1.4 Боратные стекла и их характеристика

Основой боратных стекол является обязательное в них наличие оксида бора. Стеклообразный борный ангидрид В₂О₃ легко получается путем простого плавления борной кислоты H₃BО₃ при температуре (1200÷1300)^оС. Однако свойства стеклообразного В₂О₃ подвержены большим колебаниям в зависимости от режима отжига и степени обезвоживания.

Структурно связанная вода может быть удалена полностью только пропусканием через расплав треххлористого бора ВС1₃. Однако при этом поглощается некоторое количество хлора.

Во многих двойных расплавленных системах МеО – В₂О₃ и Ме_mО_n – В₂О₃ наблюдаются явления несмешиваемости. Разделение расплавов на две жидкие фазы возникает уже при незначительных добавках второго окисла к В₂О₃. Свободный В₂О₃ не находит применения в стеклотехнике из-за высокой гигроскопичности. Борный ангидрид разрушается во влажном воздухе полностью и нацело растворяется в воде. Лишь в сочетаниях В₂О₃ с окислами Li₂O, ВеО, MgO, CaO, ZnO, CdO, PbO, A1₂O₃, SiO₂ получены сравнительно устойчивые боратные стекла. Лучшие из них при испытаниях порошковым методом (фракция – (0,3÷0,5)мм) теряют в весе после кипячения в воде в течение (1÷5) ч. не более (0,3÷2,0)% [12].

Боратные стекла обладают несколькими характерными свойствами, которые делают их порой незаменимыми. Области стеклообразования в таких бинарных системах приведены в таблице 1.2 Таблица 1.2 Области стеклообразования в двойных боратных системах [14].

Второй компонент	Молярная концентрация % В2О3
Li2O Na2O К2О Т12О MgO CaO SrO BaO ZnO CdO PbO As2O3 Sb2O3 SiO2	100÷57 100÷60 100÷62 100÷25 57÷55 73÷59 76÷57 83÷60 56÷36 61÷45 80÷24 100÷0 100÷0 100÷0

Изотоп В¹⁰ отличается особо высоким коэффициентом поглощения медленных нейтронов (3840 барн). Естественный элемент бор содержит 18,4% изотопа В¹⁰, поэтому В₂О₃ также сильно поглощает тепловые нейтроны. Среди стеклообразующих окислов борный ангидрид – единственный окисел, на основе которого могут быть получены стекла, эффективно поглощающие медленные нейтроны. При энергии нейтронов 0,025 эв показатели масс-абсорбции ω_{i, n} для окислов B₂O₃, SiO₂, GeO₂, P₂O₅ соответственно равны 12,6; 0,108; 0,083; 0,127. Следовательно, бор­ный ангидрид несравнимо более эффективен, чем другие стеклообразующие окислы. Для замедления быстрых нейтронов в такие стекла вводятся окислы легких элементов (BeO, Li₂O). Резко усиливают поглощающую способность стекол окись кадмия и некоторые окислы редкоземельных элементов.

Высокая рентгенопрозрачность – вторая характерная особенность специальных боратных стекол. Стекла, синтезированные на основе В₂О₃ в комбинациях с окислами легких элементов (Li₂O, BeO, MgO, A1₂O₃), наиболее подходящий материал для изготовления окошек рентгеновских трубок. Пластинка специального боратного стекла толщиной 1 см пропускает около 75% рентгеновских лучей с длиной волны 0,1 А.

Борный ангидрид относится к числу компонентов устойчивых против воздействия паров щелочных металлов (Na, Cs). Поэтому натриевые и цезиевые разрядные лампы изготовляются обычно из стекол, содержащих от 20 до 55 весовых % В₂О₃. Для глазурования внутренних поверхностей ламп могут быть использованы составы, содержащие до 87% В₂О₃.

Следует отметить высокие электроизоляционные качества боратных стекол, в особенности не содержащих щелочей. В целом, боратные стеклообразные системы (Ме₂О – В₂О₃, МеО – В₂О₃ и др.) превосходят соответствующие силикатные системы по их электрическим характеристикам. Широко используются кальциевые алюмо-боратные стекла, отличающиеся необычайно высоким электросопротивлением, даже при повышенных температурах. Их состав (% мол.): СаО – (26÷42), А1₂О₃ – (12,5÷15,5), В₂О₃ – (42÷61,5); температура деформации колеблется от 610 до 625°С, коэффициент расширения равен (66÷85)·10^-7.

Благодаря отличным электроизоляционным качествам и сравнительной легкоплавкости боратные стекла широко применяются в качестве стеклоприпоев и стеклоцементов для спаивания деталей из различных конструкционных материалов (стекла со стеклом, с керамикой, с металлами, со слюдой; керамики и слюды с металлами; металлов с металлами и др.).

При синтезе сложных связующих обычно исходят из двойных систем: ZnO – В₂О₃ и РbО – В₂О₃, к которым добавляются: BaO, А1₂О₃, SiO₂, TiO₂, V₂O₅, Р₂О₅ и др. При этом главное внимание уделяется подбору согласованных коэффициентов термического расширения.

Некоторые боратные стекла представляют интерес для оптотехники. В тройных системах: Me_mO_n – La₂O₃ – В₂О₃, где Me_mO_n=Li₂O, BeO, ZnO, BaO, A1₂O₃, ZrO₂, ThO₂, Ta₂O₅, WO₃ получены стекла, перекрывающие широкий интервал значений по показателю преломления (1,50÷1,84) и коэффициенту дисперсии (35÷65). Наиболее высоким светопреломлением обладают стекла с окислами Та₂О₅ и WO₃. Повышение показателя преломления во всех системах сопровождается, как обычно, понижением коэффициента дисперсии. Выявлены области образования стекла и в других тройных и более сложных системах, обладающих, наряду с характерными оптическими свойствами, удовлетворительной химической устойчивостью (ZnO – ZrO₂ – B₂O₃, ZnO – ThO₂ – B₂O₃, Nb₂O₅ – Ta₂O₅ – ThO₂ – La₂O₃ – B₂O₃ и т. п.). Области стеклообразования в перечисленных системах граничат, с одной стороны, с областями расслаивания, а с другой – с областями кристаллизации. Однако границы с областями расслаивания выражены менее резко, чем в двойных системах. Часто наблюдается и непосредственный переход от расслаивающихся расплавов к легко кристаллизующимся без образования стекла [14].