Свойства и разработка новых оптических стекол - Царевский Е.Н.
Скачать (прямая ссылка):
При синтезе композиционных материалов для матрицы выбрано стекло системы Si02—СаО—А1203 эвтектического состава. Выбор этого стекла основывался на его хороших электроизоляционных свойствах, способности кристаллизоваться с образованием кристаллических фаз, способствующих улучшению термомеханических характеристик спеченного стекла, а следовательно, и композиций.
Изменения свойств стекла при спекании связаны с увеличением микронеоднородностей в самой структуре стекла и определяются природой и соотношением кристаллических фаз с остаточным стеклом.
Введение наполнителей в стекло вызвало существенное изменение следующих свойств композиций: увеличение температуры
7 Труды ГОИ
97
спекания, плотности, изменение электрических и ТёрмоМеханиче-ских свойств.
Наибольшее возрастание механической прочности наблюдается при введении MoSi2 и SiC в количестве 20%, что примерно вдвое больше, по сравнению с исходным стеклом.
Увеличение содержания наполнителя отрицательно сказывается на повышении пористости спекаемых композиций.
Введение указанных наполнителей приводит к увеличению теплопроводности композиций в три-четыре раза по сравнению с монолитным стеклом, что представляет большой практический интерес для приборов, требующих повышенного теплоотвода от электродов [6].
Рассматриваемые композиции имеют в два-три раза более высокую термостойкость, чем монолитное стекло.
Исследование электрических свойств композиций показало: сопротивление, диэлектрические потери и проницаемость находятся в зависимости от содержания электропроводящего наполнителя. Введение SiC и MoSi2 (до 15—20%) почти не изменяет сопротивления композиций по сравнению со стеклом, и удельное сопротивление композиций определяется удельным сопротивлением спеченного стекла.
При более высоких концентрациях наполнителей происходит скачкообразное падение электрического сопротивления, что объясняется, по-видимому, уменьшением расстояний между частицами наполнителя.
Анализ структуры и зависимостей физико-химических свойств композиций с различными наполнителями — окисными и бескислородными соединениями кремния — показывает, что основную роль в формировании синтезируемых материалов играет взаимодействие матрицы и наполнителя. Улучшение свойств композиций может происходить при условии, если взаимодействие компонентов имеет место, но происходит лишь в тонком слое, около нескольких микрон, в зоне контакта частиц наполнителя со стеклом.
При исследовании динамики процесса взаимодействия стекла и окисных наполнителей в нагревательном микроскопе можно видеть при 1100° С оплавление граней кристаллов корунда и образование переходных слоев на границе со стеклом.
Такая же картина обнаруживается при металлографическом анализе спаев, полученных при определении смачивания тугоплавких бескислородных соединений кремния стеклом.
На микрошлифах заметны участки коррозионного взаимодействия и в ряде случаев тонкие переходные слои на границе фаз.
Связь матрицы и наполнителя через переходные барьерные слои обеспечивает гетерогенность композиций и препятствует дальнейшему взаимодействию компонентов.
Кроме оценки когезионной прочности композиционных материалов, важно исследование их адгезионных свойств и прочности сцепления с металлами при формировании вакуумно-плотных
98
соединений. Адгезионная прочность спая зависит от многих факторов, и одним из основных является химическое взаимодействие компонентов.
При переходе от стекла к стеклокомпозиционным материалам процесс взаимодействия с металлом усложняется. При этом существенную роль могут играть вторичные процессы в самих композиционных материалах, образование новых фаз и их участие во взаимодействии с металлом.
Исследование адгезионных свойств композиций с наполнителем в виде а— А1203 на примере спаев с вольфрамом показало, что введение корунда до 10—15% мало сказывается на прочности сцепления. Последняя увеличивается всего на 10—15%, что может быть объяснено не улучшением адгезии, а частичным растворением А1203 в стекле при температуре спаеобразования приблизительно 1200° С.
Поскольку А1203 не является окислом, активирующим процесс сцепления стекла с металлом, при использовании композиций с этим наполнителем целесообразно введение специальных активаторов сцепления. Как показали эксперименты, в качестве таких активаторов в спаях с вольфрамом наиболее эффективны окислы кобальта и никеля.
Введение в композиции с 5% А1203 дополнительно 0,5 или 0,4% NiO и СоО увеличивает прочность сцепления на 50—70%.
Действие активаторов сцепления проявляется, по-видимому, в облегчении условий взаимодействия дисперсных частиц а — А1203 и окисленного вольфрама с возможным образованием соединения типа А1203-пW03.
Процесс сцепления в спаях металлов и композиций с бескислородными соединениями кремния отличается от рассмотренного.
Экспериментально установлено, что при введении в стекло SiC или MoSi2 (до 20%) прочность сцепления композиций с коваром (сплав 29НК) повышается примерно на 30% по сравнению с прочностью спаев этого сплава со стеклом типа С52-1. Наибольшее увеличение прочности сцепления наблюдается при введении в композиции MoSi2-
