Основная роль диоксида кремния (SiO2) в E-стекле

Кремний (SiO2) играет абсолютно решающую и фундаментальную роль вE-стекло, что является основой всех его превосходных свойств. Проще говоря, кремний — это «сетеобразователь» или «скелет» E-стекла. Его функции можно разделить на следующие категории:

1. Формирование сетчатой ​​структуры стекла (основная функция)

Это важнейшая функция кремнезёма. Кремнезём сам по себе является стеклообразующим оксидом. Его тетраэдры SiO₂ соединены друг с другом через мостиковые атомы кислорода, образуя непрерывную, прочную и случайную трёхмерную сетчатую структуру.

• Аналогия:Это похоже на стальной скелет строящегося дома. Кремний образует основной каркас всей стеклянной конструкции, а другие компоненты (например, оксид кальция, оксид алюминия, оксид бора и т. д.) заполняют или модифицируют этот скелет, регулируя его эксплуатационные характеристики.
• Без этого кремниевого скелета не может образоваться устойчивое стеклообразное вещество.

2. Обеспечение отличных характеристик электроизоляции

• Высокое электрическое сопротивление:Сам кремний обладает крайне низкой подвижностью ионов, а химическая связь (Si-O) очень стабильна и прочна, что затрудняет его ионизацию. Образуемая им непрерывная сетка значительно ограничивает движение электрических зарядов, что обеспечивает E-стеклу очень высокое объёмное и поверхностное удельное сопротивление.
• Низкая диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери:Диэлектрические свойства E-стекла очень стабильны при высоких частотах и ​​температурах. Это обусловлено, главным образом, симметрией и стабильностью сетчатой ​​структуры SiO2, что обеспечивает низкую степень поляризации и минимальные потери энергии (превращение в тепло) в высокочастотном электрическом поле. Это делает его идеальным материалом для использования в качестве армирующего материала в электронных платах (ПП) и высоковольтных изоляторах.

3. Обеспечение хорошей химической стабильности

E-стекло обладает превосходной устойчивостью к воде, кислотам (кроме плавиковой и горячей фосфорной кислоты) и химикатам.

• Инертная поверхность:Плотная сетка Si-O-Si обладает очень низкой химической активностью и практически не реагирует с водой или ионами H+. Поэтому она обладает высокой устойчивостью к гидролизу и кислотостойкостью. Это гарантирует, что композитные материалы, армированные E-стеклом, сохранят свои эксплуатационные характеристики в течение длительного времени, даже в агрессивных средах.

4. Вклад в высокую механическую прочность

Хотя окончательная прочностьстекловолокнотакже сильно зависят от таких факторов, как поверхностные дефекты и микротрещины, их теоретическая прочность во многом обусловлена ​​сильными ковалентными связями Si-O и трехмерной сетчатой ​​структурой.

• Высокая энергия связи:Энергия связи Si-O очень высока, что делает сам стеклянный скелет чрезвычайно прочным, обеспечивая волокно высокой прочностью на разрыв и модулем упругости.

5. Придание идеальных тепловых свойств

• Низкий коэффициент теплового расширения:Сам кремний имеет очень низкий коэффициент теплового расширения. Поскольку он служит основным каркасом, E-стекло также имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения. Это означает, что оно обладает хорошей размерной стабильностью при перепадах температур и менее склонно к возникновению чрезмерных напряжений из-за теплового расширения и сжатия.
• Высокая температура размягчения:Температура плавления кремния чрезвычайно высока (приблизительно 1723 °C). Хотя добавление других флюсующих оксидов снижает конечную температуру плавления E-стекла, его ядро ​​из SiO2 по-прежнему обеспечивает стеклу достаточно высокую температуру размягчения и термостойкость, отвечающую требованиям большинства сфер применения.

В типичном случаеE-стеклоСодержание кремния в стекле обычно составляет 52–56% (по весу), что делает его самым крупным оксидным компонентом. Он определяет основные свойства стекла.

Разделение труда между оксидами в E-стекле:

• SiO2​(Диоксид кремния): Основной скелет; обеспечивает структурную стабильность, электроизоляцию, химическую стойкость и прочность.
• Al2​O3​(Глинозем): Формирователь и стабилизатор вспомогательной сети; повышает химическую стабильность, механическую прочность и снижает тенденцию к расстекловыванию.
• B2​O3​(Оксид бора): Модификатор флюса и свойств; значительно снижает температуру плавления (экономия энергии) и одновременно улучшает тепловые и электрические свойства.
• CaO/MgO(Оксид кальция/Оксид магния): Флюс и стабилизатор; способствует плавлению и регулирует химическую стойкость и свойства расстекловывания.