Osrednja vloga silicijevega dioksida (SiO2​) v e-steklu

Silicijev dioksid (SiO2) igra absolutno ključno in temeljno vlogo priE-steklo, ki tvori temelj vseh njegovih odličnih lastnosti. Preprosto povedano, silicijev dioksid je »omrežje« ali »okostje« E-stekla. Njegovo funkcijo lahko posebej razdelimo na naslednja področja:

1. Oblikovanje strukture steklene mreže (osnovna funkcija)

To je najosnovnejša funkcija silicijevega dioksida. Silicijev dioksid je sam po sebi steklasti oksid. Njegovi SiO4​ tetraedri so med seboj povezani z mostički kisikovih atomov in tvorijo neprekinjeno, robustno in naključno tridimenzionalno mrežno strukturo.

• Analogija:To je kot jekleno ogrodje hiše v gradnji. Silicijev dioksid zagotavlja glavni okvir za celotno stekleno konstrukcijo, medtem ko so druge komponente (kot so kalcijev oksid, aluminijev oksid, borov oksid itd.) materiali, ki zapolnjujejo ali spreminjajo to ogrodje za prilagoditev delovanja.
• Brez tega silicijevega ogrodja ni mogoče tvoriti stabilne steklene snovi.

2. Zagotavljanje odlične električne izolacijske zmogljivosti

• Visoka električna upornost:Silicijev dioksid sam po sebi ima izjemno nizko mobilnost ionov, kemična vez (vez Si-O) pa je zelo stabilna in močna, zaradi česar ga je težko ionizirati. Neprekinjena mreža, ki jo tvori, močno omejuje gibanje električnih nabojev, kar daje E-steklu zelo visoko volumsko in površinsko upornost.
• Nizka dielektrična konstanta in nizke dielektrične izgube:Dielektrične lastnosti E-stekla so zelo stabilne pri visokih frekvencah in visokih temperaturah. To je predvsem posledica simetrije in stabilnosti mrežne strukture SiO2, kar ima za posledico nizko stopnjo polarizacije in minimalno izgubo energije (pretvorbo v toploto) v visokofrekvenčnem električnem polju. Zaradi tega je idealno za uporabo kot ojačitveni material v elektronskih vezjih (PCB) in visokonapetostnih izolatorjih.

3. Zagotavljanje dobre kemijske stabilnosti

E-steklo kaže odlično odpornost na vodo, kisline (razen fluorovodikove in vroče fosforne kisline) in kemikalije.

• Inertna površina:Gosta mreža Si-O-Si ima zelo nizko kemijsko aktivnost in ne reagira zlahka z vodo ali ioni H+. Zato je njena odpornost na hidrolizo in kisline zelo dobra. To zagotavlja, da kompozitni materiali, ojačani z vlakni E-stekla, dolgoročno ohranijo svojo učinkovitost, tudi v zahtevnih okoljih.

4. Prispevek k visoki mehanski trdnosti

Čeprav je končna močsteklena vlaknaNa njihovo teoretično trdnost močno vplivajo tudi dejavniki, kot so površinske napake in mikrorazpoke, njihova teoretična trdnost pa v veliki meri izhaja iz močnih kovalentnih vezi Si-O in tridimenzionalne mrežne strukture.

• Visoka energija vezi:Energija vezi Si-O je zelo visoka, zaradi česar je stekleni ogrod izjemno robusten, kar vlaknu zagotavlja visoko natezno trdnost in elastični modul.

5. Zagotavljanje idealnih toplotnih lastnosti

• Nizek koeficient toplotnega raztezanja:Silicijev dioksid sam po sebi ima zelo nizek koeficient toplotnega raztezanja. Ker služi kot glavni skelet, ima tudi E-steklo relativno nizek koeficient toplotnega raztezanja. To pomeni, da ima dobro dimenzijsko stabilnost med temperaturnimi spremembami in je manj verjetno, da bo zaradi toplotnega raztezanja in krčenja povzročil prekomerne napetosti.
• Visoka točka mehčanja:Tališče silicijevega dioksida je izjemno visoko (približno 1723 °C). Čeprav dodatek drugih oksidnih talilcev zniža končno temperaturo taljenja E-stekla, njegovo jedro SiO2 še vedno zagotavlja, da ima steklo dovolj visoko zmehčišče in toplotno stabilnost, da izpolnjuje zahteve večine uporab.

V tipičnemE-stekloV sestavi je vsebnost silicijevega dioksida običajno 52–56 % (po teži), zaradi česar je največja posamezna oksidna komponenta. Določa temeljne lastnosti stekla.

Delitev dela med oksidi v E-steklu:

• SiO2(Silicijev dioksid): Glavni skeletzagotavlja strukturno stabilnost, električno izolacijo, kemično odpornost in trdnost.
• Al₂O₃(Aluminijev oksid): Pomožni omrežni oblikovalec in stabilizator; poveča kemijsko stabilnost, mehansko trdnost in zmanjša nagnjenost k devitrifikaciji.
• B2O3(Borov oksid): Modifikator fluksa in lastnosti; znatno zniža temperaturo taljenja (varčevanje z energijo), hkrati pa izboljša toplotne in električne lastnosti.
• CaO/MgO(Kalcijev oksid/magnezijev oksid): Fluks in stabilizator; pomaga pri taljenju in prilagaja kemijsko obstojnost ter lastnosti devitrifikacije.