Боросиликатное стекло — это тип стекла , в котором основными стеклообразующими компонентами являются кремний и триоксид бора . Боросиликатные стекла известны тем, что имеют очень низкие коэффициенты теплового расширения (≈3 × 10−6 K − 1 при 20 °C), что делает их более устойчивыми к тепловому удару, чем любое другое обычное стекло. Такое стекло подвергается меньшему термическому напряжению и может выдерживать перепады температур без разрушения около 165 °C (300 °F). [1] Его обычно используют для изготовления бутылок и колб для реагентов , а также освещения, электроники и посуды.
Боросиликатное стекло продается под различными торговыми марками, включая Borosil , Duran , Pyrex , Glassco, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, Marinex (Бразилия), BSA 60, BSC 51 (от NIPRO), Heatex, Endural, Schott , Refmex , Kimax, Gemstone Well, United Scientific и MG (Индия).
Одноцокольные самозапускающиеся лампы изолированы слюдяным диском и заключены в боросиликатную стеклянную газоразрядную трубку (дуговую трубку) и металлический колпачок. [2] [3] К ним относятся натриевые лампы , которые обычно используются в уличном освещении. [4] [5] [2] [3]
Боросиликатное стекло обычно плавится при температуре около 1650 °C (3000 °F; 1920 K).
Боросиликатное стекло было впервые разработано немецким стеклоделом Отто Шоттом в конце 19 века в Йене . Таким образом, это раннее боросиликатное стекло стало известно как йенское стекло . После того, как Corning Glass Works представила Pyrex в 1915 году, это название стало синонимом боросиликатного стекла в англоязычном мире (с 1940-х годов значительная часть стекла, производимого под брендом Pyrex, также изготавливалась из натриево-кальциевого стекла ). Боросиликатное стекло — это название семейства стекол, различные представители которого предназначены для совершенно разных целей. Наиболее распространенным сегодня является боросиликатное стекло 3.3 или 5.0x, такое как Duran, Corning33, Corning51-V (прозрачное), Corning51-L (янтарное), NIPRO BSA 60 и BSC 51 от International Cookware.
Боросиликатное стекло создается путем объединения и плавления оксида бора , кварцевого песка, кальцинированной соды [6] и глинозема. Поскольку боросиликатное стекло плавится при более высокой температуре, чем обычное силикатное стекло , для промышленного производства потребовались некоторые новые методы.
В дополнение к кварцу , карбонату натрия и оксиду алюминия , традиционно используемым в стекольном производстве , бор используется в производстве боросиликатного стекла. Состав боросиликатного стекла с низким коэффициентом расширения, такого как упомянутые выше лабораторные стекла, составляет приблизительно 80% кремния , 13% оксида бора , 4% оксида натрия или оксида калия и 2–3% оксида алюминия . Хотя его сложнее производить, чем традиционное стекло из-за высокой температуры плавления, его производство экономично. Его превосходная прочность, химическая и термостойкость находят применение в химическом лабораторном оборудовании, посуде для приготовления пищи, освещении и в некоторых видах окон.
Процесс производства зависит от геометрии изделия и может быть дифференцирован между различными методами, такими как плавка , волочение труб или формование .
Обычный тип боросиликатного стекла, используемого для лабораторной посуды, имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (3,3 × 10−6 K − 1 ), [7] примерно втрое меньше, чем у обычного натриево-кальциевого стекла. Это снижает напряжение материала, вызванное температурными градиентами, что делает боросиликатное стекло более подходящим типом стекла для определенных применений (см. ниже). Плавленый кварц в этом отношении даже лучше (имея одну пятнадцатую теплового расширения натриево-кальциевого стекла); однако сложность работы с плавленым кварцем делает кварцевую посуду намного более дорогой, и боросиликатное стекло является недорогим компромиссом. Хотя боросиликатное стекло более устойчиво к тепловому удару , чем другие типы стекла, оно все равно может треснуть или разбиться при воздействии быстрых или неравномерных колебаний температуры.
К характерным свойствам этого семейства стекол относятся:
Температура размягчения (температура, при которой вязкость составляет приблизительно 107,6 пуаз ) типа 7740 Pyrex составляет 820 °C (1510 °F). [8]
Боросиликатное стекло менее плотное (около 2,23 г/см 3 ), чем типичное натриево-кальциевое стекло из-за низкой атомной массы бора. Его средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении (20–100 °C) составляет 0,83 Дж/(г⋅K), что примерно составляет одну пятую от теплоемкости воды. [9]
Разница температур, которую боросиликатное стекло может выдержать до разрушения, составляет около 330 °F (180 °C), тогда как натриево-кальциевое стекло может выдержать изменение температуры только около 100 °F (55 °C). Вот почему типичная кухонная утварь из традиционного натриево-кальциевого стекла разобьется, если сосуд с кипящей водой поставить на лед, а Pyrex или другое боросиликатное лабораторное стекло — нет. [1]
Оптически боросиликатные стекла представляют собой кронстекла с низкой дисперсией ( числа Аббе около 65) и относительно низкими показателями преломления (1,51–1,54 в видимом диапазоне).
Для целей классификации боросиликатное стекло можно грубо разделить на следующие группы в соответствии с их оксидным составом (в массовых долях ). Характерным для боросиликатных стекол является наличие значительного количества кремнезема (SiO 2 ) и оксида бора (B 2 O 3 , >8%) в качестве структурообразователей стекла. Количество оксида бора влияет на свойства стекла определенным образом. Помимо высокоустойчивых разновидностей (B 2 O 3 до максимум 13%), существуют другие, которые — из-за различного способа включения оксида бора в структурную сетку — имеют только низкую химическую стойкость (содержание B 2 O 3 более 15%). [10] Поэтому мы различаем следующие подтипы.
Содержание B 2 O 3 в боросиликатном стекле обычно составляет 12–13%, а содержание SiO 2 — более 80%. Высокая химическая стойкость и низкое тепловое расширение (3,3 × 10 −6 K −1 ) — самое низкое из всех коммерческих стекол для крупномасштабных технических применений — делают его универсальным стеклянным материалом. Высококачественные боросиликатные плоские стекла используются в самых разных отраслях промышленности, в основном для технических применений, где требуется либо хорошая термическая стойкость, либо отличная химическая стойкость, либо высокая светопропускаемость в сочетании с безупречным качеством поверхности. Другие типичные области применения различных форм боросиликатного стекла включают стеклянные трубки, стеклянные трубопроводы , стеклянные контейнеры и т. д., особенно для химической промышленности.
В дополнение к примерно 75% SiO 2 и 8–12% B 2 O 3 эти стекла содержат до 5% оксидов щелочноземельных металлов и глинозема (Al 2 O 3 ). Это подтип немного более мягких стекол, которые имеют тепловое расширение в диапазоне (4,0–5,0) × 10 −6 K −1 . [11]
Его не следует путать с простыми композитами из боросиликатного стекла и оксида алюминия. [12]
Стекла, содержащие 15–25% B 2 O 3 , 65–70% SiO 2 и меньшее количество щелочей и Al 2 O 3 в качестве дополнительных компонентов, имеют низкие температуры размягчения и низкое тепловое расширение. Герметичность к металлам в диапазоне расширения вольфрама и молибдена и высокая электроизоляция являются их важнейшими характеристиками. Повышенное содержание B 2 O 3 снижает химическую стойкость; в этом отношении высокоборатные боросиликатные стекла сильно отличаются от нещелочноземельных и щелочноземельных боросиликатных стекол. Среди них также боросиликатные стекла, которые пропускают УФ-свет до 180 нм, которые сочетают в себе лучшее из боросиликатного стекла и кварцевого мира. [10]
Боросиликатное стекло имеет широкий спектр применения: от посуды для приготовления пищи до лабораторного оборудования, а также является компонентом высококачественных продуктов, таких как имплантируемые медицинские устройства и устройства, используемые в исследовании космоса .
Практически вся современная лабораторная посуда изготавливается из боросиликатного стекла. Оно широко используется в этом применении из-за своей химической и термической стойкости и хорошей оптической прозрачности, но стекло может реагировать с гидридом натрия при нагревании, образуя борогидрид натрия , распространенный лабораторный восстановитель. Плавленый кварц также встречается в некотором лабораторном оборудовании, когда требуются его более высокая температура плавления и пропускание УФ-излучения (например, для футеровки трубчатых печей и УФ- кювет ), но стоимость и производственные трудности, связанные с плавленым кварцем, делают его непрактичным вложением для большинства лабораторного оборудования.
Кроме того, боросиликатные трубки используются в качестве сырья для производства упаковки для парентеральных препаратов, такой как флаконы и предварительно заполненные шприцы , а также ампулы и стоматологические картриджи . Химическая стойкость боросиликатного стекла сводит к минимуму миграцию ионов натрия из стеклянной матрицы, что делает его хорошо подходящим для инъекционных препаратов . Этот тип стекла обычно называют USP / EP JP Type I.
Боросиликат широко используется в имплантируемых медицинских устройствах, таких как протезы глаз, искусственные тазобедренные суставы, костные цементы, стоматологические композитные материалы (белые пломбы) [13] и даже в грудных имплантатах .
Многие имплантируемые устройства извлекают выгоду из уникальных преимуществ инкапсуляции боросиликатного стекла. Приложения включают в себя ветеринарные устройства слежения , нейростимуляторы для лечения эпилепсии, имплантируемые лекарственные насосы, кохлеарные имплантаты и физиологические датчики. [14]
В середине 20-го века трубки из боросиликатного стекла использовались для подачи охлаждающих жидкостей (часто дистиллированной воды ) через мощное электронное оборудование на основе вакуумных ламп , такое как коммерческие вещательные передатчики. Они также использовались в качестве материала оболочки для стеклянных передающих трубок, которые работали при высоких температурах.
Боросиликатные стекла также применяются в полупроводниковой промышленности при разработке микроэлектромеханических систем (МЭМС) в составе стопок протравленных кремниевых пластин, прикрепленных к протравленному боросиликатному стеклу.
Еще одним распространенным применением боросиликатного стекла является кухонная утварь, включая формы для выпечки. Оно используется для некоторых мерных чашек, на которых нанесены отметки трафаретной печати, обеспечивающие градуированные измерения. Боросиликатное стекло иногда используется для высококачественной стеклянной посуды для напитков, особенно в изделиях, предназначенных для горячих напитков. Изделия из боросиликатного стекла могут быть тонкими, но прочными, или более толстыми для дополнительной прочности, и их можно использовать в микроволновой печи и мыть в посудомоечной машине. [15]
Во многих высококачественных фонариках для линз используется боросиликатное стекло. Это увеличивает светопропускание через линзу по сравнению с пластиком и стеклом более низкого качества.
В некоторых типах газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID), таких как ртутные и металлогалогенные лампы , в качестве материала внешней оболочки используется боросиликатное стекло.
Новые методы работы с лампами привели к появлению художественных приложений, таких как современные стеклянные шарики . Современное движение студийного стекла отреагировало на цвет. Боросиликат обычно используется в стеклодувной форме работы с лампами , и художники создают целый ряд изделий, таких как ювелирные изделия , кухонные принадлежности , скульптуры , а также художественные стеклянные курительные трубки.
Производители осветительных приборов используют боросиликатное стекло в некоторых своих линзах. [ необходима ссылка ]
Органические светодиоды (OLED) (для отображения и освещения) также используют боросиликатное стекло (BK7). Толщина стеклянных подложек BK7 обычно составляет менее 1 миллиметра для изготовления OLED. Благодаря своим оптическим и механическим характеристикам в соотношении со стоимостью, BK7 является распространенной подложкой в OLED. Однако, в зависимости от области применения, подложки из натриево-кальциевого стекла аналогичной толщины также используются в изготовлении OLED.
Многие астрономические телескопы-рефлекторы используют стеклянные зеркальные компоненты, изготовленные из боросиликатного стекла из-за его низкого коэффициента теплового расширения. Это позволяет создавать очень точные оптические поверхности, которые мало изменяются с температурой, и согласованные стеклянные зеркальные компоненты, которые «отслеживают» изменения температуры и сохраняют характеристики оптической системы.
200-дюймовое зеркало телескопа Хейла изготовлено из боросиликатного стекла. [16]
Оптическое стекло, чаще всего используемое для изготовления инструментальных линз, — это Schott BK-7 (или эквивалент от других производителей, например, китайское кронгласовое стекло K9 ), очень тонко изготовленное боросиликатное кронгласовое стекло . [17] Оно также обозначается как стекло 517642 из-за его показателя преломления 1,517 и числа Аббе 64,2 . Другие менее дорогие боросиликатные стекла, такие как Schott B270 или эквивалент, используются для изготовления очковых линз « кронглас ». Обычное более дешевое боросиликатное стекло, например, то, которое используется для изготовления кухонной утвари и даже отражающих зеркал телескопов, не может использоваться для высококачественных линз из-за полос и включений, обычных для более низких сортов этого типа стекла. Максимальная рабочая температура составляет 268 °C (514 °F). Хотя он переходит в жидкое состояние при температуре 288 °C (550 °F) (прямо перед тем, как раскалится докрасна), он не пригоден для обработки, пока не достигнет температуры выше 538 °C (1000 °F). Это означает, что для промышленного производства этого стекла необходимо использовать кислородно-топливные горелки. Стеклодувы заимствовали технологию и методы у сварщиков.
Боросиликатное стекло стало материалом выбора для моделирования методом послойного наплавления (FDM) или изготовления методом послойного наплавления (FFF) и сборочных пластин. [18] Его низкий коэффициент расширения делает боросиликатное стекло, при использовании в сочетании с резистивными нагревательными пластинами и прокладками, идеальным материалом для нагреваемой сборочной платформы, на которую пластиковые материалы экструдируются по одному слою за раз. Первоначальный слой сборки должен быть помещен на существенно плоскую, нагретую поверхность, чтобы минимизировать усадку некоторых строительных материалов ( ABS , поликарбонат , полиамид и т. д.) из-за охлаждения после осаждения. В зависимости от используемого материала сборочная пластина будет циклически изменяться от комнатной температуры до температуры от 50 °C до 130 °C для каждого построенного прототипа. Температура, а также различные покрытия ( липкая лента Kapton , малярный скотч, лак для волос, клей-карандаш, АБС+ацетоновая суспензия и т. д.) гарантируют, что первый слой может быть приклеен и оставаться приклеенным к пластине, без деформации, поскольку первый и последующие слои остывают после экструзии. Впоследствии, после сборки, нагревательным элементам и пластине дают остыть. Результирующее остаточное напряжение, образующееся при сжатии пластика по мере его охлаждения, в то время как стекло остается относительно неизменным по размерам из-за низкого коэффициента теплового расширения , обеспечивает удобную помощь в удалении в противном случае механически связанного пластика с пластины сборки. В некоторых случаях детали самостоятельно разделяются, поскольку возникающие напряжения преодолевают адгезионную связь материала сборки с материалом покрытия и подстилающей пластиной.
Аквариумные нагреватели иногда изготавливаются из боросиликатного стекла. Благодаря своей высокой термостойкости, оно может выдерживать значительную разницу температур между водой и нихромовым нагревательным элементом . [ необходима цитата ]
Специальные стеклянные курительные трубки для каннабиса и табака могут быть изготовлены из боросиликатного стекла. Высокая термостойкость делает трубки более долговечными. Некоторые организации по снижению вреда также выдают боросиликатные трубки, предназначенные для курения крэка , поскольку термостойкость предотвращает растрескивание стекла, вызывающее порезы и ожоги, которые могут распространять гепатит С. [ 19]
Большинство готовых стеклянных слайдов для гитары изготавливаются из боросиликатного стекла. [ необходима цитата ]
Боросиликат также является предпочтительным материалом для вакуумных трубчатых солнечных тепловых технологий из-за его высокой прочности и термостойкости. [ необходима ссылка ]
Теплоизоляционные плитки на борту космического челнока были покрыты боросиликатным стеклом. [20]
Боросиликатные стекла используются для иммобилизации и утилизации радиоактивных отходов . В большинстве стран высокоактивные радиоактивные отходы в течение многих лет включаются в щелочные боросиликатные или фосфатные стекловидные формы отходов; остекловывание является устоявшейся технологией. [21] Остекловывание является особенно привлекательным способом иммобилизации из-за высокой химической стойкости остеклованного стеклянного продукта. Химическая стойкость стекла может позволить ему оставаться в коррозионной среде в течение многих тысяч или даже миллионов лет.
Трубки из боросиликатного стекла используются в специальных соплах для сварки TIG вместо стандартных сопел из оксида алюминия . Это позволяет четко видеть дугу в ситуациях, когда видимость ограничена. [ необходима цитата ]
Боросиликатное стекло предлагается в несколько отличающихся составах под разными торговыми наименованиями:
Первоначально считалось, что боросиликатное стекло не может быть сформировано в наночастицы , поскольку нестабильный прекурсор оксида бора помешал бы успешному формированию этих форм. Однако в 2008 году группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне успешно сформировала боросиликатные наночастицы диаметром от 100 до 500 нанометров . Исследователи сформировали гель тетраэтилортосиликата и триметоксибороксина. Когда этот гель подвергается воздействию воды при соответствующих условиях, происходит динамическая реакция, в результате которой образуются наночастицы. [22]
Боросиликат (или «боро», как его часто называют) широко используется в процессе выдувания стекла (лэмпворк ); стеклодув использует горелку для плавления и формования стекла, используя для его формования различные металлические и графитовые инструменты. Боросиликат называют «твердым стеклом», и он имеет более высокую температуру плавления (примерно 3000 °F / 1648 °C), чем «мягкое стекло», которое предпочитают для выдувания стекла изготовители бисера. Сырое стекло, используемое в лэмпворк, поставляется в виде стеклянных стержней для сплошной работы и стеклянных трубок для полых рабочих трубок и сосудов/контейнеров. Лэмпворк используется для изготовления сложных и индивидуальных научных приборов; в большинстве крупных университетов есть цеха по производству ламп для производства и ремонта стеклянной посуды. Для этого вида «научной стеклодувки» спецификации должны быть точными, а стеклодув должен быть высококвалифицированным и уметь работать с точностью. Лэмпворк также является видом искусства, и распространенными изделиями, изготовленными с его помощью, являются кубки, пресс-папье, трубки, подвески, композиции и статуэтки.
В 1968 году английский металлург Джон Бертон привез свое хобби по ручному смешиванию оксидов металлов в боросиликатное стекло в Лос-Анджелес. Бертон открыл стекольную мастерскую в колледже Пеппердин под руководством преподавателя Маргарет Юд. Несколько студентов в классах, включая Сьюллен Фаулер, обнаружили, что определенная комбинация оксидов создает стекло, которое меняет цвет от янтарного до пурпурного и синего в зависимости от температуры и атмосферы пламени. Фаулер поделился этой комбинацией с Полом Траутманом, который сформулировал первые рецепты цветного боросиликатного стекла для мелкосерийного производства. Затем в середине 1980-х годов он основал Northstar Glassworks, первую фабрику, посвященную исключительно производству стержней и трубок из цветного боросиликатного стекла для использования художниками в пламени. Траутман также разработал методы и технологию для производства мелкосерийного цветного боросиликатного стекла, которое используется рядом подобных компаний. [23]
В последние годы [ когда? ] , с возрождением лэмпворка как техники изготовления стеклянных бусин ручной работы, боросиликат стал популярным материалом во многих студиях художников по стеклу. [ нужна цитата ] Боросиликат для изготовления бусин выпускается в виде тонких, похожих на карандаш стержней. Glass Alchemy, Trautman Art Glass и Northstar являются популярными производителями, хотя доступны и другие бренды. Металлы, используемые для окрашивания боросиликатного стекла, в частности серебро, часто создают поразительно красивые и непредсказуемые результаты при плавлении в пламени кислородно-газовой горелки. Поскольку он более ударопрочный и прочный, чем мягкое стекло, боросиликат особенно подходит для изготовления трубок, а также для скульптурных фигур и создания крупных бусин. Инструменты, используемые для изготовления стеклянных бусин из боросиликатного стекла, такие же, как и для изготовления стеклянных бусин из мягкого стекла.
