ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЕ СТЕКЛО Российский патент 1998 года по МПК C03C3/108 

Изобретение относится к электровакуумной технике, производству источников света, приборостроению, в частности к составам электровакуумных стекол, используемых для изготовления оболочек газоразрядных ламп высокого давления, электровакуумных приборов и других источников света с высокими рабочими температурами на поверхности оболочки в процессе службы, а также жаропрочной кухонной посуды и поддонов для печей СВЧ.

Известно электровакуумное стекло вольфрамовой группы [1], предназначенное для изготовления оболочек ламп-фар, газоразрядных ламп высокого давления и защитных стекол светотехнических устройств, содержащее, мас.%:
SiO₂ - 73,2 - 76,1
B₂O₃ - 15,0 - 17,0
Na₂O - 3,8 - 4,8
K₂O - 1,4 - 1,8
PbO - 2,7 - 4,2
и имеющее следующие физические свойства:
Температурный коэффициент линейного расширения (20 - 300^oC), ^oC^-1 - 38,5 - 41,9 10^-7
Термостойкость, ^oC - 310 - 312^oC
Температура размягчения при вязкости 10^-10 Па•с, ^oC - 630
Температура, при которой удельное электрическое сопротивление равно 100 МОМ • см (Тк - 100), ^oC - 300
Химическая устойчивость к воде, гидролитический класс - 3
Кристаллизационная способность:
Верхний предел кристаллизации, ^oC - 1090
Нижний предел кристаллизации, ^oC - 790
Интервал кристаллизации, ^oC - 300
Температура максимальной кристаллизации - 877
Скорость роста кристаллов, мкм/мин - 0,45
Стекло хорошо варится, осветляется и формуется. К недостаткам данного стекла следует отнести его низкую температуру размягчения при вязкости 10¹⁰ Па•с. При эксплуатации мощных металлогалоидных ламп с рабочей температурой на поверхности оболочки более 600^oC происходит размягчение стекла и раздувание ее. В результате лампа разрушается или, если целостность оболочки сохраняется, меняются световые и цветовые характеристики лампы и она становится непригодной для эксплуатации по своему прямому назначению. Стекло имеет недостаточную химическую устойчивость к воде, соответствующую 3 гидролитическому классу, и поэтому не может быть использовано для изготовления жаростойкой кухонной посуды и посуды для печей СВЧ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термостойкое стекло типа "Пайрекс" [2], применяемое для изготовления химико-лабораторной и жаростойкой кухонной посуды, а также оболочек источников света и содержащее, мас.%:
SiO₂ - 80,5
B₂O₃ - 11,8
Al₂O₃ - 2,0
Na₂O - 4,4
K₂O - 0,2
CaO - 0,3
MgO - 0,1
As₂O₃ - 0,7
Известное стекло имеет
Температурный коэффициент линейного расширения (20 - 300^oC), ^oC^-1 - 32 10^-7
Термостойкость, ^oC - 260
Температуру размягчения при вязкости 10¹⁰ Па•с, ^oC - 625
Температуру, при которой удельное электрическое сопротивление равно 100 МОм•см (ТК - 100), ^oC - 290
Химическую устойчивость к воде, гидролитический класс - 1
Кристаллизационную способность:
Верхний предел кристаллизации, ^oC - 1100
Нижний предел кристаллизации, ^oC - 640
Интервал кристаллизации, ^oC - 460
Температура максимальной кристаллизации, ^oC - 840
Скорость роста кристаллов, мкм/мин - 0,8
Стекло довольно технологично при варке и формовании, хорошо обрабатывается на огнях и имеет высокую химическую устойчивость к воде, соответствующую 1 гидролитическому классу, высокую термостойкость. Однако из-за низкой температуры размягчения при вязкости 10¹⁰ Па•с и повышенной склонности к кристаллизации в процессе эксплуатации в лампах, работающих при больших тепловых нагрузках, текло быстро кристаллизуется, оболочка мутнеет и растрескивается. При варке стекла из-за большой вязкости стекломасса полностью не освобождается от мелких пузырей и мошки, которые портят внешний вид изделия.

Цель изобретения - повышение температуры размягчения стекла при вязкости 10¹⁰ Па•с, уменьшение склонности к кристаллизации и улучшение варочных свойств.

Цель достигается тем, что электровакуумное стекло, включающее SiO₂, B₂O₃, Al₂O₃, Na₂O, CaO, MgO, дополнительно содержит PbO, CeO₂ и по крайней мере один из оксидов из ряда As₂O₃, Sb₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO₂ - 76,5 - 80,1
B₂O₃ - 10,1 - 13,3
Al₂O₃ - 1 - 3
Na₂O - 2 - 6
CaO - 0,5 - 1,5
MgO - 0,5 - 1,5
PbO - 0,5 - 2,5
CeO₂ - 0,1 - 0,3
По крайней мере один из оксидов из ряда As₂O₃, Sb₂O₃ - 0,1 - 0,3
Триоксид сурьмы в присутствии селитры в начале окисляется до пятиоксида
Sb₂O₃ + 2NaNO₃ = Sb₂O₅ + Na₂O + NO₂ + NO,
а затем во время варки при температуре 1500^oC вновь отдает кислород

Присутствуя в небольших количествах, Sb₂O₃ способствует стабилизации окислительного потенциала стекломассы и освобождению ее от мелких пузырей и мошки в процессе осветления. Кроме того, во время варки тугоплавкого стекла триоксид сурьмы испаряется, образуя при этом большое количество крупных пузырей, которые, улетучиваясь, очищают стекломассу от мелких пузырей и мошки.

Осветлению стекломассы от мелких пузырей способствует также и диоксид церия CeO₂.

Под действием высоких температур CeO₂ разлагается по реакции

Кислород, выделяющийся в результате разложения, удаляясь из стекломассы, захватывает с собой мелкие пузыри и мошку и очищает ее. Совместное присутствие в стекле триоксида сурьмы и диоксида церия снижает соляризацию стекла и способствует стабилизации светопропускания в процессе эксплуатации ламп.

Нашими исследователями установлено, что оксид свинца, вводимый в состав стекла, резко повышает устойчивость стекла к кристаллизации в процессе службы. Более высокое содержание CaO и MgO при одновременном выводе из состава K₂O повышает температуру размягчения стекла при вязкости 10¹⁰ Па•с. Такая совокупность оксидов свинца, церия, мышьяка и сурьмы при производстве электровакуумного стекла для оболочек металлогалоидных ламп и изготовлении жаростойкой посуды является новой и именно она позволила достигнуть цели изобретения.

Составы стекол и их физико-химические свойства приведены в таблице.

Варка предлагаемых стекол осуществляется в газовой, газово-электрической или электрической печи при температуре 1550 - 1580^oC.

Для ввода SiO₂ в стекло применяется чистый кварцевый песок, для ввода борного ангидрида B₂O₃ - техническая борная кислота, Al₂O₃ вводится через глинозем или гидроксид алюминия. Na₂O вводится через натриевую селитру, а PbO - через свинцовый сурик. Для ввода CaO и MgO служат углекислые соли CaCO₃ и MgCO₃, CeO₂, As₂O₃, Sb₂O₃ вводятся через одноименные химические реактивы марок "хч", "чда" и "ч".

Обработка технических материалов, приготовление шихты, загрузка ее в печь осуществляется на существующем оборудовании.

Формование оболочек для металлогалоидных ламп высокого давления осуществляется вручную или на автоматах с фидерным питанием в интервале температур 1305 - 1340^oC, а формование жаростойкой посуды производится в гидравлическом прессе с шаровым питателем в интервале температур 1400 - 1430^oC.

Предлагаемые стекла по физическим свойствам относится к группе стекол, пригодных для спаивания с вольфрамом. Они хорошо варятся, осветляются и формуются.

Благодаря высокой температуре размягчения, при которой вязкость равна 10¹⁰ Па•с, оболочки высокоинтенсивных источников света не деформируются в процессе службы и не растрескиваются. Благодаря высокой устойчивости стекол к кристаллизации оболочки не мутнеют. Жаростойкая посуда, изготовленная из данного стекла, не растрескивается при приготовлении пищи на кухонной плите или в печах СВЧ и не выщелачивается.

Использование: для изготовления оболочек газоразрядных ламп высокого давления, электровакуумных приборов и других источников света с высокими рабочими температурами на поверхности оболочки в процессе службы, а также жаропрочной кухонной посуды и поддонов для печей СВ-4. Сущность изобретения: электровакуумное стекло содержит, мас.%: оксид кремния 76,5 - 80,1 БФ SiO₂; оксид бора 10,1 - 12,2 БФ B₂O₃; оксид алюминия 1 - 3 БФ Al₂O₃; оксид натрия 2 - 6 БФ Na₂O; оксид кальция 0,5 - 1,5 БФ СаО; оксид магния 0,5 - 1,5 БФ MgO; оксид свинца 0,5 - 2,5 БФ PbO; оксид церия 0,1 - 0,3 БФ СеО₂ и по крайней мере один из оксидов из ряда оксид мышьяка, оксид сурьмы 0,1 - 0,3 БФ As₂O₃, Sb₂O₃ соответственно. Температура размягчения при вязкости 10^1 0 Па • с 690 - 717^oС, ТКЛР (34 - 38) • 10^- 7 1/^oС. 1 табл.

Электровакуумное стекло, включающее SiO₂, В₂О₃, Al₂О₃, Na₂O, СаО, MgO, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит PbO, CeO₂ и по крайней мере один из оксидов из ряда As₂O₃, Sb₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
SiO₂ - 76,5 - 80,1
В₂О₃ - 10,1 - 13,2
Al₂O₃ - 1 - 3
Na₂O - 2 - 6
СаО - 0,5 - 1,5
MgO - 0,5 - 1,5
PbO - 0,5 - 2,5
CeO₂ - 0,1 - 0,3
По крайней мере один из оксидов из ряда
As₂O₃, Sb₂O₃ - 0,1 - 0,3ц