Co to jest szkło borokrzemianowe i jak się je stosuje?
This post is also available in: Holenderski Angielski Francuski Niemiecki Włoski Portugalski, Portugalia Hiszpański
Szkło borokrzemianowe jest wyspecjalizowaną formą szkła, która wykorzystuje kwas borowy jako składnik w jego wytwarzaniu. Wynikiem dodania pierwiastka borowego jest rodzaj szkła, które jest bardzo odporne na szok termiczny i wykazuje znacznie niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż zwykłe szkło krzemianowe. W tym artykule zostanie przedstawiony przegląd szkła borokrzemianowego, w tym jego rozwój, właściwości i zastosowania.
Aby dowiedzieć się więcej o innych rodzajach szkła, zapoznaj się z naszym artykułem tematycznym na temat zrozumienia szkła.
Rozwój szkła borokrzemianowego
W 1882 roku niemiecki chemik Otto Schott był zainteresowany eksperymentowaniem ze sposobami tworzenia szkła, które miało zdolność wytrzymywania nagłych zmian temperatury lub narażenia na nierówne temperatury bez rozbijania. W tym samym roku dokonał odkrycia, które zapoczątkowało powstanie szkła borokrzemianowego. Schott odkrył, że dodanie pierwiastka Boron do procesu produkcji szkła spowodowało powstanie żaroodpornej formy szkła.
Późniejsze prace chemików W.C Taylora i Eugene’a Sullivana w Corning Glass udoskonaliły wysiłki Otto Schotta i rozszerzyły odporne na temperaturę właściwości szkła borokrzemianowego. W wyniku tych innowacji wzrosła produkcja szkła na zamówienie, gdzie obecnie istnieje ponad milion różnych formuł szkła, które można dostosować do konkretnych potrzeb produktu, poprawiając pożądane właściwości fizyczne i mechaniczne szkła.
Być może najbardziej znane zastosowanie szkła borokrzemianowego wyrosło z dalszych badań w Corning Glass. Po dołączeniu do firmy w 1914 roku fizyk Jesse Littleton otrzymał zadanie przetestowania i oceny właściwości fizycznych nowo utworzonej formuły szkła. Po tym, jak ceramiczne naczynie żaroodporne jego żony przypadkowo pękło, zasugerowała, że być może to nowo opracowane szkło żaroodporne może okazać się przydatnym produktem do pieczenia. Po tym, jak przetestowała ten pomysł, piekąc ciasto w szklanym pojemniku na próbki, który Littleton przyniósł do domu, narodziło się nowe zastosowanie szkła borokrzemianowego – szklane naczynia kuchenne. Corning Glass wprowadził linię produktów znanych jako Pyrex®[1], która przez wiele lat swojej produkcji była produkowana przy użyciu szkła borokrzemianowego.
Właściwości szkła borokrzemianowego
Szkło borokrzemianowe jest na ogół odporne chemicznie, ale być może jego najbardziej niezwykłą właściwością fizyczną jest niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co wyjaśnia, dlaczego szkło może być odporne na pękanie przy nagłych gwałtownych zmianach temperatury. Szkło na ogół jest słabym przewodnikiem ciepła, więc kiedy bierzesz gorące szkło i zanurzasz je w zimnej wodzie, zewnętrzna część szkła szybko się ochładza, podczas gdy wnętrze nie. Naprężenia spowodowane różnicą temperatur powodują rozbicie szkła.
W przypadku szkła borokrzemianowego dodanie kwasu borowego (H3BO3) do preparatu powoduje powstanie szkła o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej, co oznacza, że gdy szkło jest ogrzewane lub chłodzone, nie rozszerza się ani nie kurczy zbytnio. Ta stabilność wymiarowa umożliwia szkło borokrzemianowe wytrzymanie szybkich i ekstremalnych zmian temperatury bez pękania.
Skład chemiczny szkła borokrzemianowego składa się zazwyczaj z około 81% dwutlenku krzemu (SiO2) i 13% trójtlenku boru (B2O3) o mniejszych stężeniach tlenku sodu i tlenku glinu. (Należy pamiętać, że stężenia tlenku boru mogą się różnić, typowe jest 5-13%). Element Bor jest tym, co zapewnia szkle stabilność wymiarową, dzięki czemu materiał nie kurczy się ani nie rośnie wraz ze zmianami temperatury, na którą jest wystawiony.
Tabela 1 poniżej podsumowuje typowe właściwości szkła borokrzemianowego. Zanotować z tabeli wartość współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej (3,3 x 10-6 ) oraz zakres temperatur, w którym ta wartość ma zastosowanie 20oC, 300oC. Wartość ta wynosi około 1/3 wartości tradycyjnego szkła sodowo-wapniowego.
Tabela 1 – Właściwości szkła borokrzemianowego
Właściwość materiału | Wartość | |
Ogólne | Gęstość (@ 25oC) | 2,23 g/cm3 |
Mechaniczny | Moduł Younga | 64 GPa |
Współczynnik Poissona (μ) | 0.2 | |
Cieplny | Maksymalna znamionowa temperatura użytkowania | 500oC |
Temperatura przemiany | 525oC | |
Przewodność cieplna (@90oC) | 1,2 W/(moK) | |
Współczynnik średniej liniowej rozszerzalności cieplnej (@ 20oC, 300oC) | 3,3 x 10-6 /oK | |
Elektryczny | Rezystancja objętościowa | 1015 Ω cm |
Stała dielektryczna | 4.6 | |
Wytrzymałość dielektryczna | 30 kV/mm | |
Optyczny | Współczynnik załamania światła (@ λ = 587,6 nm) | 1.473 |
Współczynnik naprężenia-optycznego | 4,0 x 10-6 mm2/N |
Zastosowania szkła borokrzemianowego
Początkowym problemem, który próbował zostać rozwiązany w czasie, gdy Otto Schott zaczął eksperymentować z preparatami szklanymi, było stworzenie szkła, które mogłoby wytrzymać ekspozycję na ekstremalne temperatury. Na przykład szkło, które było używane w latarniach w tym czasie, skończyłoby się pękaniem lub pękaniem w deszczowych warunkach, ponieważ zimny deszcz na zewnętrznej powierzchni szkła spowodował duży gradient temperatury w porównaniu z temperaturą gorącej powierzchni wewnętrznej.
Gdy szkło borokrzemianowe stało się dostępne, jego zastosowania stały się natychmiast widoczne. Niektóre z powszechnych zastosowań szkła borokrzemianowego obejmują:
- Szkło laboratoryjne
- Soczewki naukowe i gorące lustra
- Naczynia do pieczenia i naczyń kuchennych
- Izolacja termiczna
- Produkty oświetleniowe o wysokiej intensywności
- Wziernik
- Obiektywy zewnętrzne samolotów
- Grzejniki akwariowe
- Elektronika
- Szybkie prototypowanie
Szkło laboratoryjne
Wysoka stabilność wymiarowa i zdolność do tolerowania ekspozycji na różne temperatury w tym samym czasie sprawiają, że szkło borokrzemianowe jest naturalnym materiałem, z którego można tworzyć szkło laboratoryjne, zwane również naczyniami laboratoryjnymi. Płytki Petriego, szkiełka mikroskopowe, butelki, zlewki, kolby, probówki,lejki i przyrządy pomiarowe, takie jak cylindry z podziałką, są powszechnymi przykładami. Oprócz korzystnych właściwości termicznych, szkło borokrzemianowe jest bardzo odporne i niereaktywne na większość chemikaliów.
Soczewki naukowe i gorące lustra
Szkło borokrzemianowe może być formowane w precyzyjne komponenty optyczne, takie jak soczewki do stosowania w teleskopach i innych precyzyjnych urządzeniach optycznych. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej dla szkła borokrzemianowego oznacza, że właściwości optyczne soczewek będą stabilne przy zmianach temperatury, ponieważ soczewka szklana nie zmieni znacząco swoich wymiarów. Szkło jest również idealne do stosowania w gorących lustrach, które odbijają światło podczerwone.
Naczynia do pieczenia i naczyń kuchennych
Jednym z jego pierwszych i najczęstszych zastosowań jest tworzenie domowych naczyń kuchennych i naczyń do pieczenia. Właściwości termiczne naczyń kuchennych z borokrzemianu pozwalają na transport z gorącego piekarnika do chłodnego blatu bez obawy o pękanie lub pękanie. Jest również stosowany w produktach takich jak miarki i jest bezpieczny do stosowania w kuchenkach mikrofalowych i zmywarkach.
Izolacja termiczna
Właściwości termiczne szkła borokrzemianowego wykorzystano do wytworzenia płytek termicznych, które chroniły prom kosmiczny przed ciepłem ponownego wejścia w atmosferę ziemską.
Produkty oświetleniowe o wysokiej intensywności
Lampy sceniczne i produkty oświetleniowe stosowane w przemyśle filmowym wykorzystują soczewki ze szkła borokrzemianowego, ponieważ światła te mogą osiągać wysokie temperatury, gdy pracują nieprzerwanie przez wiele godzin. Inne produkty lampowe wykorzystujące wyładowania o wysokiej intensywności (HID), takie jak lampy rtęciowe lub lampy metalohalogenkowe, wykorzystują soczewki borokrzemianowe lub zewnętrzne obwiednie.
Wziernik
W procesach przemysłowych zbiorniki wykorzystują wzierniki, które często są wytwarzane ze szkła borokrzemianowego. Wzierniki te pozwalają na wizualne monitorowanie substancji i procesów bez konieczności otwierania zbiornika lub zbiornika magazynowego i bez przerywania procesu.
Obiektywy zewnętrzne samolotów
Lampy zewnętrzne w samolocie wykorzystują soczewki ze szkła borokrzemianowego ze względu na wyraźne właściwości optyczne (przepuszczalność) i zdolność do wytrzymania różnicy temperatur doświadczanej podczas lotu na dużej wysokości. Rysunek 1 poniżej przedstawia przykład właściwości transmisji optycznej jednego rodzaju szkła borokrzemianowego. Zwróć uwagę na bardzo płaską wydajność w pełnym spektrum długości fali od 300 do 1200 nm.
Kredyt obrazu: https://www.schott.com/d/tubing/9a0f5126-6e35-43bd-bf2a-349912caf9f2/schott-algae-brochure-borosilicate.pdf
Grzejniki akwariowe
Grzejniki akwariowe są bardzo powszechnym zastosowaniem szkła borokrzemianowego, w którym rura grzejna jest narażona na gradient termiczny z wewnętrznego nichromowego elementu grzejnego i znacznie zimniejszej wody w zbiorniku.
Elektronika
Szkło borokrzemianowe jest stosowane w przemyśle półprzewodnikowym dla nowoczesnej elektroniki, w której płytki krzemowe mogą być łączone z trawionym szkłem borokrzemianowym.
Szybkie prototypowanie
W modelowaniu osadzania topionego, formie druku 3D lub produkcji dodatków, szkło borokrzemianowe jest idealnym materiałem do użytku, na którym podgrzewane i wytłaczane materiały z tworzyw sztucznych są osadzane podczas procesu budowy.
Streszczenie
Ten artykuł zawierał krótki przegląd tego, czym jest szkło borokrzemianowe, jego rozwój, właściwości materiału, które sprawiają, że ten materiał jest użyteczny, oraz niektóre z bardziej powszechnych zastosowań, które go wykorzystują. Aby uzyskać informacje na temat innych produktów, zapoznaj się z naszymi dodatkowymi przewodnikami lub odwiedź thomas Supplier Discovery Platform, aby znaleźć potencjalne źródła dostaw lub wyświetlić szczegółowe informacje na temat konkretnych produktów.
Recent Comments