Плотность и коэффициент теплового расширения

Рисунок 10 – Плотность и коэффициент линейного теплового расширения стекол системы Na₂O–B₂O₃ (обобщение результатов различных авторов)

Увеличение плотности с содержанием Na₂O понятно, так как это результат трёхмерного связывания каркаса. Минимум коэффициента термического расширения пока надежно не интерпретирован, хотя, несомненно, он обусловлен изменением пространственной связанности.

Показатель преломления, механические свойства и химическая устойчивость

Для B₂O₃ n_D составляет 1.46÷1.47 и зависит от содержания воды. Показатель плавно возрастает до значения 1.51 при ~ 30 мол. % Na₂O (на рисунке 11 показаны данные Р.И. Брескера и К.С. Евстропьева, 1952 г. как наиболее полные и точные). Увеличение показателя при введении в В₂O₃ щелочного оксида используется для поддержания показателя на необходимом уровне в составах трехкомпонентных боросиликатных кронов, имеющих высокую химическую устойчивость и приемлемые для эксплуатации механические свойства.

B₂O₃ в составах кронов и флинтов, содержащих этот оксид, ценен в первую очередь из-за различного влияния групп BO_3/2 и BO_4/2 на дисперсионные характеристики показателя преломления (см. ниже). Таким образом достигают необходимого сочетания оптических постоянных, требуемого при расчетах объективов.

Рисунок 11 – Показатель преломления стекол системы Na₂O–B₂O₃ [5]

Боратные стекла характеризуются невысокими значениями модулей упругости, которые, однако, наибольшие для стекол с высоким содержанием щелочных оксидов. Для B₂O₃ модуль Юнга составляет 1.75·1011 дин/см², а у стекла с 30 мол.% Na₂O он около 6.5·1011 дин/см².

Это объясняется увеличением связанности каркаса из-за образования атомов бора с координационным числом четыре. Коэффициент Пуассона, в отличие от других стекол, в этих системах изменяется с составом мало и имеет величину около 0.3. Борный ангидрид очень легко царапается. Все стекла имеют низкую прочность.

Влага воздуха образует на поверхности борного ангидрида белый слой борной кислоты. Он легко удаляется, но столь же быстро образуется вновь. Стекла легко растворимы в воде и кислотах, причём с повышением температуры растворение существенно ускоряется. Однако стекла с повышенным содержанием щелочей растворяются медленнее.

Применение боратных стекол

В оптике щелочноборатные стекла не применяются. Они используются как флюсы в ювелирной и металлургической промышленности,в лазерах. В лабораторной практике рентгеноструктурных исследований иногда используется «стекло Линдемана», прозрачное для рентгеновских лучей. Оно содержит кроме B₂O₃ также Li₂O, BeO, Al₂O₃ и другие добавки.

Диаграммы состояния систем с оксидами двухвалентных металлов, области стеклообразования в двойных системах

Как типичная на рисунке 12 приведена диаграмма состояния системы BaO-B₂O₃.

Рисунок 12 – Диаграмма состояния системы BaO-B₂O₃

Во всех системах RO-B₂O₃ со стороны B₂O₃ (начиная примерно с 3-5 % RO) существует область стабильного расслаивания в жидком состоянии. Образуются устойчивые химические соединения, среди которых чаще всего существуют бораты общей формулы RO·2B₂O₃. В них часть атомов бора находится в четверной координации. В таблице показаны области составов, в которых образуются прозрачные стекла.

RO	Область образования прозрачных стекол (мол.%)
	начало	конец
MgO	48.8	~ 50
CaO	27.0	41
SrO	21.0	43
BaO	16.4	~ 40
PbO	19.0	76.5
ZnO	44 (соединения 1:2 нет)	64
CdO	39 (соединения 1:2 нет)	55

В практических составах оптических стекол в сочетании с другими оксидами (кроме B₂O₃) используются BaO, ZnO, CdO (сверхтяжелые кроны) и PbO (особые флинты, ОФ). Примером последних служит стекло ОФ3, содержащее в основном только B₂O₃ и PbO (Al₂O₃ и Na₂O вводятся в состав для устранения расслаивания соответственно в количествах 9 и 0.3 мол.%), его n_d = 1.61242 и ν_d = 32.90. Заметим, что в системе на основе B₂O₃ и PbO, как и в аналогичной силикатной системе, самая большая область стеклообразования. Структурные исследования подтверждают, что структурная роль свинца в боратных стеклах близка к таковой в силикатных стеклах (он входит в стеклообразующий каркас как стеклообразователь).