Способы формования стекла.

Основными способами формования стекла являются вытягивание, прокатка, прессование, выдувание, прессовыдувание, центробежное формование и флоат-способ, основанный на свободном растекании стекломассы на подложке. Особенности некоторых из них более подробно рассмотрим при описании технологии получения конкретных видов изделий из стекла, используемых в твердотельной электронике.

Вытягивание стекломассы осуществляется под действием односторонне направленных растягивающих усилий, непрерывно создаваемых вытяжным механизмом. В результате постепенного оттягивания исходной непрерывно пополняющейся и питающей процесс порции стекломассы формируется изделие заданной конфигурации (волокно, труба, лист).

Прокатка стекломассы осуществляется под действием одно или двусторонних сжимающе-растягивающих (раскатывающих) усилий, создаваемых вращающимися валками.

Прессование стекломассы производится за один прием в металлической форме под действием односторонне направленных сжимающих усилий, создаваемых пуансоном.

Выдувание стекломассы осуществляется под влиянием равнодействующих растягивающих усилий, создаваемых во внутренней полости формуемого объекта сжатым газом (обычно.» воздухом).

Центробежное формование стекломассы осуществляют под действием центробежных сил во вращающейся форме (или на диске); используют для формования изделий, вырабатываемых из стекол, трудно поддающихся формованию (тугоплавких, «коротких», кристаллизующихся).

Флоат-способ формования листов стекла осуществляется в закрытой ванне на поверхности расплавленного металла (как правило, олова). Стекломасса сливается по лотку из печи в начало ванны и движется путем свободного растекания по расплаву металла. Плавающая лента стекла, постепенно охлаждаясь и затвердевая, непрерывно оттягивается из ванны вращающимися роликами конвейера, расположенного в конце ванны. Процесс формования происходит под действием массовой силы и противодействия сил вязкого сопротивления и поверхностного натяжения. В результате контакта нижней поверхности ленты с идеально гладкой поверхностью расплавленного металла и огневой полировки ее верхней поверхности (под действием поверхностного натяжения) достигается исключительно высокое качество поверхности листового флоат-стекла.

Отжиг и закалка стекла. При охлаждении отформованного изделия из стекла между наружными и внутренними слоями стенки устанавливается перепад температур, который создает в стекле механические напряжения. Эти напряжения могут быть постоянными или временными. Постоянные или остаточные напряжения в стекле возникают в том случае, когда охлаждение изделия начинается из вязкопластичного состояния от температур выше Тg. Если же охлаждать (или нагревать) стекло из хрупкого состояния, т. е. от температур, лежащих ниже Тg, то в стекле появляются временные термоупругие напряжения, которые после выравнивания температур исчезают. Значение термоупругих напряжений тем больше, чем выше перепад температур между наружными и внутренними слоями изделия. В свою очередь, перепад температур зависит от теплопроводности материала, толщины стенки и скорости охлаждения.

Постоянные или остаточные напряжения в стеклоизделии, быстро охлажденном из вязкопластичного состояния, имеют сложную структуру. В простейшем случае, например, в листе стекла на поверхности возникает напряжение сжатия, а внутри — растяжения. Это происходит потому, что наружные слои листа вследствие лучшей теплопередачи охлаждаются быстрее внутренних и раньше затвердевают, достигнув температуры Тg. Вслед за ними при дальнейшем охлаждении затвердевают и внутренние слои, также стремясь сжаться, чему препятствуют внешние. По окончании охлаждения, когда по всей толщине изделия устанавливается одинаковая температура, внутренний слой, стремясь принять размеры, соответствующие этой температуре, сжимает наружные слои, приобретая напряжение растяжения. При формовке изделия более сложной конфигурации его стенки охлаждаются неравномерно, поэтому и остаточные напряжения в нем распределяются несимметрично, что снижает механическую прочность и термостойкость этих изделий. Чтобы предупредить появление или устранить имеющиеся остаточные напряжения, производят отжиг стеклоизделии.

Процесс отжига включает следующие стадии: 1) нагрев (или охлаждение) изделия до температуры отжига; 2) выдержку при температуре отжига до практически полного удаления напряжений; 3) ответственное охлаждение — медленное охлаждение до низшей температуры отжига, предохраняющее стекло от возникновения остаточных напряжений, превышающих допустимые; 4) быстрое охлаждение изделия до комнатной температуры, но так, чтобы не превысить термическую стойкость изделий и не вызвать их разрушения.

Диапазон температур отжига (зона отжига) ограничен верхним и нижним возможными ее значениями. Верхней температурой отжига называется температура, при которой в течение 3 мин снимается 95 % остаточных напряжений. Теоретически она соответствует температуре стеклования, практически же во избежание деформации изделий вследствие возможного колебания температур в печи ее поддерживают на 10—15 °С ниже, что соответствует вязкости 10¹² Па*с. Нижняя температура отжига— температура, соответствующая вязкости 10¹³.⁵ Па*с, при которой за 1 мин снимается 5 % напряжений; Тg в зависимости от состава стекла на 50-—150°С ниже Тg Таким образом, интервал отжига составляет 50—150 °С.

Закалкой стекла называют операцию искусственного создания в стекле остаточных равномерно распределенных напряжений. Температурный перепад при этом, как отмечалось, возрастает с увеличением толщины стенки изделия и интенсивности охлаждения. Механическая прочность и термостойкость закаленных стеклоизделии в 3-5 раз выше, чем у оттожженных, поэтому закалка является эффективным способом повышения прочности изделий. Повышение прочности закаленных изделий происходит в результате упрочнения наружных слоев вследствие их сжатия. Поэтому внешним разрушающим силам, например, при ударном изгибе необходимо преодолеть еще и искусственно созданные напряжения сжатия.