Боросиликатное стекло - Borosilicate glass

Слайд гитары из боросиликатного стекла

Боросиликатное стекло это тип стекло с кремнезем и триоксид бора как основные стеклообразующие составляющие. Боросиликатные стекла известны своей очень низкой коэффициенты теплового расширения (≈3 × 10⁻⁶ K⁻¹ при 20 ° C), что делает их более устойчивыми к тепловой удар чем любое другое обычное стекло. Такое стекло подвергается меньшему тепловая нагрузка и может выдерживать перепады температур без трещина около 165 ° C (329 ° F).^[1] Обычно используется для строительства флаконы с реагентами и колбы.

Боросиликатное стекло продается под различными торговыми наименованиями, в том числе Боросил, Duran, Pyrex, Supertek, Suprax, Simax, Bellco, BSA 60, BSC 51 (от NIPRO), Heatex, Endural, Schott, Рефмекс, Kimax и MG (Индия).

История

Боросиликатное стекло было впервые разработано немецким производителем стекла. Отто Шотт в конце 19 века в Йена. Таким образом, это раннее боросиликатное стекло стало известно как Йенское стекло. После Corning Glass Works представил Pyrex в 1915 году это название стало синонимом боросиликатного стекла в англоязычном мире (на самом деле значительная часть стекла, производимого под брендом Pyrex, также была сделана из натриево-известковое стекло с 1940-х годов). Боросиликатное стекло - это название семейства стекол, в котором разные элементы 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.

В добавление к кварц, карбонат натрия, и оксид алюминия традиционно используется в стекольном производстве, бор используется при изготовлении боросиликатного стекла. Состав боросиликатного стекла с низким коэффициентом расширения, такого как лабораторные стекла, упомянутые выше, составляет примерно 80%. кремнезем, 13% оксид бора, 4% оксид натрия и 2–3% оксида алюминия. Хотя из-за высокой температуры плавления его труднее изготовить, чем традиционное стекло, его производство экономично. Его превосходная прочность, химическая и термостойкость находит применение в химический лаборатория оборудование, посуда, освещение и в некоторых видах окон.

Производственный процесс

Боросиликатное стекло создается путем объединения и плавления оксид бора, кварцевый песок, кальцинированной соды,^[2] и оксид алюминия. Поскольку боросиликатное стекло плавится при более высокой температуре, чем обычное силикатное стекло, для промышленного производства потребовались некоторые новые технологии. Производственный процесс зависит от геометрии продукта и может различаться между различными методами, такими как плавание, чертеж трубы, или литье.

Физические характеристики

Обычный тип боросиликатного стекла, используемый для лабораторной посуды, имеет очень низкую тепловое расширение коэффициент (3,3 × 10⁻⁶ K⁻¹),^[3] примерно на треть меньше, чем у обычного натриево-кальциевого стекла. Это снижает напряжение материала, вызванное температурными градиентами, что делает боросиликат более подходящим типом стекла для определенных применений (см. Ниже). Плавленый кварц в этом отношении даже лучше (имеет 1/15 теплового расширения натриево-известкового стекла); однако трудность работы с плавленым кварцем делает кварцевую посуду намного дороже, а боросиликатное стекло является недорогим компромиссом. Хотя более устойчив к тепловой удар боросиликатное стекло, в отличие от других видов стекла, может треснуть или расколоться при быстрых или неравномерных колебаниях температуры.

Среди характерных свойств этого семейства стекол:

• Различные боросиликатные стекла покрывают широкий диапазон различных тепловых расширений, что позволяет осуществлять прямое уплотнение с различными металлами и сплавами, такими как молибден стекло с КТР 4,6, вольфрам с CTE около 4,0 и Ковар с КТР около 5,0 из-за согласованного КТР с уплотнительным партнером
• Допускает высокие максимальные температуры, обычно около 500 ° C (932 ° F)
• Обладает чрезвычайно высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Нормальные тесты, например, для кислотостойкость создают экстремальные условия и проявляют очень низкое воздействие на стекло

В точка размягчения (температура, при которой вязкость примерно 10^7.6 равновесие ) типа 7740 Pyrex составляет 820 ° C (1510 ° F).^[4]

Боросиликатное стекло меньше плотный (около 2,23 г / см³), чем обычное натриево-известковое стекло из-за низкой атомной массы бора. Его средняя удельная теплоемкость при постоянном давлении (20–100 ° C) составляет 0,83 Дж / (г⋅К), что составляет примерно одну пятую от воды.^[5]

Разница температур, которую боросиликатное стекло может выдержать перед разрушением, составляет около 330 ° R (180 K), тогда как натриево-известковое стекло может выдерживать только изменение температуры около 100 ° R (56 K). Вот почему обычная посуда, сделанная из традиционного натриево-кальциевого стекла, разобьется, если сосуд с кипящей водой поставить на лед, в отличие от стекла Pyrex или другого боросиликатного лабораторного стекла.^[1]

Оптически боросиликатные стекла Корона очки с малой дисперсией (Числа Аббе около 65) и относительно низкий показатели преломления (1,51–1,54 в видимом диапазоне).

Стеклянные семьи

В целях классификации боросиликатное стекло можно условно разделить на следующие группы в соответствии с их оксидным составом (в массовых долях). Для боросиликатных стекол характерно наличие значительного количества кремнезема (SiO₂) и оксид бора (B₂О₃,> 8%) как формирователи стеклянной сети. Количество оксида бора определенным образом влияет на свойства стекла. Помимо высокоустойчивых сортов (B₂О₃ до максимум 13%), есть и другие, которые - из-за другого способа включения оксида бора в структурную сетку - обладают лишь низкой химической стойкостью (B₂О₃ содержание более 15%). Следовательно, мы различаем следующие подтипы.

Нещелочноземельное боросиликатное стекло (боросиликатное стекло 3.3)

B₂О₃ содержание боросиликатного стекла обычно составляет 12–13%, а содержание SiO₂ содержание более 80%. Высокая химическая стойкость и низкое тепловое расширение (3,3 × 10⁻⁶ K⁻¹) - самые низкие из всех коммерческих стекол для крупномасштабных технических применений - делают их универсальным стеклянным материалом. Плоские высококачественные боросиликатные стекла используются в самых разных отраслях промышленности, в основном для технических применений, где требуется либо хорошая термическая стойкость, превосходная химическая стойкость, либо высокое светопропускание в сочетании с безупречным качеством поверхности. Другие типичные области применения различных форм боросиликатного стекла включают стеклянные трубки, стекло. трубопровод, стеклянная тара и т. д., особенно для химической промышленности.

Щелочноземельные или алюмоборосиликатные стекла

В дополнение к примерно 75% SiO₂ и 8–12% B₂О₃, эти стаканы содержат до 5% щелочноземельные земли и оксид алюминия (Al₂О₃). Это подтип чуть более мягких стекол, которые имеют тепловое расширение в диапазоне (4,0–5,0) × 10⁻⁶ K⁻¹.^[6]

Это не следует путать с простыми композитами боросиликатного стекла и оксида алюминия.^[7]

Высокоборатные боросиликатные стекла

Стаканы, содержащие 15-25% B₂О₃, 65–70% SiO₂, и меньшее количество щелочей и Al₂О₃ как дополнительные компоненты имеют низкие температуры размягчения и низкое тепловое расширение. Герметизация металлов в диапазоне расширения вольфрама и молибдена и высокая электрическая изоляция являются их наиболее важными характеристиками. Увеличенный B₂О₃ содержание снижает химическую стойкость; В этом отношении высокоборатные боросиликатные стекла сильно отличаются от боросиликатных стекол из не щелочноземельных и щелочноземельных металлов. Среди них также боросиликатные стекла, пропускающие УФ-свет до 180 нм, сочетающие в себе лучшее из боросиликатного стекла и мира кварца.^[8]

использование

Боросиликатное стекло находит широкое применение: от кухонной посуды до лабораторного оборудования, а также в качестве компонента высококачественных продуктов, таких как имплантируемые медицинское оборудование и устройства, используемые в исследование космоса.

Здоровье и наука

Стаканы из боросиликата

Практически вся современная лабораторная посуда изготавливается из боросиликатного стекла. Оно широко используется в этой области применения благодаря своей химической и термической стойкости и хорошей оптической прозрачности, но стекло может реагировать с гидрид натрия при нагревании производить борогидрид натрия, обычный лабораторный восстановитель. Плавленый кварц также встречается в некотором лабораторном оборудовании, когда требуются его более высокая температура плавления и пропускание УФ-излучения (например, футеровка трубчатых печей и УФ-кюветы), но стоимость и сложность работы с кварцем делают его чрезмерным для большинства лабораторного оборудования.

Кроме того, боросиликатные трубы используются в качестве сырья для производства парентеральный упаковка лекарств, такая 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 инъекционный препарат Приложения. Этот тип стекла обычно называют USP / EP JP Type I.

Боросиликат широко используется в имплантируемых медицинское оборудование такие как протезы глаз, искусственные тазобедренные суставы, костные цементы, стоматологические композитные материалы (белые пломбы)^[9] и даже в грудные импланты.

Многие имплантируемые устройства обладают уникальными преимуществами инкапсуляции из боросиликатного стекла. Приложения включают устройства ветеринарного слежения, нейростимуляторы для лечения эпилепсии, имплантируемые лекарственные помпы, кохлеарные имплантаты, и физиологические датчики.^[10]

Электроника

В середине 20 века трубки из боросиликатного стекла использовались для трубопровода охлаждающей жидкости (часто дистиллированная вода ) через мощные вакуумная труба - электронное оборудование, такое как передатчики коммерческого вещания. Он также использовался в качестве материала оболочки для стеклянных передающих трубок, которые работали при высоких температурах.

Боросиликатные стекла также находят применение в полупроводниковая промышленность в развитии микроэлектромеханические системы (МЭМС), как часть стеков травленый кремний вафли приклеивается к травленому боросиликатному стеклу.

Посуда

Arc International выпечка

Стеклянная посуда - еще одно распространенное применение. Для мерных стаканчиков используется боросиликатное стекло с нанесенной трафаретной печатью маркировкой, обеспечивающей градуированные измерения. Боросиликатное стекло иногда используется для изготовления высококачественной посуды для напитков. Боросиликатное стекло тонкое и прочное, его можно мыть в микроволновой печи и мыть в посудомоечной машине.^[11]

Освещение

Во многих качественных фонариках в качестве линз используется боросиликатное стекло. Это увеличивает светопропускание через линзу по сравнению с пластиком и стеклом более низкого качества.

Несколько видов разряд высокой интенсивности (HID) лампы, такие как пары ртути и металлогалогенные лампы В качестве материала внешней оболочки используйте боросиликатное стекло.

Новый лэмпворк методы привели к художественным приложениям, таким как современное стекло шарики. Современный студийное стекло движение откликнулось на цвет. Боросиликат обычно используется в выдувание стекла форма лэмпворк и художники создают ряд продуктов, таких как ювелирные украшения, кухонная утварь, скульптура, а также для курительных трубок из художественного стекла.

Производители осветительных приборов используют в своих линзах боросиликатное стекло.

Органические светодиоды (OLED) (для отображения и освещения) также использует боросиликатное стекло (BK7). Толщина стеклянных подложек BK7 обычно составляет менее 1 миллиметра для изготовления OLED. Благодаря своим оптическим и механическим характеристикам по отношению к стоимости, BK7 является распространенной подложкой в ​​OLED. Однако, в зависимости от приложения, натриево-известковое стекло подложки аналогичной толщины также используются при производстве OLED.

Оптика

Многие астрономические отражающие телескопы используйте компоненты стеклянных зеркал из боросиликатного стекла из-за его низкого коэффициента теплового расширения. Это делает возможными очень точные оптические поверхности, которые очень мало изменяются с температурой, и согласованные компоненты стеклянных зеркал, которые «отслеживают» изменения температуры и сохраняют характеристики оптической системы.

Телескоп Хейла 200 дюймов зеркало изготовлен из боросиликатного стекла.

Оптическое стекло, которое чаще всего используется для изготовления инструментов. линзы является Schott BK-7 (или аналог от других производителей, например китайское стекло Crown K9 ), очень тонко изготовленный боросиликатный корона стекло.^[12]Оно также обозначается как стекло 517642 по показателю преломления 1,517 и 64,2. Число Аббе. Другие менее дорогие боросиликатные стекла, такие как Schott B270 или аналогичные, используются для изготовления "корона Линзы для очков. Обычное дешевое боросиликатное стекло, подобное тому, которое используется для изготовления кухонной посуды и даже для отражающих зеркал телескопов, не может быть использовано для изготовления высококачественных линз из-за полос и включения обычное для низших сортов этого типа стекла. Максимальная рабочая температура составляет 268 ° C (514 ° F). Хотя он переходит в жидкость, начиная с 288 ° C (550 ° F) (непосредственно перед тем, как он раскалится докрасна), он не работает, пока не достигнет температуры выше 538 ° C (1000 ° F). Это означает, что для промышленного производства этого стекла необходимо использовать кислородно-топливные горелки. Технологии и приемы стеклодувы позаимствовали у сварщиков.

Быстрое прототипирование

Боросиликатное стекло стало предпочтительным материалом для моделирование наплавленного осаждения (FDM) или изготовление плавленых волокон (FFF), рабочие пластины. Благодаря низкому коэффициенту расширения боросиликатное стекло при использовании в сочетании с нагревательными пластинами и прокладками становится идеальным материалом для нагреваемой строительной платформы, на которую пластические материалы экструдируются по одному слою. Первоначальный слой сборки должен быть помещен на практически плоскую нагретую поверхность, чтобы минимизировать усадку некоторых строительных материалов (АБС, поликарбонат, полиамид и др.) за счет охлаждения после напыления. Рабочий стол будет менять температуру от комнатной до 100–130 ° C для каждого созданного прототипа. Температура, а также различные покрытия (каптоновая лента, малярная лента, лак для волос, клей-карандаш, суспензия АБС + ацетон и т. Д.) Гарантируют, что первый слой может приклеиться к пластине и остаться на ней без деформации, поскольку первый и последующие слои охлаждаются после экструзии. Впоследствии, после сборки, нагревательным элементам и пластине дают остыть. Результирующее остаточное напряжение, возникающее при сжатии пластика при охлаждении, в то время как стекло остается относительно неизменным по размерам из-за низкого коэффициента теплового расширения, обеспечивает удобную помощь в удалении механически связанного пластика с рабочей пластины. В некоторых случаях части саморазлагаются, поскольку возникающие напряжения преодолевают адгезионную связь строительного материала с материалом покрытия и лежащей под ним пластиной.

Другой

Аквариумные обогреватели иногда изготавливают из боросиликатного стекла. Благодаря высокой термостойкости выдерживает значительную разницу температур воды и воды. нихром нагревательный элемент.^{[нужна цитата ]}

Специальное стекло курительные трубки за каннабис и табак может быть изготовлен из боросиликатного стекла. Высокая термостойкость делает трубы более прочными. Немного снижение вреда организации также выдают боросиликатные трубки, предназначенные для курения кокаин, поскольку термостойкость предотвращает растрескивание стекла, вызывая порезы и ожоги, которые могут распространяться гепатит С.^[13]

Большинство готовых стекол слайды для гитары изготовлены из боросиликатного стекла.^{[нужна цитата ]}

Боросиликат также является предпочтительным материалом для гелиотермическая техника с эвакуационными трубками из-за высокой прочности и термостойкости.^{[нужна цитата ]}

В теплоизоляционная плитка на Космический шатл были покрыты боросиликатным стеклом.^[14]

Боросиликатные стекла используются для иммобилизации и утилизации радиоактивные отходы. В большинстве стран высокоактивные радиоактивные отходы в течение многих лет использовался в формах щелочно-боросиликатных или фосфатных стекловидных отходов; стеклование это устоявшаяся технология.^[15] Стеклование - это особенно привлекательный способ иммобилизации из-за высокой химической стойкости изделия из застеклованного стекла. Химическая стойкость стекла позволяет ему оставаться в агрессивной среде в течение многих тысяч или даже миллионов лет.

Трубки из боросиликатного стекла используются в специальных Сварка TIG сопла горелки вместо стандартных глинозем насадки. Это позволяет четко видеть дугу в ситуациях, когда видимость ограничена.^{[нужна цитата ]}

Торговые наименования

Боросиликатное стекло предлагается в немного разных составах под разными торговыми названиями:

• Борофлот из Schott AG, боросиликатное стекло, которое производится в плоское стекло в плавающий процесс.
• BK7 Schott, боросиликатное стекло с высокой степенью чистоты. Основное применение в линзах и зеркалах для лазеров, фотоаппаратов и телескопов.
• Duran из Группа ДУРАН, аналогично Pyrex, Simax или Jenaer Glas.
• Боросиликатное стекло Corning Corning
• Fiolax Schott, в основном используется для контейнеров для фармацевтического применения.
• Ильмабор из TGI [де ] (Банкротство 2014 г.), в основном используется для контейнеров и оборудования в лабораториях и медицине.
• Jenaer Glas из Цвизель Кристаллглас, ранее Schott AG. В основном используется для посуды.
• Kimax - торговая марка боросиликатной посуды от Kimble
• Расотерм VEB Jenaer Glaswerk Schott & Genossen, для технического стекла
• Симакс из Kavalierglass a.s., Чехия, производится как для лабораторного, так и для потребительского рынка.
• Willow Glass тонкое и гибкое боросиликатное стекло, не содержащее щелочей, Corning

Наночастицы боросиликата

Первоначально считалось, что из боросиликатного стекла нельзя формовать наночастицы, поскольку нестабильный оксид бора прекурсор препятствовал успешному формированию этих форм. Однако в 2008 году группа исследователей из Швейцарии Федеральный технологический институт в Лозанна успешно сформировали боросиликатные наночастицы от 100 до 500 нанометры в диаметре. Исследователи сформировали гель тетраэтилортосиликата и триметоксибороксина. Когда этот гель подвергается воздействию воды в надлежащих условиях, происходит динамическая реакция, в результате которой образуются наночастицы.^[16]

В лэмпворкинге

Боросиликат (или «боро», как его часто называют) широко используется в выдувание стекла процесс лэмпворк; стекольный мастер использует горелку для плавления и формования стекла, используя различные металлы и графит инструменты, чтобы придать ему форму. Боросиликат называют «твердым стеклом», и он имеет более высокую температуру плавления (приблизительно 3000 ° F / 1648 ° C), чем «мягкое стекло», которое предпочтительнее для выдувания стекла изготовителями бус. Необработанное стекло, используемое в лэмпворкинге, поставляется в виде стеклянных стержней для твердых работ и стеклянные трубки для полых рабочих труб и сосудов / контейнеров. Лэмпворкинг используется для изготовления сложных и нестандартных научных приборов; в большинстве крупных университетов есть мастерские по производству и ремонту стеклянной посуды. Для этого вида «научного выдувания стекла» спецификации должны быть точными, а стеклодув должен быть высококвалифицированным и уметь работать с точностью. Лэмпворк также считается искусством, и обычно изготавливаются такие предметы, как кубки, бумажные веса, трубки, подвески, композиции и фигурки.

В 1968 году английский металлург Джон Бертон перенес в Лос-Анджелес свое хобби - вручную смешивать оксиды металлов в боросиликатное стекло. Бертон начал стекольную мастерскую в колледже Пеппердайн с инструктором Маргарет Юд. Несколько учеников в классах, в том числе Сьюллен Фаулер, обнаружили, что определенная комбинация оксидов сделала стекло, цвет которого менялся от янтарного до пурпурного и синего, в зависимости от тепла и пламени атмосферы. Фаулер поделился этой комбинацией с Полом Траутманом, который сформулировал первые рецепты цветных боросиликатов небольшими партиями. Затем в середине 1980-х он основал Northstar Glassworks, первую фабрику, посвященную исключительно производству цветных стержней и трубок из боросиликатного стекла для использования художниками в огне. Траутман также разработал методы и технологию для изготовления мелкосерийного окрашенного бора, который используется рядом аналогичных компаний.^[17]

Бисероплетение

В последние годы, с возрождением лэмпворктинга как техники изготовления стеклянных бусинок ручной работы, боросиликат стал популярным материалом во многих мастерских художников по стеклу. Боросиликат для изготовления бисера выпускается в виде тонких стержней, похожих на карандаш. Glass Alchemy, Trautman Art Glass и Northstar - популярные производители, хотя есть и другие бренды. Металлы, используемые для окрашивания боросиликатного стекла, особенно серебро, часто дают поразительно красивые и непредсказуемые результаты при плавлении в пламени кислородно-газовой горелки. Поскольку боросиликат более устойчив к ударам и прочнее мягкого стекла, он особенно подходит для изготовления труб, а также для лепки фигур и создания больших бусинок. Инструменты, используемые для изготовления стеклянных бусин из боросиликатного стекла, такие же, как и инструменты, используемые для изготовления стеклянных бусин из мягкого стекла.

Рекомендации