شیشه سربی نوعی شیشه است که جزء کلسیم آن با سرب جایگزین شده است. از نظر وزنی بین 18 تا 40 درصد اکسید سرب (II) دارد. نامگذاری شیشه های سربی به گونه ای تنظیم شده است که هر شیشه ای که دارای حداقل 24 درصد PbO وزنی باشد، “کریستال سرب” و هر شیشه ای که حاوی کمتر از 24٪ PbO وزنی باشد، شیشه کریستال نامیده می شود. [1]. شیشه سرب دارای ترکیب شیمیایی SiO است2 و PbO همراه با سایر ناخالصی ها یا مواد افزودنی اضافه شده برای دستیابی به خواص خاص.
شیشه سربی به شیشه اشعه ایکس یا شیشه محافظ تابشی نیز معروف است، زیرا یکی از کاربردهای اصلی آن در جذب تابش پرانرژی با حفظ شفافیت نوری است. وجود و مقدار PbO چیزی است که برخی از مهمترین خواص نوری و فیزیکی شیشه سرب را تعیین می کند
در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:
- خواص شیشه سربی
- تولید شیشه سربی
- کاربردهای شیشه سربی
شکل 1. شیشه سربی به دلیل ضریب شکست بالا در عدسی های میکروسکوپ استفاده می شود.
خواص شیشه سربی
شیشه سربی، در مقایسه با شیشه معمولی (که به آن شیشه سودا یا شیشه سیلیکا سودا آهک نیز گفته می شود)، ماده ای متراکم و سنگین است زیرا سرب بیش از پنج برابر کلسیم سنگین تر است. شیشه سودا دارای چگالی 2.4 گرم بر سانتی متر است3 و شیشه سربی دارای چگالی 3.1 – 5.9 گرم بر سانتی متر است3. شیشه های سربی همچنین دارای مقاومت الکتریکی بالاتر، ضریب شکست بالاتر (تا 1.8 در مقایسه با 1.5 برای شیشه های بدون سرب)، دمای کار کمتر و ویسکوزیته پایین تر هستند. [2].
بنابراین، شیشه‌های سربی روان‌تر و کار کردن و ساختن آنها نسبت به شیشه‌های سودا آسان‌تر است، زیرا می‌توان روی آن در محدوده دمایی وسیع‌تری کار کرد و در عین حال انعطاف‌پذیرتر و کمتر از شیشه‌های معمولی شکننده‌تر است. جدول 1 زیر مقایسه ای از مواد مختلف شیشه سربی را در خواص نوری، مکانیکی، حرارتی و الکتریکی نشان می دهد.
میز 1. خواص انواع منتخب شیشه های سربی تجاری
| SCHOTT 8095 | SCHOTT 8531 | SCHOTT 8532 | SCHOTT 8650 | SCHOTT 8651 | |
| ضریب شکست | 1.56 | 1.7 | 1.72 | 1.62 | 1.55 |
| ضریب نوری تنش | 3.1 * 10-6 mm²/N | 2.2 * 10-6 mm²/N | 1.7*10-6 mm²/N | 2.8 * 10-6 mm²/N | 3.6*10-6 mm²/N |
| مدول الاستیک | 60 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 52 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 56 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 62 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد | 59 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتیگراد |
| نسبت پواسون | 0.22 در 20 درجه سانتی گراد | 0.24 در 20 درجه سانتیگراد | 0.24 در 20 درجه سانتیگراد | 0.23 در 20 درجه سانتی گراد | 0.24 در 20 درجه سانتیگراد |
| مماس از دست دادن | 1.1*10-3 در 20 درجه سانتی گراد | 9*10-4 در 20 درجه سانتی گراد | 9*10-4 در 20 درجه سانتی گراد | 3.3 * 10-3 در 20 درجه سانتی گراد | 3.1 * 10-3 در 20 درجه سانتی گراد |
| ثابت دی الکتریک | 6.6 در 20 درجه سانتی گراد | 9.5 در 20 درجه سانتیگراد | 10.2 در 20 درجه سانتیگراد | 7.6 در 20 درجه سانتیگراد | 6 در 20 درجه سانتی گراد |
| مقاومت الکتریکی | 3.98 * 107 Ω·m در 250 درجه سانتیگراد | 1.00 * 109 Ω·m در 250 درجه سانتیگراد | 1.00 * 109 Ω·m در 250 درجه سانتیگراد | – | 1.58*109 Ω·m در 250 درجه سانتیگراد |
| ضریب انبساط حرارتی | 9.1 * 10-6 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 9.1 * 10-6 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 8.7*10-6 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 5.1 * 10-6 1/K در 20 درجه سانتیگراد | 4.4 * 10-6 1/K در 20 درجه سانتیگراد |
| دمای مقاومت الکتریکی خاص | 330 درجه سانتی گراد | 450 درجه سانتی گراد | 440 درجه سانتی گراد | – | – |
| دمای بازپخت | 435 درجه سانتی گراد | 430 درجه سانتی گراد | 430 درجه سانتی گراد | 475 درجه سانتی گراد | 540 درجه سانتی گراد |
| دمای کاری | 982 درجه سانتیگراد | 820 درجه سانتی گراد | 760 درجه سانتی گراد | 885 درجه سانتی گراد | 1034 درجه سانتی گراد |
| دمای انتقال شیشه ای | 430 درجه سانتی گراد | 435 درجه سانتی گراد | 435 درجه سانتی گراد | 475 درجه سانتی گراد | 549 درجه سانتی گراد |
| دمای نرم شدن | 630 درجه سانتی گراد | 585 درجه سانتی گراد | 560 درجه سانتی گراد | 625 درجه سانتی گراد | 736 درجه سانتی گراد |
| هدایت حرارتی | 0.9 W/(m·K) در 90 درجه سانتی گراد | 0.7 W/(m·K) در 90 درجه سانتیگراد | 0.7 W/(m·K) در 90 درجه سانتیگراد | 0.5 W/(m·K) در 90 درجه سانتی گراد | 0.9 W/(m·K) در 90 درجه سانتی گراد |
| خواص خوردگی | کلاس مقاومت هیدرولیتیک HGB3 (ISO 719)، کلاس مقاومت اسیدی S2 (DIN 12116)، مقاومت قلیایی کلاس A3 (ISO695) | ||||
| حوزه های کاربرد | کاربرد عمومی الکتروتکنیکی و الکتروتکنولوژی (تقویت کننده سیگنال، آشکارساز و (فیبر) نوری)، آندوسکوپی. | کپسوله سازی اجزای نیمه هادی در دمای پایین (میکرو دیودها)، الکترونیک، حسگرها | کپسوله سازی اجزای نیمه هادی در دمای پایین (میکرو دیودها)، الکترونیک، سنسورها. | دیودهای انفجاری، الکترونیک و سنسورها | برای دیودهای برق و پین و همچنین میکرو دیودها، تقویت کننده سیگنال، آشکارساز (سایر فناوری های الکترونیکی / الکترونیک)، سنسورها |
تولید شیشه سربی
تولید شیشه سربی به طور کلی به شرح زیر انجام می شود [3]:
- اکسید سرب و/یا تتروکسید سرب (PbO و/یا سرب3O4) به یک سیلو تغذیه می شوند.
- سایر اجزای مواد خام (ترکیبات معدنی جامد که ممکن است به طور طبیعی یا مصنوعی باشند) مورد نیاز برای دستیابی به ترکیب شیشه سرب مورد نظر با مواد سرب مخلوط می شوند. یک نسبت معمولی از مواد می تواند شامل 48٪ ماسه سیلیس، 28٪ سرب و 24٪ پتاس باشد. ممکن است فلزات دیگری به مخلوط اضافه شود تا رنگ خاصی به شیشه بدهد.
- سپس این مخلوط به یک کوره الکتریکی وارد می شود که در آنجا گرمای تولید شده از مقاومت آن در برابر جریان الکتریکی عبوری از آن را متحمل می شود. دمای بین 1350 تا 1550 درجه سانتیگراد مورد نیاز است.
- بسته به نیاز خروجی ممکن است مواد دسته ای تازه به مذاب اضافه شود.
- مذاب شیشه ای همگن مذاب استخراج و به آرامی سرد می شود تا از ایجاد تنش های پسماند جلوگیری شود زیرا بخش های مختلف شیشه سربی با سرعت های مختلف خنک می شوند. شیشه سربی به صورت روبان، قطرات یا گوب تولید می‌شود که با روش‌های شکل‌دهی، مانند فشار دادن یا دمیدن، شکل بیشتری می‌گیرد.
کاربردهای شیشه سربی
خواص شیشه سربی آن را برای بسیاری از کاربردها مفید می کند. با این حال، اکثر آنها به ویژه از خواص نوری آن استفاده می کنند. در اینجا چند نمونه هستند [3]:
- در زمینه‌های پزشکی و تحقیقاتی که در طی فرآیندها یا آزمایش‌هایی که شامل تشعشع می‌شوند به دید نیاز است، شیشه سربی می‌تواند به همان کاهش تشعشعات دیوارها یا موانع اطراف دست یابد و در عین حال امکان دید را برای اپراتور فراهم کند. یک مثال معمولی پنجره مشاهده یک اتاق اشعه ایکس یا آزمایشگاهی است که با مواد رادیواکتیو آزمایش می کند.
- ضریب شکست بالای شیشه‌های سربی برای تولید عدسی‌ها مفید است، زیرا می‌توان لنزهای نازک‌تری برای دستیابی به فواصل کانونی مشابه با شیشه‌های معمولی چشمی ساخت. بنابراین شیشه سربی برای عینک های پزشکی خاص، دوربین های دوچشمی، میکروسکوپ ها و تلسکوپ ها استفاده می شود.
- پروژکتورهای دیجیتال از شیشه سربی استفاده می کنند زیرا سطح بالایی از انتقال در طول موج های کوتاه دارد که نمونه ای از پرتوهای لیزر پروژکتور است. علاوه بر این، افزایش دما ناشی از منبع نور، تصویر نمایش داده شده توسط شیشه سربی را تحریف نمی کند زیرا رسانایی حرارتی کمتری نسبت به شیشه بدون سرب دارد.
- در ابزارهایی که در ناحیه نزدیک به اشعه ماوراء بنفش و ناحیه مادون قرمز نزدیک عمل می کنند مانند فلورسانس زیستی، تجزیه و تحلیل ژن، طیف سنجی و مخابرات مفید است.
- شیشه سربی در اپتیک لیزری برای فناوری های چاپ و فتوکپی استفاده می شود.
- شیشه سرب در گذشته برای استفاده به عنوان ظروف شیشه ای محبوب بود، اما به دلیل پیامدهای سلامتی مصرف سرب، کاربرد آن برای نگهداری و سرو نوشیدنی در زمان های اخیر به طور چشمگیری کاهش یافته است. در عوض، کریستال سرب برای اهداف زینتی مانند لوستر و گلدان های تزئینی استفاده می شود.
شکل 2. شیشه‌های سربی به عنوان پنجره‌های مشاهده در اتاق‌های اشعه ایکس استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند در عین حفظ دید، تضعیف تشعشع بالایی داشته باشند.