Główna rola krzemionki (SiO2) w szkle elektronicznym

Krzemionka (SiO2​) odgrywa absolutnie kluczową i fundamentalną rolę wSzkło elektroniczne, stanowiąc podstawę wszystkich jego doskonałych właściwości. Mówiąc prościej, krzemionka jest „strukturą sieciową” lub „szkieletem” szkła typu E. Jej funkcję można szczegółowo podzielić na następujące obszary:

1. Formowanie się struktury sieci szklanej (funkcja podstawowa)

To najbardziej podstawowa funkcja krzemionki. Krzemionka sama w sobie jest tlenkiem szklistym. Jej tetraedry SiO4 są połączone ze sobą mostkami atomów tlenu, tworząc ciągłą, wytrzymałą i losową trójwymiarową strukturę sieciową.

• Analogia:To jak stalowy szkielet domu w budowie. Krzemionka stanowi główny szkielet dla całej szklanej konstrukcji, podczas gdy inne składniki (takie jak tlenek wapnia, tlenek glinu, tlenek boru itp.) to materiały, które wypełniają lub modyfikują ten szkielet, aby dostosować jego parametry.
• Bez szkieletu krzemionkowego nie może powstać trwała substancja o stanie szklistym.

2. Zapewnienie doskonałych właściwości izolacji elektrycznej

• Wysoka rezystywność elektryczna:Sama krzemionka charakteryzuje się wyjątkowo niską ruchliwością jonów, a wiązanie chemiczne (wiązanie Si-O) jest bardzo stabilne i silne, co utrudnia jonizację. Tworzona przez nią ciągła sieć znacznie ogranicza ruch ładunków elektrycznych, co zapewnia szkłu typu E bardzo wysoką rezystywność objętościową i powierzchniową.
• Niska stała dielektryczna i niskie straty dielektryczne:Właściwości dielektryczne szkła typu E są bardzo stabilne w wysokich częstotliwościach i temperaturach. Wynika to głównie z symetrii i stabilności struktury sieci SiO2, co przekłada się na niski stopień polaryzacji i minimalną utratę energii (przekształcenie w ciepło) w polu elektrycznym o wysokiej częstotliwości. Dzięki temu szkło to idealnie nadaje się do stosowania jako materiał wzmacniający w płytkach drukowanych (PCB) i izolatorach wysokiego napięcia.

3. Zapewnienie dobrej stabilności chemicznej

Szkło typu E charakteryzuje się doskonałą odpornością na działanie wody, kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i gorącego kwasu fosforowego) i substancji chemicznych.

• Powierzchnia obojętna:Gęsta sieć Si-O-Si charakteryzuje się bardzo niską aktywnością chemiczną i nie reaguje łatwo z wodą ani jonami H+. Dzięki temu charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na hydrolizę i kwasy. Dzięki temu materiały kompozytowe wzmocnione włóknem szklanym typu E zachowują swoje właściwości przez długi czas, nawet w trudnych warunkach.

4. Wkład w wysoką wytrzymałość mechaniczną

Chociaż ostateczna siławłókna szklaneNa ich wytrzymałość w dużym stopniu wpływają również takie czynniki, jak defekty powierzchni i mikropęknięcia; ich teoretyczna wytrzymałość w dużej mierze wynika z silnych wiązań kowalencyjnych Si-O i trójwymiarowej struktury sieciowej.

• Wysoka energia wiązania:Energia wiązania Si-O jest bardzo wysoka, dzięki czemu sam szkielet szklany jest niezwykle wytrzymały, a włókno charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie i modułem sprężystości.

5. Nadawanie idealnych właściwości termicznych

• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej:Sama krzemionka ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ponieważ stanowi główny szkielet, szkło typu E charakteryzuje się również stosunkowo niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Oznacza to, że charakteryzuje się dobrą stabilnością wymiarową podczas zmian temperatury i jest mniej podatne na nadmierne naprężenia spowodowane rozszerzalnością i kurczeniem cieplnym.
• Wysoka temperatura mięknienia:Temperatura topnienia krzemionki jest niezwykle wysoka (około 1723°C). Chociaż dodatek innych tlenków topnikowych obniża końcową temperaturę topnienia szkła typu E, rdzeń SiO2 nadal zapewnia szkłu wystarczająco wysoką temperaturę mięknienia i stabilność termiczną, aby spełnić wymagania większości zastosowań.

W typowymSzkło elektroniczneZawartość krzemionki w składzie wynosi zazwyczaj 52–56% (wagowo), co czyni ją największym pojedynczym tlenkiem. Określa ona podstawowe właściwości szkła.

Podział pracy pomiędzy tlenkami w szkle elektroforetycznym:

• SiO2​(Krzemionka): Główny szkielet; zapewnia stabilność strukturalną, izolację elektryczną, trwałość chemiczną i wytrzymałość.
• Al2O3(Glinka): Pomocniczy element wzmacniający i stabilizator; zwiększa stabilność chemiczną i wytrzymałość mechaniczną oraz zmniejsza tendencję do dewitryfikacji.
• B2O3(Tlenek boru): Modyfikator strumienia i właściwości; znacząco obniża temperaturę topnienia (oszczędność energii) i poprawia właściwości cieplne i elektryczne.
• CaO/MgO(Tlenek wapnia/Tlenek magnezu): Topnik i stabilizator; wspomaga topienie i reguluje trwałość chemiczną oraz właściwości dewitryfikacyjne.