Введение

Боросиликатное стекло — это тип стекла, основным компонентом которого являются диоксид кремния и триоксид бора. Боросиликатное стекло известно своим очень низким коэффициентом теплового расширения (≈3 × 10−6 K−1 при 20 °C), что делает его более устойчивым к тепловому удару, чем любое другое обычное стекло. Такое стекло испытывает меньшее тепловое напряжение и может выдерживать значительные перепады температуры без разрушения. В его состав также входит глинозем. Поскольку боросиликатное стекло плавится при более высокой температуре, чем обычное силикатное стекло, для его промышленного производства потребовались новые технологии. Помимо кварца, карбоната натрия и оксида алюминия, традиционно используемых в стекольном производстве, в производстве боросиликатного стекла используется бор. Состав боросиликатного стекла с низким коэффициентом теплового расширения, например, лабораторного стекла, составляет приблизительно 80% диоксида кремния, 13% оксида бора, 4% оксида натрия или оксида калия и 2–3% оксида алюминия. Несмотря на то, что его изготовление сложнее, чем традиционного стекла, из-за высокой температуры плавления, его производство экономически выгодно. Благодаря превосходной прочности, химической стойкости и термостойкости оно находит применение в лабораторном оборудовании, посуде, осветительных приборах и некоторых видах окон. Технология производства зависит от геометрии изделия и может различаться в зависимости от используемого метода, такого как флоат-процесс, вытягивание труб или формование.

Семьи

Для целей классификации боросиликатное стекло можно приблизительно разделить на следующие группы в зависимости от его оксидного состава (в массовых процентах). Для боросиликатных стекол характерно наличие значительного количества диоксида кремния (SiO2) и оксида бора (B2O3, >8%) как стеклообразующих компонентов. Количество оксида бора оказывает специфическое влияние на свойства стекла. Помимо высокостойких марок (содержание B2O3 до 13% включительно), существуют и другие, которые, из-за иного способа включения оксида бора в структурную сеть, обладают лишь низкой химической стойкостью (содержание B2O3 свыше 15%). Таким образом, выделяют следующие подтипы.

Неалкальная земля

Содержание B2O3 в борсиликатном стекле обычно составляет 12–13%, а содержание SiO2 – более 80%. Высокая химическая стойкость и низкий коэффициент теплового расширения (3,3 × 10−6 K−1) – самый низкий среди всех коммерчески доступных стекол для масштабных технических применений – делают этот материал универсальным. Высокосортное борсиликатное листовое стекло используется в широком спектре отраслей, преимущественно для технических задач, требующих либо хорошей термостойкости, превосходной химической стойкости, либо высокой светопропускаемости в сочетании с безупречным качеством поверхности. К другим типичным областям применения различных форм борсиликатного стекла относятся стеклянные трубки, стеклянные трубопроводы, стеклянные емкости и т.п., особенно в химической промышленности.

Алкальная земля

Помимо примерно 75% SiO2 и 8–12% B2O3, эти стекла содержат до 5% щелочноземельных элементов и оксида алюминия (Al2O3). Это подтип стекол, обладающих несколько меньшей твердостью, с коэффициентами теплового расширения в диапазоне (4,0–5,0) × 10−6 K−1. Их не следует путать с простыми композитами на основе борсиликатного стекла и оксида алюминия.

Высокоборовый

Стекло, содержащее 15–25% B2O3, 65–70% SiO2 и меньшее количество щелочей и Al2O3 в качестве дополнительных компонентов, имеет низкую температуру размягчения и низкий коэффициент теплового расширения. Их наиболее важными свойствами являются герметичность к металлам в диапазоне теплового расширения вольфрама и молибдена, а также высокая электрическая изоляция. Повышенное содержание B2O3 снижает химическую стойкость; в этом отношении высокоборатное боросиликатное стекло значительно отличается от боросиликатного стекла, не содержащего щелочноземельные и щелочные элементы. Среди них также существуют боросиликатные стекла, пропускающие ультрафиолетовое излучение до 180 нм, сочетающие в себе лучшие характеристики боросиликатного стекла и кварца. Они применяются даже в грудных имплантатах. Многие имплантируемые устройства выигрывают от уникальных преимуществ инкапсуляции боросиликатным стеклом. Области применения включают ветеринарные трекеры, нейростимуляторы для лечения эпилепсии, имплантируемые дозаторы лекарств, кохлеарные имплантаты и физиологические сенсоры.

Электроника

В середине 20-го века боросиликатные стеклянные трубки использовались для подачи охлаждающих жидкостей (часто дистиллированной воды) в высокомощное электронное оборудование на основе вакуумных ламп, такое как коммерческие радиопередатчики. Они также использовались в качестве материала для колб стеклянных передающих ламп, работающих при высоких температурах. Боросиликатное стекло также находит применение в полупроводниковой промышленности при разработке микроэлектромеханических систем (МЭМС), являясь частью пакетов из травленых кремниевых пластин, соединенных с травленым боросиликатным стеклом.

Кухонная посуда

Кухонная посуда – еще одна распространенная область применения боросиликатного стекла, включая формы для выпечки. Оно используется в некоторых мерных стаканах, на которых нанесены градуированные отметки. Боросиликатное стекло также применяется при производстве высококачественной стеклянной посуды для напитков, особенно предназначенной для горячих напитков. Изделия из боросиликатного стекла могут быть тонкими, но прочными, или более толстыми для повышенной прочности, и подходят для использования в микроволновой печи и посудомоечной машине.

Освещение

Многие высококачественные фонари используют борсиликатное стекло для линз. Это повышает светопропускание линзы по сравнению с пластиком и стеклом более низкого качества. Несколько типов ламп высокого давления (HID), таких как ртутно-паровые и металлогалогенные лампы, используют борсиликатное стекло в качестве материала внешней колбы. Новые техники работы со стеклом привели к художественным применениям, таким как современные стеклянные шарики. Современное студийное стеклореалистичное движение отреагировало на цвет. Борсиликатное стекло широко используется в технике лампового выдувания (lampworking), и художники создают широкий спектр изделий, таких как ювелирные украшения, кухонная утварь, скульптуры, а также художественные стеклянные трубки для курения. Производители осветительного оборудования используют борсиликатное стекло в некоторых своих линзах. Органические светодиоды (OLED) (для дисплеев и освещения) также используют борсиликатное стекло (BK7). Толщина подложек из стекла BK7 обычно составляет менее 1 миллиметра при производстве OLED. Благодаря своим оптическим и механическим характеристикам в сочетании со стоимостью, BK7 является распространенной подложкой для OLED. Однако, в зависимости от применения, для производства OLED также используются подложки из содово-известкового стекла аналогичной толщины.

Оптическая

Многие астрономические отражающие телескопы используют стеклянные зеркальные компоненты из боросиликатного стекла благодаря его низкому коэффициенту теплового расширения. Это позволяет создавать очень точные оптические поверхности, незначительно изменяющиеся с температурой, а также согласованные компоненты стеклянных зеркал, которые компенсируют температурные изменения и сохраняют характеристики оптической системы. 200-дюймовое зеркало телескопа Хейла изготовлено из боросиликатного стекла. Наиболее часто используемое для изготовления линз приборов оптическое стекло – это Schott BK 7 (или эквивалент от других производителей, например, китайское кроновое стекло K9), очень тонко обработанное боросиликатное кроновое стекло. Оно также обозначается как стекло 517642 по его показателю преломления 1,517 и числу Аббе 64,2. Другие, менее дорогие боросиликатные стекла, такие как Schott B270 или аналогичные, используются для изготовления линз для очков из кронового стекла. Обычное, более дешевое боросиликатное стекло, например, используемое для изготовления кухонной посуды и даже зеркал отражающих телескопов, не подходит для производства высококачественных линз из-за присущих ему полос и включений, характерных для сортов стекла более низкого качества. Максимальная рабочая температура составляет 268 °C (514 °F). Хотя стекло переходит в жидкое состояние при 288 °C (550 °F) (непосредственно перед тем, как оно накаляется докрасна), оно становится обрабатываемым только при температуре выше 538 °C (1000 °F). Это означает, что для промышленного производства этого стекла необходимо использовать кислородно-топливные горелки. Стеклодувы заимствовали технологии и приемы у сварщиков.

Быстрое создание прототипов

Боросиликатное стекло стало материалом выбора для моделирования методом наплавленного осаждения (FDM) или изготовления нитью плавления (FFF) строительных платформ. Его низкий коэффициент теплового расширения делает боросиликатное стекло, используемое в сочетании с нагревательными пластинами и элементами, идеальным материалом для нагреваемой платформы, на которую пластик экструдируется слой за слоем. Первый слой модели должен быть нанесен на существенно плоскую, нагретую поверхность, чтобы минимизировать усадку некоторых материалов для моделирования (АБС, поликарбонат, полиамид и т.д.) при охлаждении после нанесения. В зависимости от используемого материала, температура платформы будет изменяться циклически от комнатной до 50–130 °C для каждого создаваемого прототипа. Температура, а также различные покрытия (каптоновая лента, малярная лента, лак для волос, клей-карандаш, суспензия ABS в ацетоне и т.д.), обеспечивают адгезию первого слоя к платформе и сохранение этой адгезии без деформации при охлаждении первого и последующих слоев после экструзии. После завершения моделирования нагревательные элементы и платформа охлаждаются. Возникающее остаточное напряжение, образующееся при сжатии пластика при охлаждении, в то время как стекло остается относительно стабильным в размерах благодаря низкому коэффициенту теплового расширения, облегчает отделение пластика, механически связанного с платформой. В некоторых случаях детали отделяются самостоятельно, поскольку развивающиеся напряжения преодолевают адгезионную связь материала модели с покрытием и основной платформой.

Другое

Аквариумные обогреватели иногда изготавливаются из боросиликатного стекла. Благодаря высокой теплостойкости, оно выдерживает значительную разницу температур между водой и нихромовым нагревательным элементом. Специальные стеклянные трубки для курения каннабиса и табака также могут быть изготовлены из боросиликатного стекла. Высокая теплостойкость делает эти трубки более долговечными. Некоторые организации, занимающиеся снижением вреда, также распространяют боросиликатные трубки, предназначенные для курения крека-кокаина, поскольку теплостойкость предотвращает растрескивание стекла, что может привести к порезам и ожогам и распространению гепатита С.

Большинство серийно выпускаемых стеклянных слайдов для гитары изготавливаются из боросиликатного стекла. Боросиликатное стекло также является предпочтительным материалом для солнечных коллекторов с вакуумными трубками благодаря своей высокой прочности и теплостойкости. Теплоизоляционные плитки на космическом шаттле были покрыты боросиликатным стеклом. Боросиликатное стекло используется для иммобилизации и утилизации радиоактивных отходов. В большинстве стран высокоактивные радиоактивные отходы на протяжении многих лет внедряются в формы щелочных боросиликатов или фосфатных стекловидных отходов; витрификация – это устоявшаяся технология. Витрификация является особенно привлекательным методом иммобилизации благодаря высокой химической стойкости полученного стекловидного продукта. Химическая стойкость стекла позволяет ему сохраняться в агрессивной среде на протяжении тысяч и даже миллионов лет. Боросиликатные стеклянные трубки используются в специальных соплах для сварочных горелок TIG вместо стандартных сопел из оксида алюминия. Это обеспечивает четкий обзор дуги в условиях ограниченной видимости.

Наночастицы борсиликатов

Первоначально считалось, что борсиликатное стекло невозможно сформировать в виде наночастиц, так как нестабильный прекурсор оксида бора препятствовал успешному получению таких частиц. Однако в 2008 году группе исследователей из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне удалось получить борсиликатные наночастицы диаметром от 100 до 500 нанометров. Исследователи сформировали гель из тетраэтилортосиликата и триметоксибороксина. При воздействии на этот гель воды в определенных условиях происходит динамическая реакция, приводящая к образованию наночастиц.

В лампообработке

Боросиликат (или "боро", как его часто называют) широко используется в процессе ламповой обработки стекла; стеклодув использует горелку для плавления и формования стекла, используя различные металлические и графитовые инструменты для придания ему формы. Боросиликат называют "твёрдым стеклом" и он имеет более высокую температуру плавления (примерно 3000 °F / 1648 °C), чем "мягкое стекло", которое предпочитают изготовители бусин для выдувания стекла. Сырое стекло, используемое в ламповой обработке, поставляется в виде стеклянных стержней для массивных изделий и стеклянных трубок для полых изделий, таких как трубки, сосуды и контейнеры. Ламповая обработка используется для изготовления сложных и нестандартных научных приборов; большинство крупных университетов имеют мастерские ламповой обработки для изготовления и ремонта лабораторной стеклянной посуды. Для такого рода "научного стеклодувания" спецификации должны быть точными, а стеклодув должен быть высококвалифицированным и способным работать с высокой точностью. Ламповая обработка также используется в искусстве, и распространёнными изделиями являются кубки, пресс-папье, трубки, подвески, композиции и фигурки. В 1968 году английский металлург Джон Бёртон привёз в Лос-Анджелес своё хобби – ручное смешивание металлических оксидов в боросиликатное стекло. Бёртон открыл стеклянную мастерскую в колледже Пеппердайн, под руководством преподавателя Маргарет Юд. Несколько студентов, включая Сюэллен Фаулер, обнаружили, что определённая комбинация оксидов создаёт стекло, которое меняет цвет от янтарного до фиолетового и синего в зависимости от температуры и атмосферы пламени. Фаулер поделилась этой комбинацией с Полом Траутманом, который разработал первые рецепты цветного боросиликата небольшими партиями. Затем он основал Northstar Glassworks в середине 1980-х годов – первый завод, специализирующийся исключительно на производстве цветных борсиликатных стеклянных стержней и трубок для использования художниками при работе с пламенем. Траутман также разработал технологии и методы производства цветного боросиликата небольшими партиями, которые используются рядом аналогичных компаний.

Изготовление бусин

В последние годы, с возрождением техник выдувания стекла на горелке для изготовления стеклянных бусин ручной работы, боросиликатное стекло стало популярным материалом во многих мастерских художников по стеклу. Боросиликат для изготовления бусин поставляется в виде тонких прутков, напоминающих карандаши. Популярными производителями являются Glass Alchemy, Trautman Art Glass и Northstar, хотя доступны и другие марки. Металлы, используемые для окрашивания боросиликатного стекла, особенно серебро, часто дают удивительно красивые и непредсказуемые результаты при плавлении в пламени кислородно-газовой горелки. Благодаря большей устойчивости к термическому шоку и прочности по сравнению с мягким стеклом, боросиликат особенно хорошо подходит для изготовления трубок, а также для скульптурной работы и создания крупных бусин. Инструменты, используемые для изготовления стеклянных бусин из боросиликатного стекла, такие же, как и для изготовления бусин из мягкого стекла.