Borosilicate Glass Properties Explained: Thermal, Chemical and Optical Performance

هنگامی که یک تکنسین آزمایشگاهی برای گرم کردن محلول اسید غلیظ به یک لیوان می رسد، یا زمانی که یک مهندس نوری بستری را برای یک لنز دقیق انتخاب می کند، انتخاب اغلب به یک ماده محدود می شود: شیشه بوروسیلیکات. شهرت آن بر اساس ترکیبی از انبساط حرارتی کم، مقاومت شیمیایی بالا و انتقال نوری عالی است. این خصوصیات نظری نیستند. آنها تعیین می کنند که آیا شیشه در برابر شوک حرارتی جان سالم به در می برد، در برابر خوردگی ناشی از مواد شیمیایی خشن مقاومت می کند، یا تصویر واضحی را در سیستم های نوری درخواستی ارائه می دهد.

شیشه بوروسیلیکات چیست؟

شیشه بوروسیلیکات یک شیشه سیلیکات حاوی تری اکسید بور (B2O3) به عنوان شبکه اصلی در کنار سیلیس (سیO2) است. یک ترکیب معمولی شامل تقریباً 70-80٪ سیO2، 10-15٪ B2O3، و مقادیر کمی از اکسیدهای فلز قلیایی مانند اکسید سدیم (Na2O) و اکسید پتاسیم (K2O) است. اتم‌های بور در شبکه سیلیکا ادغام می‌شوند و ساختار را تغییر می‌دهند تا آرایش بازتری ایجاد کند که ضمن حفظ پایداری شیمیایی، انبساط حرارتی را کاهش می‌دهد.

پرکاربردترین گرید صنعتی شیشه بوروسیلیکات 3.3 است که در آن "3.3" نشان دهنده میانگین ضریب انبساط حرارتی خطی است: 3.3 × 10-6 K-1. این گرید در استانداردهایی مانند DIN 52328 و ISO 3585 تعریف شده است و معمولاً در ظروف شیشه ای آزمایشگاهی، بسته بندی دارویی، ظروف پخت و پز و اجزای نوری استفاده می شود. برای نگاهی عمیق تر به فرآیند تولید، ما را ببینید راهنمای تولید شیشه بوروسیلیکات .

خواص اصلی شیشه بوروسیلیکات

عملکرد شیشه بوروسیلیکات در کاربردهای دنیای واقعی از چندین ویژگی کلیدی ناشی می شود که با هم کار می کنند. درک این ویژگی ها به مهندسان و متخصصان تدارکات کمک می کند تا مواد مناسب را برای هر برنامه انتخاب کنند.

خواص حرارتی

ویژگی تعیین کننده شیشه بوروسیلیکات ضریب انبساط حرارتی پایین آن است. در حدود 3.3 × 10-6 K-1، تقریباً یک سوم شیشه سودا-آهک است. این انبساط کم به این معنی است که وقتی شیشه به سرعت گرم یا سرد می شود، تنش دیفرانسیل بین سطح و فضای داخلی کم باقی می ماند و به آن اجازه می دهد در برابر شوک حرارتی بدون ترک خوردن مقاومت کند.

طبق استاندارد DIN ISO 718، مقاومت در برابر شوک حرارتی، تفاوت دمایی بین یک نمونه گرم شده و یک حمام آب سرد است که در آن 50٪ نمونه های آزمایشی با غوطه ور شدن سریع شروع به ترک خوردن می کنند. برای لوله های بوروسیلیکات دیواره نازک، مقادیر حدود 220 درجه سانتیگراد معمول است، با ضخامت دیواره به طور قابل توجهی بر نتیجه تاثیر می گذارد. به عنوان یک قاعده عملی، سازندگان توصیه می کنند که برای اکثر قطعات از اختلاف دمای 120 درجه سانتیگراد تجاوز نکنید.

دوام شیمیایی

شیشه بوروسیلیکات مقاومت فوق العاده ای در برابر آب، محلول های خنثی و اسیدی، اسیدهای غلیظ و مخلوط های اسیدی نشان می دهد. در تست های کلاس هیدرولیتیک تعریف شده توسط ISO 719 و ISO 695، شیشه بوروسیلیکات 3.3 به کلاس 1، بالاترین رتبه برای مقاومت در برابر آب دست می یابد. این پایداری آن را به ماده ترجیحی برای آمپول های دارویی، دستگاه های آزمایشگاهی و تجهیزات صنعتی تبدیل می کند که باید مواد خورنده را کنترل کنند.

استحکام مکانیکی

شیشه بوروسیلیکات با مدول یانگ تقریباً 64 گیگا پاسکال و نسبت پواسون 0.20 استحکام مکانیکی خوبی ارائه می دهد. با این حال، مانند همه شیشه‌ها، شکننده است و استحکام عملی به شدت به کیفیت سطح، تنش پسماند و وجود عیوب میکرو بستگی دارد. برای اجزای نوری دقیق، بازپخت مناسب، سنگ زنی و پرداخت برای دستیابی به استحکام و کیفیت سطح مشخص بسیار مهم است.

خواص نوری

شیشه بوروسیلیکات دارای ضریب شکست تقریباً 1.473 در 587.6 نانومتر است که کمتر از شیشه سودا-آهک معمولی در 1.52 است. این شاخص کمتر بازتاب سطح را کاهش می دهد و طراحی نوری را ساده می کند. در محدوده اشعه ماوراء بنفش، مرئی و نزدیک به مادون قرمز، شیشه بوروسیلیکات انتقال عالی را ارائه می دهد و آن را برای پنجره ها، لنزها، منشورها و زیرلایه ها مناسب می کند.

Colorless Borosilicate Optical Glass for Broadband Transmission

شیشه نوری بوروسیلیکات بی رنگ برای انتقال باند پهن این شیشه دارای انبساط حرارتی کم و انتقال بالا از 300 نانومتر تا 2500 نانومتر است که آن را برای پنجره‌ها، لنزها و منشورها در سیستم‌های نوری متنوع مناسب می‌کند. مشاهده محصول →

پراکندگی کم شیشه بوروسیلیکات آن را در مجموعه لنزهای آکروماتیک نیز مفید می کند، جایی که می توان آن را با شیشه سنگ چخماق برای کاهش انحراف رنگی جفت کرد. برای کاربردهایی که نیاز به همگنی نوری بالاتری دارند، گریدهای دقیق با مشخصات دقیق برای یکنواختی استریا و ضریب شکست در دسترس هستند.

خواص الکتریکی

مقاومت حجم الکتریکی شیشه بوروسیلیکات تقریباً 108 Ω·cm در 250 درجه سانتیگراد است و ثابت دی الکتریک در 1 مگاهرتز حدود 4.6 است. این ویژگی ها آن را به عنوان یک ماده عایق در تجهیزات ولتاژ بالا و به عنوان زیرلایه در قطعات الکترونیکی مفید می کند.

شیشه بوروسیلیکات در مقابل شیشه سودا-آهک

برای درک ارزش شیشه بوروسیلیکات، به مقایسه مستقیم آن با شیشه‌های سودا آهکی معمولی که برای پنجره‌ها، بطری‌ها و بیشتر اقلام شیشه‌ای روزمره استفاده می‌شود، کمک می‌کند.

خواص مقایسه ای شیشه بوروسیلیکات 3.3 و شیشه سودا آهک
اموال	بوروسیلیکات 3.3	سودا-آهک Glass
ضریب انبساط حرارتی (20-300 درجه سانتیگراد)	3.3 × 10-6 K-1	9.0 × 10-6 K-1
حداکثر دمای کار کوتاه مدت	500 درجه سانتی گراد	150 درجه سانتی گراد
مقاومت در برابر شوک حرارتی (دیواره نازک)	تا 220 درجه سانتیگراد	تقریباً 40 درجه سانتیگراد
ضریب شکست 587.6 نانومتر	1.473	1.52
دوام شیمیایی (کلاس هیدرولیتیک)	کلاس 1 (ISO 719)	کلاس 3
مدول یانگ	64 گیگا پاسکال	70 گیگا پاسکال

مقایسه نشان می دهد که شیشه بوروسیلیکات انتخاب برتر برای کاربردهایی است که به پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی نیاز دارند. برای مصارف روزمره که در آن هزینه توجه اولیه است، شیشه سودا آهک ممکن است کافی باشد. اما برای کاربردهای آزمایشگاهی، نوری و صنعتی، شیشه بوروسیلیکات استاندارد است.

خانواده ها و درجه های شیشه بوروسیلیکات

شیشه های بوروسیلیکات یک ماده واحد نیستند بلکه یک خانواده از ترکیبات هستند. خانواده های اصلی عبارتند از:

شیشه های بوروسیلیکات غیر قلیایی خاکی: اینها دارای محتوای اکسید قلیایی خاکی کم و سطوح بالای B2O3 هستند که حداقل انبساط حرارتی و مقاومت الکتریکی بالا را ارائه می دهند.
شیشه های بوروسیلیکات خاک قلیایی: اینها حاوی کلسیم یا اکسید منیزیم هستند که مقاومت شیمیایی بالاتر و استحکام مکانیکی را بهبود می بخشد.
شیشه های بوروسیلیکات با بورات بالا: با محتوای B2O3 بالا، این شیشه ها انبساط حرارتی پایینی را نشان می دهند و در اپتیک دقیق و کاربردهای آزمایشگاهی استفاده می شوند.

در ساخت قطعات نوری، شیشه بوروسیلیکات به صورت آنیل شده عرضه می شود و می تواند تا کیفیت نوری صیقل داده شود. فرمولاسیون شیشه تاج مانند K9 و BK7 متعلق به خانواده بوروسیلیکات است و به طور گسترده در سیستم های نوری استفاده می شود.

K9 (BK7) Borosilicate Crown Glass for Optical Components

شیشه تاج بوروسیلیکات K9 (BK7) برای اجزای نوری این شیشه تاج با خواص مکانیکی عالی و محتوای حباب کم، برای کاربردهای فوتوالکترون، مایکروویو و پراش ایده آل است. مشاهده محصول →

هنگام انتخاب درجه برای استفاده نوری، انتقال مشخص شده، تحمل ضریب شکست و تطابق انبساط حرارتی با مواد مجاور در مجموعه را بررسی کنید.

کاربردهای شیشه بوروسیلیکات

ترکیب منحصر به فرد خواص شیشه بوروسیلیکات را به یک ماده ترجیحی در صنایع مختلف تبدیل کرده است:

ظروف شیشه ای آزمایشگاهی: فنجان ها، فلاسک ها، لوله های آزمایش و پیپت ها، که در آنها مقاومت شیمیایی و حرارتی ضروری است.
بسته بندی دارویی: آمپول ها و ویال ها، که در آن مقاومت هیدرولیتیکی از آلودگی داروها جلوگیری می کند.
الکترونیک: عایق بندی بسترها و درزگیرها در نیمه هادی ها و تجهیزات فشار قوی.
ظروف آشپزی: ظروف ایمن در فر و فنجان های اندازه گیری که از چرخه حرارتی جان سالم به در می برند.
اپتیک: عناصر لنز، منشورها، پنجره ها و فیلترها در سیستم های تصویربرداری، ابزارهای علمی و نورپردازی.

در صنعت نوری، شیشه بوروسیلیکات اغلب برای اجزایی استفاده می شود که باید طیف گسترده ای را در حالی که در برابر چرخه حرارتی مقاومت می کنند، منتقل کنند.

UV Cut-off Glass Filter for Blocking Ultraviolet Light

فیلتر شیشه ای برش دهنده UV برای جلوگیری از اشعه ماوراء بنفش این فیلتر برای محافظت از تجهیزات و بهبود کیفیت تصویر، اشعه ماوراء بنفش را مسدود می کند که در عکاسی، میکروسکوپ و فناوری لیزر مفید است. مشاهده محصول →

این ماده همچنین در فیبر نوری، حسگرهای محیطی و کاربردهای روشنایی که قابلیت اطمینان در شرایط سخت مورد نیاز است، ظاهر می‌شود.

نحوه انتخاب شیشه بوروسیلیکات مناسب

هنگام انتخاب شیشه بوروسیلیکات برای کاربرد خود، این عوامل عملی را در نظر بگیرید:

ضریب انبساط حرارتی را بررسی کنید و آن را با مواد مجاور برای مهر و موم و چسب مطابقت دهید.
قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی را ارزیابی کنید و کلاس هیدرولیتیک مناسب را برای محیط مورد نظر انتخاب کنید.
بررسی الزامات نوری، مشخص کردن انتقال، همگنی ضریب شکست و کیفیت سطح.
خطر شوک حرارتی را در نظر بگیرید و حداکثر اختلاف دمایی که قطعه با آن مواجه خواهد شد را تعیین کنید.
ارزیابی هزینه در مقابل عملکرد، متعادل کردن درجه مواد در برابر خواسته های برنامه.

برای کاربردهای نوری، انتخاب مواد بستر به طور مستقیم بر عملکرد سیستم تأثیر می گذارد. شیشه بوروسیلیکات اغلب به دلیل ترکیب متعادل خواص حرارتی و نوری انتخاب می شود. اگر به راهنمایی در مورد انتخاب مواد نیاز دارید، تیم ما در Nantong Xiangyang Optical Element Co., Ltd. می تواند به ارزیابی نیازهای شما کمک کند. با ما تماس بگیرید برای مشاوره دقیق

سوالات متداول در مورد خواص شیشه بوروسیلیکات

تفاوت بین شیشه بوروسیلیکات و شیشه معمولی چیست؟

شیشه بوروسیلیکات حاوی اکسید بوریک است که به آن انبساط حرارتی 3.3 × 10-6 K-1 در مقایسه با 9.0 × 10-6 K-1 برای شیشه های سودا آهکی معمولی می دهد. این باعث می شود که در برابر شوک حرارتی سه برابر بیشتر از شیشه معمولی مقاوم باشد.

آیا شیشه بوروسیلیکات می تواند دمای بالا را تحمل کند؟

بله، شیشه بوروسیلیکات 3.3 حداکثر دمای کار کوتاه مدت 500 درجه سانتیگراد دارد. این باعث می شود آن را برای گرمایش آزمایشگاهی و کاربردهای ظروف پخت و پز که در آن چرخه حرارتی مکرر رخ می دهد، مناسب باشد.

چرا شیشه بوروسیلیکات انبساط حرارتی کمی دارد؟

اتم های بور در شبکه شیشه ای ساختار Si-O-B بازتری را در مقایسه با سیلیس خالص ایجاد می کنند. این امر تحرک شبکه را کاهش می دهد و انبساط حرارتی را سرکوب می کند، به همین دلیل است که شیشه بوروسیلیکات در برابر ترک خوردن تحت تغییرات سریع دما مقاومت می کند.

آیا شیشه بوروسیلیکات در برابر خوردگی شیمیایی مقاوم است؟

بله، طبق استاندارد ISO 719 دارای درجه هیدرولیتیک کلاس 1 است و در برابر آب، اسیدها و بسیاری از مواد شیمیایی تهاجمی مقاوم است. این به طور گسترده ای در بسته بندی های دارویی و تجهیزات پردازش شیمیایی استفاده می شود.

شیشه بوروسیلیکات چگونه در کاربردهای نوری استفاده می شود؟

شیشه بوروسیلیکات به عنوان زیرلایه برای لنزها، منشورها و فیلترهای نوری استفاده می شود. با انتقال تقریباً 90٪ در محدوده مرئی و انبساط حرارتی کم، عملکرد نوری را در سراسر تغییرات دما حفظ می کند.

آیا می توان شیشه بوروسیلیکات را برای اپتیک دقیق جلا داد؟

بله، شیشه بوروسیلیکات را می توان تا کیفیت نوری جلا داد. با بازپخت مناسب و پرداخت دقیق، می‌تواند به دقت سطح تا لامبدا/10 با زبری سطح پایین دست یابد، که آن را برای اجزای نوری با دقت بالا مناسب می‌کند.