образца при нагревании

его на 1 К, отнесенное к длине образца до нагревания.

При выполнении стеклодувных работ это свойство стекла сле­ дует 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 (см. гл. VII). В таблице 3 приведены значения коэффициентов термического расширения и других физических характеристик не­ которых стекол, применяемых в стеклодувных работах.

Термостойкость. Способность вещества (материала), не растрес­ киваясь, выдерживать резкие температурные перепады называется

термостойкостью. Термостойкость стекла в основном зависит от

U

значения коэффициента термического расширения, т. е. от его

сорта (химического состава). Кроме того, термостойкость зависит

Таблица 3. Физические свойства некоторых химико-лабораторных

и электровакуумных стекол, выпускаемых промышленностью СССР

(См. также Приложение в конце книги)

’ Линейный коэффициент термического расширения в диапазоне температур 20 — 400 °С.

•’ Приведена плотность в единицах системы СГС; в единицах СИ плотность выра­ жается в кг/мЗ; 1 γ∕cm3 = I03 кг/мЗ, т. е. плотность стекла №23 будет равна 2,50-103 кг/мЗ.

от наличия в стекле включений инородных тел, трещин, пузырь­ ков воздуха, царапин, т. е. пороков, размера и формы изделий. Хорошо отожженное стекло более термостойко, нежели напряжен­ ное стекло. К наиболее термостойким стеклам относятся прежде всего кварцевые стекла и стекла типа «пирекс».

§ 5. Оптические свойства

Оптическим стеклом называют однородное, прозрачное, бес­ цветное или специально окрашенное неорганическое стекло.

Оптические свойства характеризуются показателем преломле­ ния и коэффициентом дисперсии стекла. Подробно со свойствами оптических стекол можно познакомиться, прочитав специальную литературу. Оптические стекла изготавливаются промышленным способом и в данной книге ни методы их получения и шлифовки,

ни свойства не будут рассматриваться. В последующих главах будут описаны лишь приемы впаивания оптических стекол в соот­ ветствующие стеклянные лабораторные приборы и их детали

(гл. IVnXII)-

15

§ 6. Электрические свойства

Стекло при обычных условиях, т. е. в твердом состоянии, яв­ ляется изолятором, и эта его особенность широко используется. Например, металлические контакты — вводы — в приборах впаи­ вают непосредственно в стекло. Однако в расплавленном состоя­ нии стекло проводит электрический ток. При повышении темпе­

ратуры по мере размягчения стекла электрическое сопротивление

его уменьшается, причем у разных стекол по-разному. Наиболь­ шим электрическим сопротивлением обладают стекла с неболь­

барий).

Удельное электрическое сопротивление в единицах СИ выра­ жается в Ом-м (и в кратных им единицах). В таблицах чаще всего приводят удельное объемное сопротивление стекол при тем­ пературах 100, 250 и 3500C. Кроме того, приводят температуру,

при которой удельное объемное сопротивление стекла становится равным 100 МОм-см (или 1 МОм-м); условно эту температуру обозначают Tk— 100.

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

Это свойство стекла всегда необходимо учитывать при изго­ товлении электродов, монтаже электровводов и т. п. (см. § 41).

Если в стекло впаяны металлические вводы, то они являются электродами конденсатора, где стекло — диэлектрик. На обклад­

ках 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 пере­ грева стекла между контактами. При этом стекло может стать

проводником, произойдет замыкание или частичный электролиз стекла. Силикаты (соли натрия, калия, кальция и др.), входящие в состав стекла, подвергаются электролизу при наложении раз­

ности потенциалов, в результате чего нарушается однородность состава стекла, ухудшаются его свойства. Кроме того, при про­ пускании больших токов через вводы вдоль впаянных металли­ ческих электродов появляются пузыри (в результате разложения солей и выделения газов), образуются трещины, нарушается ва­ куумная плотность спая. Признаком, по которому можно обнару­ жить начало электролиза, является изменение цвета спая, а в свинцовых стеклах — выделение металлического свинца (дендри­ тов) на поверхности электродов (их почернение).

16

Электролиз стекла усиливается с возрастанием разности по­

тенциала на вводах (даже при сравнительно невысокой темпера­

и, если прибор работает при пониженном давлении, место ввода контактов деформироваться под действием атмосферного давле­

ния, возможна даже разгерметизация прибора.

Учитывая все сказанное, при монтаже прибора следует тща­ тельно подбирать нужные сорта стекла. Чем больше диэлектри­ ческие потери, тем больше возможен перегрев. Диэлектрические потери прямо пропорциональны частоте переменного тока и про­ изведению тангенса угла диэлектрических потерь на диэлектри­ ческую проницаемость материала. Последнее произведение носит название коэффициента (фактора) потерь. Для впаивания электродов следует подбирать стекла с наименьшим коэффициен­ том потерь, для использования стекла в качестве диэлектрика — с наибольшим удельным сопротивлением. Так, наибольшим элек­ трическим сопротивлением обладают свинцовые (с содержанием окиси свинца — 30%), боросиликатные (ДГ-2, Сиал), типа «пирекс», алюмосиликатные и кварцевые стекла.

Очень важно также знать и поверхностное сопротивление

содержащие большое количество ионов щелочных металлов, легко сорбируют водяные пары и двуокись углерода, содержащиеся в воздухе. При этом на поверхности стекла образуется «карбонатная

пленка», являющаяся проводником электричества, в резуль­

тате чего поверхностное сопротивление стекла уменьшается. По­ верхностное электрическое сопротивление стекла может умень­

шиться и в результате загрязнения поверхности стекла частичками

веществ, пыли.

Такое загрязненное с поверхности стекло делается проводником электричества, а не изолятором.

§ 7. Газопроницаемость и обезгаживание стекол

При определенных условиях стекла обладают газопроницае­ мостью, т. е. газы способны диффундировать через стекло. Это свой­ ство стекла становится заметным при разности давления по обе стороны стеклянной стенки не менее IO6 торр. (1 торр = 1 MM

рт. ст. = 133,322 Па .*)

Наибольшей проницаемостью через стекло обладают гелий и водород, причем скорость проникания водорода через стекла на

порядок ниже, чем у гелия. Для аргона, кислорода и азота стекла

* Паскаль — единица измерения давления в СИ.