а) Общие сведения.
В производстве источников света стекло является важнейшим материалом. Из него изготавливают колбы, ножки, многие крепежные и электроизоляционные конструктивные элементы ламп, части вакуумной и другой аппаратуры.
Стекло обладает комплексом необходимых свойств— газонепроницаемостью, прозрачностью, высокой пластичностью, (при нагреве до определенной температуры), химической стойкостью, высокими электроизоляционными и другими свойствами.
Рис. 1.2. Кривая изменения вязкости стекла
Технологические свойства стекла достаточно высоки. Изделия из стекла получают различными способами термической обработки. Кроме того, стекло сравнительно легко поддается разнообразной механической обработке — резке, сварке, шлифовке и др. Большинство свойств стекла можно изменять в довольно широких пределах за счет изменения его химического состава.
Важнейшим свойством стекла как аморфного вещества является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Характер изменения вязкости в зависимости от изменения температуры для всех стекол примерно одинаков и имеет вид, показанный на рис. 1.2.
При длительном нагреве стекла и соответствующей температуре в его прозрачной толще появляются кристаллы, количество которых со временем увеличивается и стекло становится непрозрачным. Это явление называется кристаллизацией или расстекловыванием.
Область температур, в которой может наблюдаться кристаллизация, для стекол разных марок находится в пределах 900—1300 °C, т. е. соответствует вязкости стекол 106— 1212 Па-с. Расстекловывание понижает механическую прочность и прозрачность стеклоизделий, нарушает вакуумную плотность спаев со стеклом, ухудшает другие свойства. Поэтому расстекловывание стараются предотвратить — подбором стекол с малой склонностью к кристаллизации и ограничением времени обработки стекла в интервале критических температур.
в) Классификация стекол.
Электроламповые стекла классифицируются и соответственно маркируются по численным значениям ТКЛР.
В зависимости от значения ТКЛР и его соответствия ТКЛР определенного металла все электроламповые стекла разделяются на следующие группы: вольфрамовую (СЛ37—СЛ40); молибденовую (СЛ49—СЛ54); переходную (СЛ54—СЛ86); платинитовую (СЛ87—СЛ97).
Название вольфрамовой, молибденовой и платинитовой групп определяется не их составом, а только тем, что ТКЛР стекол этих групп близки к значениям ТКЛР соответственно вольфрама, молибдена и платинита (платины). Стекла переходной группы имеют среднее значение ТКЛР на переходе от молибденовой трупы к платинитовой. В маркировке стекол приняты следующие обозначения: СЛ — стекло ламповое; первое число обозначает усредненное и округленное значение ТКЛР стекла, взятое без сомножителя 10-7; второе число, отделенное от первого дефисом, обозначает порядковый номер разработки стекла. Например, стекло марки СЛ40-1 вольфрамовой группы расшифровывается так: стекло ламповое, имеет ТКЛР, равный 40·10-7 К-1, первая разработка.
Иногда электроламповые стекла делят в зависимости от их температуры размягчения на тугоплавкие (твердые) и легкоплавкие (мягкие), а в зависимости от химического состава — на силикатные, боросиликатные, фосфатные и др.
г) Кварцевое стекло.
Кварцевое стекло представляет собой охлажденный расплав чистой двуокиси кремния. Своей аморфной структурой оно отличается от кристаллического кварца, имея с ним одинаковый химический состав.
Кварцевому стеклу присущ комплекс ценнейших свойств, не достижимый у других стекол. Его отличает высокая механическая прочность, химическая стойкость, высокая температура размягчения, прозрачность в широком диапазоне излучений и т. п. Это делает кварцевое стекло незаменимым материалом для вакуумных оболочек многих высокоинтенсивных источников света.
Некоторые важнейшие свойства кварцевого стекла приведены ниже:
Плотность, кг/м2 ... 2000—2300
Твердость по Моосу .. 5—7
Предел прочности, МПа: ‘
при растяжении 100
при сжатии . 1600—2000
при изгибе ... 70
при сдвиге ... 30
Температура начала размягчения, °C .. около.. 1300
Интервал температур обработки, °C 1900—2000
Максимальная рабочая температура, °C: длительная .. 1000
кратковременная . 1300
Средний температурный коэффициент линейного расширения, К-1 5,5-10-7
Кварцевое стекло обладает нечувствительностью к термоудару, температура начала его размягчения около 1300°C. Удельное объемное электрическое сопротивление кварцевого стекла очень велико и равно при комнатной температуре около 1015 Ом-м. Точка ТК-100 соответствует температуре 600 °C. Кварцевое стекло прозрачно для излучений в очень широком диапазоне длин волн (180—5000 нм).
В отношении вакуумных свойств температуры 300, 600 и 900 °C являются для кварцевого стекла критическими, так как при этих температурах наблюдается соответственно максимальная скорость абсорбции, минимальная скорость газовыделения с поверхностного слоя и максимальная скорость газовыделения из объема. Выделяющиеся при обезгаживании кварцевого стекла газы в основном состоят из двуокиси углерода, окиси углерода, азота, а также сравнительно небольшого количества других газов — водорода, метана, паров воды, кислорода и др.
По химической стойкости кварцевое стекло относится к первому гидролитическому классу. При низких температурах кварцевое стекло взаимодействует с растворами фтористоводородной кислоты, что широко используется на практике для удаления загрязнений поверхностного слоя. При нагревании наблюдается взаимодействие кварцевого стекла с фосфорной кислотой, щелочами и основными солями. Пары ртути при работе газоразрядных ламп адсорбируются на внутренней поверхности кварцевых колб вследствие захвата и последующей нейтрализации положительных ионов ртути.
Недостатком кварцевого стекла является его склонность к кристаллизации в области 1200—1300 °C. Особенно этот процесс ускоряется при загрязнении стекла щелочными и щелочноземельными металлами и их солями.
Загрязнение может возникнуть и в результате прикосновения к кварцевой трубке руками. Перед огневой обработкой трубки должны быть тщательно очищены, и при дальнейшей работе с ними на руки необходимо надевать перчатки.
Это требование распространяется и на работу с лампами. Поверхность кварцевых заготовок и готовых ламп перед нагреванием должна протираться спиртом.