Кіріспе
Кремний қышқылы мен бор триоксидінен жасалған шыны. Боросиликатты шыны – негізгі шыны құрауыштары ретінде кремний қышқылы мен бор триоксиді бар шыны түрі. Боросиликатты шынылардың жылулық кеңею коэффициенті өте төмен (≈3 × 10−6 K−1 20 °C-та), бұл оларды кез келген басқа қарапайым шыныға қарағанда жылулық соққыға төзімді етеді. Мұндай шыны аз жылулық кернеуге ұшырайды және температураның айырмашылығына төтеп бере алады. Оларға көше шамдарында қолданылатын натрийлі шамдар және алюминий жатады. Боросиликатты шыны қарапайым силикатты шыныға қарағанда жоғары температурада балқитындықтан, өнеркәсіптік өндіріске жаңа әдістер қажет болды. Шыны жасауда дәстүрлі түрде қолданылатын кварц, натрий карбонаты және алюминий оксидімен қатар, бор боросиликатты шыныны өндіруде қолданылады. Жоғарыда аталған зертханалық шынылар сияқты төмен кеңеймелі боросиликатты шынылардың құрамы шамамен 80% кремнезем, 13% борик оксиді, 4% натрий оксиді немесе калий оксиді және 2–3% алюминий оксидінен тұрады. Традициялық шыныдан жоғары балқу температурасына байланысты оны жасау қиынырақ болса да, оны өндіру экономикалық тұрғыдан тиімді. Оның жоғары беріктігі, химиялық және жылуға төзімділігі химиялық зертхана жабдықтарында, ыдыстарда, жарықтандыруда және терезелердің кейбір түрлерінде қолданылады. Өндіріс процесі өнімнің геометриясына байланысты және оны жүзу, түтікке тарту немесе қалыптау сияқты әртүрлі әдістермен ажыратуға болады.
Borosilicate glass is a type of glass with silica and boron trioxide as the main glass forming constituents. Borosilicate glasses are known for having very low coefficients of thermal expansion (≈3 × 10−6 K−1 at 20 °C), making them more resistant to thermal shock than any other common glass. Such glass is subjected to less thermal stress and can withstand temperature differentials without fracturing of about They include the sodium vapor lamp that is commonly used in street lighting. and alumina. Since borosilicate glass melts at a higher temperature than ordinary silicate glass, some new techniques were required for industrial production. In addition to quartz, sodium carbonate, and aluminium oxide traditionally used in glassmaking, boron is used in the manufacture of borosilicate glass. The composition of low expansion borosilicate glass, such as those laboratory glasses mentioned above, is approximately 80% silica, 13% boric oxide, 4% sodium oxide or potassium oxide and 2–3% aluminium oxide. Though more difficult to make than traditional glass due to its high melting temperature, it is economical to produce. Its superior durability, chemical and heat resistance finds use in chemical laboratory equipment, cookware, lighting, and in certain kinds of windows. The manufacturing process depends on the product geometry and can be differentiated between different methods like floating, tube drawing, or molding.
Отбасылар
Сыныптау мақсатында боросиликатты шыны олардың оксидтік құрамына (массалық үлесімен) сәйкес келесі топтарға жіктелуі мүмкін. Боросиликатты шынының ерекшелігі – шыны құрылымын қалыптастыратын кремний диоксиді (SiO2) және бор оксидінің (B2O3, >8%) көп мөлшерде болуы. Бор оксидінің мөлшері шынының қасиеттеріне ерекше ықпал етеді. Көбінесе химиялық тұрақты сорттарынан (B2O3 ең көп 13%-ға дейін) басқа, бор оксидінің құрылымдық желіге енгізілу жолының өзгешелігіне байланысты химиялық тұрақтылығы төмен сорттары да бар (B2O3 құрамы 15%-дан астам). Осыған орай, келесі кіші түрлерін ажыратамыз.
Көшпелі емес жер
Боросиликатты шынының B2O3 құрамы әдетте 12–13%, ал SiO2 құрамы 80%-дан жоғары болады. Жоғары химиялық тұрақтылығы және төмен жылулық кеңею коэффициенті (3,3 × 10−6 K−1) – ірі масштабты техникалық қолданулар үшін барлық коммерциялық шынылардың арасындағы ең төменгі көрсеткіш – осы шыныны әмбебап материал етеді. Жоғары сапалы боросиликатты тегіс шыны кең ауқымды өнеркәсіптерде қолданылады, негізінен жақсы жылуға төзімділік, тамаша химиялық тұрақтылық немесе мөлдір бет сапасымен бірге жоғары жарық өткізгіштік қажет болатын техникалық қолданулар үшін. Боросиликатты шынының басқа да түрлеріне шыны құбырлар, шыны түтіктер, шыны ыдыстар және т.б. жатады, әсіресе химия өнеркәсібінде қолданылады.
Сіртілі жер
Бұл шынылардың құрамында шамамен 75% SiO2 және 8–12% B2O3-қа қоса, 5% дейін сілтілі жерлер мен алюминий (Al2O3) бар. Бұл – термиялық кеңеюі (4,0–5,0) × 10−6 K−1 диапазонында болатын, сәл жұмсақ шынылардың бір түрі. Оны қарапайым боросиликатты шыны-алюминий қоспаларымен шатастыруға болмайды.
Жоғары борлы
15–25% B2O3, 65–70% SiO2 және қосымша компоненттер ретінде аз мөлшерде сілтілер мен Al2O3 қосылған шынылардың жұмсару температурасы және жылулық кеңею коэффициенті төмен. Олардың ең маңызды қасиеттері – вольфрам мен молибденнің кеңею диапазонындағы металдарға жабысу қабілеті және жоғары электр оқшаулағыштық. B2O3 мазмұнының артуы химиялық тұрақтылықты төмендетеді; осы тұрғыдан қарағанда, жоғары боратты боросиликатты шынылар сілтілік емес және сілтілік жер металдарынан жасалған боросиликатты шынылардан ерекшеленеді. Олардың ішінде 180 нм-ге дейін ультракүлгін сәулені өткізетін боросиликатты шынылар да бар, олар боросиликатты шыны мен кварцтың ең жақсы қасиеттерін үйлестіреді. Тіпті емішек безіне енгізілетін имплантаттарда да қолданылады. Көптеген имплантацияланатын құрылғылар боросиликатты шыныдан жасалған қаптаманың ерекше артықшылықтарынан пайда көреді. Оларға ветеринариялық тағайындалған бақылау құрылғылары, эпилепсияны емдеуге арналған нейростимуляторлар, имплантацияланатын дәрілік сорғылар, кохлеарлық имплантаттар және физиологиялық сенсорлар жатады.
Электроника
20 ғасырдың ортасында боросиликатты шыны құбырлар суытқыштарды (көбінесе дистилленген суды) жоғары қуатты вакуумдық түтіктерге негізделген электрондық жабдықтар арқылы, мысалы, коммерциялық хабар тарату передатчиктері арқылы өткізу үшін пайдаланылды. Ол сондай-ақ жоғары температурада жұмыс істейтін шыны передатчиктерінің корпусын жасауға да қолданылды. Боросиликатты шынылар жартылай өткізгіш өнеркәсібінде микроэлектромеханикалық жүйелерді (МЭМЖ) әзірлеуде, сондай-ақ, өрнектелген кремний пластиналарының боросиликатты шыныға жабыстырылған қабаттарында қолданылады.
Ас дайындауға арналған ыдыстар
Аспаптар – борсиликатты шынының тағы бір жиі қолданылатын түрі, оның ішінде пісіруге арналған ыдыстар да бар. Ол кейбір өлшеуіш стақандарда қолданылады, оларда градуировкаланған өлшемдерді көрсететін экранға басылған белгілер болады. Борсиликатты шыны кейде жоғары сапалы сусынға арналған ыдыстарда, әсіресе ыстық сусындарға арналғандарында қолданылады. Борсиликатты шыныдан жасалған заттар жұқа, бірақ берік немесе қосымша мықтылық үшін қалың болуы мүмкін, сонымен қатар микротолқынды пеште және ыдыс жуғыш машинада қолдануға жарамды.
Жарықтандыру
Көптеген жоғары сапалы фонарьлар линза үшін боросиликатты шыныны қолданады. Бұл пластик пен төмен сапалы шыныға қарағанда линза арқылы жарық өткізгіштігін арттырады. Жоғары интенсивті разрядты (HID) шамдардың бірнеше түрі, мысалы, сынап буы және металл галоридті шамдар, сыртқы қаптама материалы ретінде боросиликатты шыныны пайдаланады. Жаңа шам жасау техникалары заманауи шыны шарлар сияқты көркемдік қолданымдарға әкелді. Қазіргі заманғы студиялық шыны қозғалысы түске жауап береді. Боросиликат көбінесе шамдарды жарудың шыны үрлеу түрінде қолданылады және суретшілер зергерлік бұйымдар, ас үйге арналған ыдыстар, мүсіндер, сондай-ақ көркем шыныдан жасалған түтін құбырлары сияқты әртүрлі өнімдер жасайды. Жарық өндірушілер кейбір линзаларында боросиликатты шыныны қолданады. Органикалық жарықдиодтар (OLED) (көрнекі және жарықтандыру мақсатында) да боросиликатты шыныны (BK7) пайдаланады. OLED өндірісі үшін BK7 шыны субстраттарының қалыңдығы әдетте 1 миллиметрден кем. Бағасымен қатар, оптикалық және механикалық қасиеттеріне байланысты BK7 OLED-терде жиі қолданылатын субстрат болып табылады. Дегенмен, қолданылуына қарай, ұқсас қалыңдықтағы содалы-известь шыны субстраттары да OLED өндірісінде қолданылады.
Оптика
Көптеген астрономиялық шағылыстыратын телескоптар боросиликатты шыныдан жасалған шыны айна компоненттерін пайдаланады, себебі оның жылулық кеңею коэффициенті төмен. Бұл температурамен өте аз өзгеретін өте дәл оптикалық беттерді жасауға және температура өзгергенде "іздейтін" және оптикалық жүйенің қасиеттерін сақтайтын шыны айна компоненттерін жасауға мүмкіндік береді. Хейл телескобының 200 дюймдік айнасы боросиликатты шыныдан жасалған. Аспап линзаларын жасау үшін ең көп қолданылатын оптикалық шыны – Schott BK 7 (немесе басқа өндірушілердің баламасы, мысалы, қытай тәж шынысы K9), өте жақсы сапада жасалған боросиликатты тәж шынысы. Ол сондай-ақ 1.517 сындыру көрсеткіші және 64.2 Аббе саны бойынша 517642 шыны деп те белгіленеді. Басқа, арзан боросиликатты шынылар, мысалы Schott B270 немесе оған баламалары, "тәж шыны" көзілдірік линзаларын жасау үшін қолданылады. Қарапайым, төмен құнды боросиликатты шыны, мысалы, ас үйге арналған ыдыстарды және тіпті шағылыстыратын телескоптардың айналарын жасау үшін қолданылмайды, себебі бұл шынының төмен сапалы түрлеріне тән жолақтар мен қоспалар болады. Максималды жұмыс температурасы 268 °C (514 °F) құрайды. Ол 288 °C (550 °F) температурадан бастап сұйық күйге өтуі мүмкін болса да (қызыл қыздырылғанға дейін), 538 °C (1000 °F) температураға жеткенше оны өңдеуге болмайды. Яғни, осы шыныны өнеркәсіптік түрде өндіру үшін оттегі-газ жалынды қолдану қажет. Шыны үрлеушілер технология мен әдістерді дәнекерлеушілерден алған.
Жедел үлгі жасау
Боросиликатты шыны балқытылған шынтақтау модельдеуі (FDM) немесе балқытылған жіпшелі құрастыру (FFF) үшін таңдаулы материалға айналды. Оның төмен кеңею коэффициенті боросиликатты шыныны, кедергілік қыздыру пластиналары және төсемдерімен бірге қолданғанда, пластикалық материалдар қабат-қабат сығылып шығарылатын жылытылатын құрылыс платформасы үшін өте қолайлы материал етеді. Құрылыстың алғашқы қабаты кейбір құрылыс материалдарының (ABS, поликарбонат, полиамид және т.б.) салқындағанда қысқаруын азайту үшін, мүмкіндігінше тегіс, қыздырылған бетке жабыстырылуы тиіс. Қолданылатын материалға байланысты, құрылыс тақтасы әр прототип құрылғанда бөлме температурасынан 50 °C мен 130 °C аралығында ауысып отырады. Температура, сондай-ақ түрлі жабындар (Каптон лентасы, суретшілер лентасы, шаш лактары, желім таяқшасы, ABS+ацетон қоспасы және т.б.) бірінші қабаттың сығылып шығарғаннан кейін салқындағанда деформацияланбастан тақтаға жабысып қалуын қамтамасыз етеді. Содан кейін, құрылыс аяқталғаннан кейін, қыздыру элементтері мен тақта салқындатылады. Пластмасса салқындағанда қысқаратын кезде пайда болатын қалдық кернеу, ал шынының төмен жылулық кеңею коэффициентіне байланысты көлемі салыстырмалы түрде өзгермейді, бұл механикалық байланысқан пластмассаны құрылыс тақтасынан алып тастауға көмектеседі. Кейбір жағдайларда бөлшектер өздігінен ажырасады, себебі пайда болған кернеулер құрылыс материалының жабысқақтығын жабу материалы мен тақтаға басып озады.
Басқа
Аквариумды жылытқыштар кейде боросиликатты шыныдан жасалады. Оның жоғары жылуға төзімділігінің арқасында, ол су мен нихром қыздыру элементі арасындағы айтарлықтай температура айырмашылығына төтеп бере алады. Канопля мен темекіге арналған арнайы шыны түтін құбырлары боросиликатты шыныдан жасалуы мүмкін. Жоғары жылуға төзімділік құбырларды мықтырақ етеді. Кейбір зиянды азайту ұйымдары крек-кокаинды тартуға арналған боросиликатты түтіктерді де таратады, себебі оның жылуға төзімділігі шынының жарылуына және гепатит С жұқтыруға себеп болатын кесулер мен күйіктерге әкеп соқпайды. Боросиликат сонымен қатар эвакуацияланған түтікшелі күн жылу технологиясында қолданылатын басты материал болып табылады, өйткені оның жоғары беріктігі мен жылуға төзімділігі бар. Ғарыш шаттлындағы жылу оқшаулағыш плиткалар боросиликатты шынымен жабылған. Боросиликатты шыны радиоактивті қалдықтарды бекіту және жою үшін қолданылады. Көптеген елдерде жоғары деңгейлі радиоактивті қалдықтар көп жылдар бойы сілтілі боросиликат немесе фосфатты шыны түрінде бекітілген; шынылау – бұл қалыптасқан технология. Шынылау, шыныланған өнімнің жоғары химиялық тұрақтылығының арқасында, бекітудің ең тартымды жолы болып табылады. Шынының химиялық тұрақтылығы оған мыңдаған, тіпті миллиондаған жылдар бойы коррозиялық ортада сақталуға мүмкіндік береді. Боросиликатты шыны құбырлары стандартты алюминийлік соплордың орнына арнайы TIG дәнекерлеу шамдарының соплорында қолданылады. Бұл көрінуі шектеулі жағдайларда доғаны анық көруге мүмкіндік береді.
Most premanufactured glass guitar slides are made of borosilicate glass. Borosilicate is also a material of choice for evacuated tube solar thermal technology because of its high strength and heat resistance. The thermal insulation tiles on the Space Shuttle were coated with a borosilicate glass. Borosilicate glasses are used for immobilisation and disposal of radioactive wastes. In most countries high level radioactive waste has been incorporated into alkali borosilicate or phosphate vitreous waste forms for many years; vitrification is an established technology. Vitrification is a particularly attractive immobilization route because of the high chemical durability of the vitrified glass product. The chemical resistance of glass can allow it to remain in a corrosive environment for many thousands or even millions of years. Borosilicate glass tubing is used in specialty TIG welding torch nozzles in place of standard alumina nozzles. This allows a clear view of the arc in situations where visibility is limited.
Боросиликатты нанобөлшектер
Бастапқыда борсиликатты шыныдан нанобөлшектер жасау мүмкін емес деп есептелген, себебі тұрақсыз борон оксиді алдынан (прекурсоры) осы пішіндердің қалыптасуына кедергі келтірді. Дегенмен, 2008 жылы Швейцарияның Лозанна технологиялық институтының ғалымдары 100-ден 500 нанометрге дейінгі диаметрлі борсиликатты нанобөлшектерді жасауға қол жеткізді. Ғалымдар тетраэтилортосиликат және триметоксибороксиннен гель дайындады. Бұл гельге тиісті жағдайларда су әсер еткен кезде динамикалық реакция жүзеге асады, нәтижесінде нанобөлшектер пайда болады.
Жарық өңдеуде
Боросиликат (немесе жиі айтылатындай "боро") шыны үрлеу процесінде, атап айтқанда, шам жасау кезінде кеңінен қолданылады. Шынышы шыныны балқыту және пішіндеу үшін жанғыш отты пайдаланады, ал пішін беру үшін әртүрлі металл және графит құралдар қолданады. Боросиликат "қатты шыны" деп аталады және оның балқу температурасы "жұмсақ шыныдан" жоғары (шамамен 3000°F / 1648°C). Бұранда жасаушылар шыны үрлеу үшін осы "жұмсақ шыныны" артық көреді. Шам жасауға қолданылатын шикі шыны, қатты жұмыстар үшін шыны таяқшалар, ал қуыс жұмыстар үшін – шыны құбырлар және ыдыстар/контейнерлер түрінде келеді. Шам жасау арқылы күрделі және жеке тапсырысқа сәйкес ғылыми құралдар жасауға болады. Көптеген ірі университеттерде өз шыны бұйымдарын жасау және жөндеу үшін шам жасау шеберханалары бар. Мұндай "ғылыми шыны үрлеуге" қатысты талаптар өте нақты болуы керек, ал шынышы жоғары білікті және дәлдікпен жұмыс істей алуы тиіс. Шам жасау – бұл сонымен қатар өнер, және одан әдетте келіштер, қағаз салмақтары, түтіктер, әшекейлер, композициялар және мүсіндер жасалады. 1968 жылы ағылшын металлургы Джон Бертон боросиликат шынына металл оксидтерін қосып араластыру хоббиін Лос-Анджелеске әкелді. Бертон Пеппердин колледжінде Маргарет Юдпен бірге шыны шеберханасын ашты. Сабақтағы студенттердің бірі, Сюэллен Фаулер, оксидтердің белгілі бір комбинациясы шынының қыздыру және жалын атмосферасына байланысты янтарь түсінен күлгін және көк түске дейін өзгеретінін анықтады. Фаулер бұл комбинацияны Пол Траутманмен бөлісті, ол алғашқы шағын партиялы түсті боросиликат рецептерін жасады. Содан кейін ол 1980-ші жылдардың ортасында Northstar Glassworks компаниясын құрды – бұл тек түсті боросиликат шыны таяқшаларын және құбырларын жасауға арналған алғашқы фабрика. Траутман сондай-ақ көптеген ұқсас компаниялар қолданатын шағын партиялы түсті бороны жасау үшін технологияны дамытты.
Мүсін жасау
Соңғы жылдары шамдарды қолмен жасалатын шыны мөлдір бұрандалар жасау техникасы ретінде қайта жаңғыруымен бірге, боросиликат көптеген шыны суретшілерінің студияларында кең таралған материалға айналды. Мөлдір бұранда жасауға арналған боросиликат жұқа, қарындаш тәрізді таяқшалар түрінде келеді. Glass Alchemy, Trautman Art Glass және Northstar танымал өндірушілер, бірақ тағы да басқа брендтер бар. Боросиликатты шыныға бояу үшін қолданылатын металдар, әсіресе күміс, оттегі газымен жалынмен балқытылғанда керемет әдемі және болжамсыз нәтижелер береді. Боросиликат жұмсақ шыныға қарағанда соққыға төзімді және мықтырақ болғандықтан, құбыр жасауға, сондай-ақ мүсіндер ойып жасауға және ірі мөлдір бұрандалар жасауға өте ыңғайлы. Боросиликатты шыныдан мөлдір бұрандалар жасау үшін қолданылатын құралдар, жұмсақ шыныдан мөлдір бұрандалар жасау үшін қолданылатын құралдармен бірдей.