Механические испытания материалов Испытания на твердость Измерение ударной вязкости Кристаллическое строение металлов Кристаллизация Основы теории сплавов Металлы Полупроводники Электропроводность твёрдых диэлектриков

Материаловедение Металлы, проводники, кристализация

 

Электропроводность твёрдых диэлектриков.

Описание материалов:

СТЕКЛА.

Стекла — неорганические квазиаморфные вещества — представ­ляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклоообразующих оксидов, т. е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, B2C3, в состав стекол входят и другие оксиды: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные CaO, BаO, а также PbO, Al2O3 и др. Основу большинства стекол составляет SiO2; такие стекла называются силикатными.

СВОЙСТВА СТЕКОЛ:

Свойства стекол меняются в широких пределах в зависимости от их состава и режима тепловой обработки.

Плотность. Стекла имеют плотность, которая колеблется от 2 до 8,1 Мг/м3. К тяжелым стеклам принадлежат стекла с высоким содержанием свинца (хрустали, флинты). Плотность обычных сили­катных стекол (например, оконного стекла) близка к 2,5 Мг/м.

Механические свойства. Прочность стекол на сжатие много больше, чем прочность на разрыв: предел прочности при сжатия составляет 6000—21 000 МПа, при растяжении — 100—300 MПa.

Тепловые свойства. Как аморфные вещества, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагреве вязкость стекол уменьшается постепенно; за температуру размягчения стекла принимается температура, при которой вязкость его составляет 107—108 Па·с. Температуры размягчения большинства стекол на­ходятся в пределах от 400 до 1600 0C; последнее значение соответст­вует кварцевому стеклу (состава 100 % SiO2). Добавки к SiO2, в частности щелочные оксиды, понижают температуру размягчения. Значение al стекол различного состава изменяется в пределах от 0,55-10-6 К-1 (это значение также относится к кварцевому стеклу) до 15×10-6 К-1; al играет большую роль в оценке стойкости стекол к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении снаружи предмета из стекла (или другого хруп­кого материала) вследствие неравномерного распределения темпера­тур в наружном слое материала возникают механические (темпера­турные) напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания стекла. При быстром нагреве поверхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в них создаются напряжения сжатия. Если же имеет место внезапное охлаждение поверхности стекла, то вслед­ствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенден­ция к отрыву друг от друга соседних участков этого слоя. Так как у стекол прочность при растяжении много меньше, чем прочность при сжатии (см. выше), то внезапное внешнее охлаждение более опа­сно, чем внезапный нагрев.

Сравнительная стойкость к термоударам изделий из стекла раз­личного состава при одной и той же толщине приближенно оценива­ется величиной

где sp—предел прочности при растяжении; al —температурный коэффициент линейного расширения; E —модуль упругости; gт — коэффициент теплопроводности; с—удельная теплоемкость; r — плотность стекла.

Из всех величин, входящих в правую часть этой формулы, именно al меняется для стекол различного состава в наиболее широких пределах и имеет основное практическое значение для оценки стой­кости стекла к термоударам. Тонкостенные изделия из стекла дан­ного состава значительно более стойки к термоударам, чем толстостенные.

Температурный коэффициент линейного расширения стекол играет важную роль при спайке и сварке друг с другом различных сте­кол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло, при нанесении стеклоэмали на ту или иную поверхность. Необходимо подбирать значения al стекла и соединяемых с ним материалов при­близительно одинаковыми, иначе при смене температур может произойти и растрескивание стекла, нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Применяемые в практике названия стекла «вольфрамовое» и «молибденовое» объясняются не составом их, а тем, что значения al этих стекол близки к al вольф­рама и соответственно молибдена, что весьма важно для электрова­куумной техники.

Оптические свойства. Обычные стекла прозрачны для лучей видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам определенную окраску (CoO—синюю, Cr2O3—зеленую, UO2—желтую), что используется при получении цветных стекол, эмалей и глазурей.

Большинство технических стекол, благодаря содержанию при­меси оксидов железа, сильно поглощают ультрафиолетовые лучи. Увиолевые стекла, содержащие менее 0,02 % Fe2O3, обладают проз­рачностью для ультрафиолетовых лучей; весьма хорошо пропускает эти лучи кварцевое стекло, которое применяется в специальных «кварцевых» лампах, дающих ультрафиолетовое излучение.

Показатель преломления n различных стекол колеблется от 1,47 до 1,96; высокие значения n имеют тяжелые свинцовые стекла — хрустали.

Стекла, в состав которых входят элементы с малой атомной мас­сой, весьма прозрачны для рентгеновских лучей; таково, например, специальное стекло, имеющее состав 83 % B2O3, 2,5 % BeO и 14,5 % Li2O; это стекло нестойко к действию плат и должно по­крываться лаком; из него изготовляют «окошки» в рентгеновских трубках, сквозь которые рентгеновские лучи выходят из трубки наружу. Напротив, стекла с большим содержанием свинца сильно поглощают рентгеновские лучи.

Гидролитическая стойкость. Стойкость к действию влаги оцени­вается массой составных частей стекла, переходящей в раствор с еди­ницы поверхности стекла при длительном соприкосновении его с во­дой; растворимость стекла увеличивается при возрастании темпера­туры. Стекла с низкой гидролитической стойкостью обладают малым поверхностным удельным сопротивлением в условиях влажной среды. Наивысшей гидролитической стойкостью обладает кварцевое стекло; гидролитическая стойкость сильно уменьшается при введении в стекло щелочных оксидов.

Стекла состава Na2O-m SiO2 (реже K2O-mSiO2) с силикатным мо­дулем т от 1,5 до 4,2 являются растворимыми стеклами; при повы­шенном давлении и температуре они растворяются в воде, образуя вязкие клейкие растворы щелочной реакции; такой раствор концен­трации 30—50 % с плотностью 1,27—1,92 Мг/м3 называется жид­ким стеклом.

Силикатные стекла практически стойки к действию кислот, за исключением лишь плавиковой кислоты HF, но малостойки к ще­лочам. Специальные типы стекол с высоким содержанием B2O3 и AI2O3 стойки к парам натрия, что важно для некоторых электро­осветительных приборов.

Электрические свойства в весьма большой степени зависят от их состава. Для различных технических стекол при нормальной температуре r == 106-1О15 om×m; er = 3,8-16,2; tg d = 0,0002-0,01.

Для кварцевого стекла при 20 0C er = 3,8 и tg d = 0,0002; r при 200 0C составляет примерно 1015 om×m. Сильно уменьшает r и rs введение в стекло оксидов щелочных металлов; наличие име­ющих меньший размер ионов натрия более вредно, чем наличие ио­нов калия (рис. 6-33). При воздействии на щелочное стекло постоян­ного напряжения происходит электролиз, который благодаря прозрачности

стекла можно наблюдать непосредственно: при длительной выдержке стекла под достаточно большим напряжением, в особен­ности при повышенной температуре, когда проводимость стекла велика, у катода наблюдаются отложения металла (обычно натрия) в виде характерных ветвистых образований — дендритов.

Стекла с большим содержанием щелочных оксидов при отсутствии или при малом содержании оксидов тяжелых металлов имеют значи­тельный tg d, который при повышении температуры заметно воз­растает. Одновременное присутствие в составе стекла двух различных щелочных оксидов увеличивает r и уменьшает tg d по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочной оксид (явление называется нейтрализационным или полищелочным эф­фектом, см. рис. 6-34). Стекла, содержащие в больших коли­чествах тяжелые оксиды металлов (PbO, BaO), имеют низкий tg d даже при наличии в их составе щелочных оксидов.

Содержание щелочных оксидов (N2O в большей степени, чем K2O) повышает e, силикатных стекол (рис. 6-35). Температурный коэф­фициент диэлектрической проницаемости ae. различных технических стекол находится в пределах от +30×10-6 до +500×1O-6 К-1.

Поверхностная проводимость сильно зависит от состояния поверх­ности стекла, возрастая при ее загрязнении. При повышенной влаж­ности окружающей среды поверхностная проводимость также возра­стает, особенно у стекол, обладающих низкой гидролитической стой­костью (см. выше).

Электрическая прочность стекол при электрическом пробое мало зависит от их состава. Решающее влияние на Епр оказывают воздуш­ные включения — пу­зыри в толще стекла. При постоянном напряжении в однородном электрическом поле электрическая прочность стекла весьма велика и достигает 500 МВ/м, При высоких частотах (а при высоких температурах - и при низких частотах и даже при постоянном напряжении) пробой стекла имеет электротепловой ха­рактер.

ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА СТЕКОЛ

ТИПЫ СТЕКОЛ

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ

Материаловедение