Пресс-порошки и изготовление фасонных изделий

Пресс-порошки, т. е. отвешенные в нужных соотношениях, измельченные, высушенные и тщательно перемешанные составные части пластмасс, служат исход­ным материалом для изготовления большинства изделий самой разнообразной формы. Пресс-порошки, содержащие наполнитель, могут изготовляться либо сухим способом, т. е. измельчением и перемешиванием наполнителя и связующего в твер­дом состоянии, либо мокрым (лаковым) способом, с предварительной пропиткой наполнителя раствором связующего в подходящем растворителе, последующим нагревом для испарения растворителя и измельчением полученного материала. Лаковый способ требует расходования растворителя, но в некоторых случаях обес­печивает лучшую однородность пресс-порошка. При изготовлении пресс-порошков применяют мельницы, мешалки, вальцы, вакуумные сушилки, сита для просеивания готового порошка и другое оборудование.

Прессование фасонных изделий. Обычно его производят на гидравлических прессах, обеспечивающих создание достаточно большого давления. В пресс-форму, изготовленную из твердой стали и хромированную, засыпают требуемое количество

температура пресс-формы 155-160 °С, время выдержки в пресс-форме под давле­нием и при нагреве 0,5—1 мин на каждый миллиметр толщины прессуемого изде­лия) получаются изделия со следующими свойствами: плотность 1,33—1 40 Мг/м8-предел прочности при растяжении не менее 30 МПа, при сжатии не менее 150 МПа-'?о^ЛЬ^ооДдарная вязкость не менее 4,2 кДж/ма; теплостойкость по Мартенсу «™ы,; к0ЭФФ"циент теплопроводности 0,16-0,22 Дж/(м-К); температурный коэффициент линейного расширения а, = (4,9—5,3) • 10"? К"1; водопоглощение v mioX* 6ojiees°>25 % по массе; удельное объемное сопротивление не менее 5 X а ш им-м; tg о не более 0,05 (при нормальной температуре н частоте 50 Гц).

Свойства термопластиков. Пластмассы из полиэтилена, полисти­рола и других неполярных полимеров без наполнителей обладают весьма малым tg б, но недостатком большинства этих пластмасс за исключением полипропилена и сшитого полиэтилена является их сравнительно низкая нагревостойкость.

Пластмасса из поливинилхлорида (без наполнителей и пласт ифи-каторов)^ называемая винипластом, изготовляется в виде листов толщиной от 0,3 до 10 мм. При горячей прессовке в этажерочных прессах из уложенных в стопки листов получается материал в виде монолитных пластин или досок. Кроме того, из винипласта изготов­ляются трубы, стержни и различные фасонные изделия. Винипласт имеет предел прочности при растяжении не менее 50 МПа, относи­тельное удлинение перед разрывом от 10 до 50 %, удельную ударную вязкость не менее 120 кДж/м2; он обладает ничтожной гигроскопич­ностью и высокой стойкостью ко многим растворителям и химически активным веществам. Электроизоляционные свойства винипласта-р = J013 Ом-м; р5 = 10" Ом; ег = 3,2-4,0; tg б = 0,01 — 0,05;" £пр — 15-4-35 МВ/м. Теплостойкость по Мартенсу не ниже 65 °С. Винипласт применяется для изоляции в разного рода электриче­ской аппаратуре, в частности, работающей в условиях высокой влажности и воздействий химически активных веществ, но при относительно невысокой рабочей температуре.

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ

Широкое применение в качестве конструкционных и электро­изоляционных материалов имеют слоистые пластики, в которых наполнителем является тот или иной листовой волокнистый мате­риал. К этим материалам относятся гетинакс, текстолит и др.

Гетинакс получается посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Для производства гетинакса берется проч­ная и_ нагревостойкая пропиточная бумага (§ 6-12). Пропитка ее смолой может производиться различными способами. Наиболее распространенным способом в течение ряда лет был способ пропитки лаком, т. е. раствором бакелита А в спирте, с последующей сушкой В пропиточной машине бумага (или ткань —для производства текстолита, см. ниже), разматываясь с рулона, проходит через ванну с лаком, поднимается в сушильную шахту и через валики на­матывается на приемный механизм. Существенным недостатком этого способа пропитки является расходование больших количеств дорогого растворителя —спирта, пары которого при сушке удаляются, 152

к тому же применение легкогорючего спирта повышает пожарную опасность производства.

В СССР была разработана технология производства слоистых электроизоляционных пластиков, для которой характерна пропитка бумаги или ткани жидкими водными суспензиями фенолформаль-дегидных смол; при сушке пропитанной бумаги вода испаряется. Данная технология производства слоистых пластиков совершенно не требует применения спирта, и внедрение ее в производство не­которых марок слоистых пластиков дало большую экономию. Пропи­танная (бакелитизированная) бумага нарезается листами требу­ющегося формата, собирается пачками нужной толщины и уклады­вается между стальными плитами гидравлического пресса. Прессы для производства слоистых пластиков с целью повышения произ­водительности выполняются с располагаемыми в несколько «этажей» плитами и заготовки из пропиточной бумаги закладывают одно­временно во все этажи. Во время прессования через просверленные в плитах каналы пропускается пар, который нагревает плиты, от плит теплота передается прессуемому материалу, бакелит в нем расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдель­ными листами ее и, запекаясь (переходя в стадию С), твердеет и связывает отдельные слои бумаги. При прессовке гетинакса обычно устанавливают давление около 1 МПа; температура плит пресса 160—165 °С; время выдержки под давлением от 2 до 5 мин на каждый миллиметр толщины досок, считая с момента достижения плитами пресса указанной выше температуры. По окончании прессования, перед выемкой отпрессованных досок, последние охлаждаются при­мерно до температуры +60 °С, для чего подача пара в каналы плит прекращается, и в эти же каналы пропускается холодная вода. У отпрессованного материала края обрезают под прямым углом циркульной пилой.

Согласно ГОСТ 2718—74 листовой электротехнический гетинакс выпускается различных марок (табл. 6-5). Отметим только две из них: 1 —для панелей распределительных устройств, щитов, изо­ляционных перегородок в устройствах низкого напряжения (выпускается в листах толщиной от 0,2 до 50 мм); V — для деталей, работаю­щих в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения (выпускается в листах толщиной от 5 до 50 мм). Для всех марок гетинакса длина—не менее 700 мм, ширина —не менее 550 мм. Электрическая прочность гети­накса в направлении, перпендику­лярном слоям, Епр ~ 20—40 МВ/м, диэлектрическая проницае­мость ег от 5 до 6. Дугостойкость гетинакса, как и других пластиков на фенолформальдегидном связующем, невысока: после воздействия разряда на поверхности материала остается науглероженный след, обладающий значительной электрической проводимостью (явление тренинга). Слоистая структура гетинакса, как и других слоистых пластиков (а также слюды и слюдяных материалов, см. § 6-18), приводит к заметной анизотропии свойств в направлениях, пер­пендикулярном и параллельном слоям. Так, например, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50—100 раз, а элек­трическая прочность вдоль слоев в 5—8 раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс может обрабатываться режущим инструментом из твердых сплавов, причем скорости резания при небольших подачах велики; станки должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией для уда­ления пыли; охлаждение ведется воздушной струей. Торцы штампо­ванных деталей рекомендуется защищать электроизоляционным ла­ком. Не следует снимать фрезой поверхностный слой материала, ибо такая обработка ведет к ухудшению влагостойкости гетинакса. Гетииакс нашел применение в высоко- и низковольтном аппарато-приборостроении, а также в технике связи.

Фольгированный гетинакс. Для изготовления печатных схем низковольтных цепей аппаратуры используют фольгированный ге­тинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной стороны или с двух сторон электролитической красно-медной фоль­гой толщиной 0,035—0,05 мм. На рис. 6-31 показан печатный мон­таж, полученный травлением фолыированного гетинакса.

Текстолит. Этот пластик аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Свойства различных марок листового элек­тротехнического текстолита определяются ГОСТ 2910—74. Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани (например, марка Б, см. табл. 6-5) в общем близки к свойствам гетинакса; текстолит имеет повышенную удельную ударную вязкость, стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию (при вдавливании клина в торец доски). Текстолит в пять-шесть раз дороже гетинакса, так как стои­мость ткани значительно выше стоимости бумаги, и применяется лишь в отдельных случаях для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей

и т. п.). Текстолит марки ЛТ на основе синтетической (лавсановой) ткани с пропиткой эпоксидно-фенолформальдегидной смолой более влагостоек, но его нагревостойкость (до 85 СС) понижена.

Другие виды слоистых пластиков. Это текстогетинакс (комби­нированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и на­ружными — с обеих сторон —слоями хлопчатобумажной ткани); древеснослоистые пластики (ДСП) —типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоля­ционными свойствами и более гигроскопичные; более нагревостой-кие слоистые пластики — на неорганических основах: асбогетинакс на основе асбестовой бумаги и асботекстолит на основе асбестовой ткани (см. § 6-19); наиболее нагревостойкие, влагостойкие и меха­нически прочные слоистые пластики — стеклотекстолиты на основе неорганической —стеклянной (см. § 6-16) ткани с нагревостойкими связующими (см. характеристики для стеклотекстолита марки СТЭФ на эпоксидном связующем в табл. 6-5). Наряду со стеклотекстоли-тами выпускаются и более дешевые слоистые пластики на основе не стеклоткани, а стекломата, получаемого без тканья, т. е. без переплетения нитей друг с другом.

Фасонные и намотанные изделия. Помимо описанных выше ли­стовых слоистых пластиков, находят применение и фасонные слои­стые изделия. Таковы намотанные изделия, известные под назва­нием гетинаксовых (бакелитовых) трубок (внутренний диаметр от 10 до 30 мм) и цилиндров (внутренний диаметр от 30 до 600 мм). Бакелитовые трубки и цилиндры выпускаются различной длины при толщине стенки от 1,5 до 3 мм. Они изготовляются из лакиро­ванной с одной стороны (на специальных лакировочных машинах) намоточной бумаги (§ 6-12), более тонкой и плотной, чем пропиточная бумага, которая идет на производство листового гетинакса. Лаки­рованная бумага туго наматывается на металлическую оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных изделий усту­пают свойствам листового гетинакса. Изготовляются также тексто­литовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали сложной формы, в частности гасильные камеры для масляных выключателей. Текстолит применяется и как конструкционный материал, например, для изготовления подшипников и бесшумных зубчатых передач. Зубчатые колеса для таких передач прессуются из набранных в стопки заготовок, отштампованных из пропитанной ткани.

ЭЛАСТОМЕРЫ

Большое значение в самых разнообразных отраслях техники и в быту имеют материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ —так называемых эластомеров.

НАТУРАЛЬНЫЙ КАУЧУК

Натуральный каучук получается из особых растений — каучу­коносов. Большая часть каучуконосов содержит каучук в млечнсм соке (латексе), представляющем собой взвесь в воде микроскопических частиц округленной формы (глобул); глобулы имеют тонкую оболочку из белковых веществ и жирных кислот. Каучук выделяется при коагуляции латекса и удалении примесей. По химическому составу натуральный каучук представляет собой полимерный угле­водород, имеющий состав (C5Hs)n и строение, характеризуемое на­личием двойных связей:

Уже при нагреве до температуры 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах он хрупок. Каучук растворяется в углеводородах и сероуглероде. Раствор каучука в бензине, называемый обычно резиновым клеем, может приме­няться для прочного склеивания каучука и резины. Высокая эла­стичность каучука связана с зигзагообразной, «шарнирной» формой цепочек его молекул; при действии на каучук растягивающего уси­лия форма цепочки приближается к прямолинейной. Каучук — аморфное вещество, но в растянутом состоянии он дает рентгено­граммы, характерные для кристаллических тел, имеющих упоря­доченное расположение молекул в пространстве. После снятия рас­тягивающего усилия каучук вновь приобретает свойства аморфного тела. Из-за малой стойкости к действию как повышенных, так и по­ниженных температур, а также растворителей чистый каучук для изготовления электрической изоляции не употребляют. Для устра­нения указанных выше недостатков каучук подвергают так назы­ваемой вулканизации, т. е. нагреву после введения в него серы. При вулканизации происходит частичный разрыв двойных связей це­почечных молекул и сшивание цепочек через атомы —S— с образо­ванием пространственной структуры. РЕЗИНА

Вулканизация улучшает как нагревостойкость, так и холодо­стойкость каучука, повышает его механическую прочность и стой­кость к растворителям. В зависимости от количества серы, добав­ляемой к каучуку, при вулканизации получают: при содержании 1-—3 % серы —мягкую резину, обладающую весьма высокой растя­жимостью и упругостью, а при 30—35 % серы —твердую резину (эбонит) —твердый материал, обладающий высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Относительное удлинение перед разрывом для технических резин составляет 150—500 %, а для эбонита —2—6 % (остаточное удлинение — соответственно 10—45% и 0,8—1,2%).

Помимо каучука и серы при изготовлении резины и эбонита в состав резиновой смеси вводят различные наполнители (мел, тальк), а также красители, катализаторы (ускорители) процесса вулканизации и другие вещества. Резину широко применяют в электропромышленности для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких переносных проводов и кабелей. Она употребляется также для изготовления защитных перчаток, галош, ковриков и изоляционных трубок, применяемых при монтаже проводов. К недостаткам резины как электроизоля­ционного материала следует отне­сти низкую нагревостойкость (при нагреве резина стареет, становится хрупкой и трескается), малую стой­кость к действию неполярных жид­костей (бензол, бензин); малую стойкость к действию света, осо­бенно ультрафиолетового, под

влиянием которого резина быстро стареет. Губительно действует на резину озон, образующийся при ионизации в воздушных включениях или в окружающем воздухе: озон резко ускоряет старение резины, в особенности работающей в растянутом состоянии; в этих случаях обра­зующиеся при начавшемся старении трещины имеют тенденцию к увеличению и озон по ним проникает в глубь материала. В связи с этим применение резины для работы при высоких напряжениях, когда может иметь место ионизация воздуха, сопряжено с большими труд­ностями. Содержащиеся в резине остатки свободной (не связанной хи­мически с каучуком) серы могут оказывать вредное действие на медь, соприкасающуюся с резиной, особенно при повышенной температуре: медь соединяется с серой, образуя сернистую медь. Поэтому недо­пустимо непосредственно накладывать обычную резиновую изоляцию на медную жилу кабельного изделия; предварительно медь покры­вают так называемым разделителем —слоем олова либо другого не подверженного влиянию серы металла, или бумагой. На алюминиевые жилы резина может накладываться непосредственно, без разделителя.

В необходимых случаях применяют тиурамовую резину, при изготовлении которой берут не чистую серу, а тиурам —органиче­ское сернистое соединение, при нагреве передающее часть содержа­щейся в нем серы каучуку, что и обеспечивает вулканизацию; тиура-мовая резина не содержит свободной серы, и потому ее можно накла­дывать непосредственно на медь. Кроме того, тиурамовая резина обладает более высокой нагревостойкостыо: так, в кабельных изде­лиях для сернистых резин допускается рабочая температура +55 °С, а для тиурамовых резин +65 °С (если тиурамовая резина защищена свинцовой или поливинилхлоридной оболочкой —даже до +80 °С).

Резины, содержащие в качестве наполнителя сажу и имеющие поэтому черный цвет, обладают хорошими механическими свойствами, но электроизоляционные свойства их низки. Поэтому сажевые резины в электротехнике используют лишь в тех случаях, когда от них не требуются высокие электрические свойства; пример — наружные защитные оболочки (шланги) резиновых кабелей.

Чистый каучук практически неполярен; он имеет р около 10" Ом-м; ег = 2,4; tg б = 0,002. Примерный характер изменения е,. и tg б при вулканизации каучука, имеющего различное количество серы, показан на рис. 6-32; рост гг и tg б вызван усилением полярных свойств материала из-за влияния атомов серы, но при большом содержании серы (материал типа эбонита) ориентация дипольных молекул затрудняется увеличенной вязкостью вещества. Свойства резины сильно зависят от состава резиновой смеси и от технологии; для обычных электроизоляционных резин р лг «Ю13 Ом-м; ег = Зч-7; tg б = 0,02-г-0,10 (для сажевых резин — до 0,25); £пр = 20—30 МВ/м.

СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК

В течение многих лет натуральный каучук добывали исключи­тельно в тропических странах, сначала из дикорастущих каучуко­носных деревьев (Бразилия), затем из тех же деревьев, но разводи­мых на каучуковых плантациях (Индонезия, Шри Ланка и др.).

До Великой Октябрьской социалистической революции каучук в Россию полностью ввозился из-за границы. В дальнейшем эта задача была разрешена как нахождением отечественных растений-каучуконосов (например, кок-сагыз), так и, главным образом, разработкой способов промышленного получения синтетического каучука—СК; (натуральный каучук — НК). Сырьем для получе­ния СК служит спирт, нефть и природный газ. В кабельной про мышленности резины для защитных оболочек изготовляются исклю­чительно на основе СК, а в изоляционных смесях более половины НК заменяется СК.

Бутадиеновый каучук (СКВ) получается при полимеризации газообразного углеводорода бутадиена (дивинила):

Н2С=СН-СН=СН2.

При полимеризации в присутствии катализатора (металлического натрия) бутадиен дает СКВ, цепочки молекул которого имеют вид

... — СН2 — СН = СН — СН2 —...

Таким образом, по составу СКВ близок к НК, который можно представить как полимер углеводорода изопрена (метилдивинила):

Н2С=С—СН=СН2.

Синтетический бутадиеновый каучук, используемый в качестве электрической изоляции, должен быть тщательно отмыт от остатков катализатора (натрия), которые могут ухудшать его электроизоля­ционные свойства. При нагреве до 200—300 °С СКВ (без добавки вул­канизирующих веществ) дополнительно полимеризуется в резуль­тате частичного разрыва двойных связей и переходит в эскапон, по механическим свойствам приближающийся к эбониту, но более нагрезостойкий и мало подверженный действию кислот и органи­ческих растворителей. По мере увеличения времени полимеризации материал получается все более твердым. Эскапон, название которого происходит от первых букв слов «синтетический каучук» и фамилии изобретателя материала Л. Т. Пономарева, имеет высокие электро-158

изоляционные свойства (р около 1015 Ом-м; ег = 2,7ч-3,0; tg б около 510~4), что объясняется неполярной природой этого пространствен­ного полимера чисто углеводородного состава. На основе эскапона изготовляется целый ряд электроизоляционных материалов (лаки, лакоткани, компаунды и т. п.).

Бутадиен-стирольный каучук (СКС) получается при совместной полимеризации бутадиена и стирола. По электроизоляционным свой­ствам СКС приближается к НК. Он обладает повышенной нагрево-стойкостью, маслостойкостыо и бензиностойкостью.

Бутилкаучук получают совместной полимеризацией изобутилена Н2С=С(СН3)2 с небольшим количеством изопрена или бутадиена. Число двойных связей в молекуле бутилкаучука значительно меньше, чем в СКВ или СКС; этим обусловлена относительно вы­сокая нагревостойкость бутилкаучука и резин на его основе, а так­же повышенная его стойкость к действию кислорода, озона и кис­лот. Его газопроницаемость в 10—20 раз меньше, чем НК; эластич­ность его невысока, но сохраняется и при температурах ниже минус 60 °С, что характеризует высокую холодостойкость бутилкаучка.

Это полярный (вследствие присутствия атомов хлора) материал с невысокими электроизоляционными свойствами; зато он сравни­тельно стоек к действию масла и бензина, а также озона и других окислителей, благодаря чему может применяться для защитных оболочек кабельных изделий, маслостойких прокладок и т. п. Он более устойчив к тепловому старению и менее проницаем для газов,

чем НК.

Бутадиен-нитрилакрильный каучук (СКН) получается совместной полимеризацией бутадиена и акрилнитрила Н2С=СН—CN. Он также имеет дипольную природу (из-за наличия сильно полярных групп —CN) и невысокие электроизоляционные свойства. Все синте­тические каучуки углеводородного состава (СКВ, СКС, бутилкау­чук), как и НК, набухают и частично растворяются в нефтяных мас­лах; СКН и, как уже отмечалось, хлоропреновые каучуки более стойки к действию растворителей. Хлоропреновые каучуки обладают пониженной горючестью (не распространяют горение).

Кремнийорганические каучуки. В основе строения молекулы такие каучуки имеют полисилоксановую цепочку (см. стр. 124). Они вулканизируются лишь при введении специальных добавок, например органических пероксидов. Кремнийорганические кау­чуки обладают высокой нагревостойкостью (около 4-250 °С), хоро­шей холодостойкостью (сохраняют гибкость при температуре от —70 до —100 °С) и хорошими электроизоляционными свойствами, но имеют невысокие механические свойства, малостойки к действию растворителей и дороги. По механическим свойствам рассмотренные

выше каучуки могут быть разделены на две группы. Резины из ка-учуков первой группы имеют относительно высокую прочность при растяжении даже без добавления наполнителей. Резины из каучу-ков второй группы обладают высоким пределом прочности при растяжении только при наличии в их составе активных наполни­телей; каучуки второй группы не обладают способностью кристалли­зоваться, как об этом упоминалось при описании НК. К каучукам первой группы относятся НК, хлоропреновые каучуки и бутил-каучук, а к каучукам второй группы —СКВ, СКС и кремнийор-ганнческие каучуки.

Изделия из различных резин изготовляются с помощью прессо­вания (§ 6-13). Нанесение изоляции защитных оболочек из резино­вых смесей на кабельные изделия производится чаще всего на шприц-машинах, аналогичных по своему устройству экструдерам, служащим для наложения термопластов (см. стр. 151). Изолирован­ные или покрытые резиновой смесью кабельные изделия подверга­ются вулканизации. Прогрессивным способом является вулканиза­ция на агрегатах непрерывной вулканизации (АНВ), когда провод или кабель непосредственно после червячного пресса пропускается через имеющее несколько десятков метров в длину нагревательное устройство, в котором резиновая смесь и вулканизируется.

Вопрос 25

СТЁКЛА

Стекла — неорганические квазиаморфные вещества — представ­ляют собой сложные системы различных оксидов. Кроме стеклоооб-разующих оксидов, т. е. таких, каждый из которых способен сам по себе в чистом виде образовывать стекло (SiO2, В.2О8), в состав стекол входят и другие оксиды: щелочные Na2O, K2O, щелочноземельные СаО, ВйО, а также PbO, AI2O3 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/м3.

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

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 10'—108 Па-с. Температуры размягчения большинства стекол на­ходятся в пределах от 400 до 1600 °С; последнее значение соответст­вует кварцевому стеклу (состава 100 % SiO2). Добавки к SiO2,

в частности щелочные оксиды, понижают температуру размягчения. Значение а1 стекол различного состава изменяется в пределах от 0,55-10"6 К"1 (это значение также относится к кварцевому стеклу) до 15-10~в К"1; сб; 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.

Из всех величин, входящих в правую часть этой формулы, именно а; 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 а; стекла и соединяемых с ним материалов при­близительно одинаковыми, иначе при смене температур может про­изойти 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 а, этих стекол близки к щ 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 (СоО — синюю, Сг2О3 — зеленую, UOa — жел-

6 Богородицкий Н. П. и др.

тую), 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 п различных стекол колеблется от 1,47 до 1,96; высокие значения п 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 % В2О3, 2,5 % ВеО и 14,5 % Li2O; это стекло нестойко к действию влаги 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-/n SiO2 (реже K20mSi02) 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 В2О3 и А12Оа стойки к парам натрия, что важно для некоторых электро­осветительных приборов.

Электрические свойства (см. также стр. 40, 42) в весьма большой степени зависят от их состава. Для различных технических стекол при нормальной температуре р = 106н-1015 Ом-м; ег = 3,8-4-16,2; tg 6 = 0,0002-0,01.

Для кварцевого стекла при 20 °С гТ = 3,8 и tg б = 0,0002; р при 200 °С составляет примерно 1015 Ом-м. Сильно уменьшает р и ps 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 про-162

зрачности 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 б, который при повышении температуры заметно воз­растает (см. рис. 3-8). Одновременное присутствие в составе стекла двух различных щелочных оксидов увеличивает р и уменьшает tg б по сравнению со стеклом, содержащим только один щелочной оксид (явление называется нейтрализационным или полищелочным эф­фектом, см. рис. 6-34 и 3-8). Стекла, содержащие в больших коли­чествах тяжелые оксиды металлов (РЬО, ВаО), имеют низкий tg б даже при наличии в их составе щелочных оксидов.

Содержание щелочных оксидов (N2O в большей степени, чем К2О) повышает е, силикатных стекол (рис. 6-35). Температурный коэф­фициент диэлектрической проницаемости а8г различных технических стекол находится в пределах от +30-10"6 до +500- 10~в 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 £пр оказывают воздуш­ные включения — пу­зыри в толще стекла. При постоянном напря-

жении 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.