บทบาทหลักของซิลิกา (SiO2​) ในกระจกอิเล็กทรอนิกส์

ซิลิกา (SiO2​) มีบทบาทสำคัญและพื้นฐานอย่างยิ่งในกระจกอีซึ่งเป็นชั้นหินฐานที่มีคุณสมบัติอันยอดเยี่ยมมากมาย กล่าวโดยสรุป ซิลิกาคือ “ตัวสร้างเครือข่าย” หรือ “โครงกระดูก” ของกระจกอี-กลาส หน้าที่ของซิลิกาสามารถแบ่งได้เป็นหมวดหมู่ต่างๆ ดังต่อไปนี้:

1. การก่อตัวของโครงสร้างเครือข่ายกระจก (ฟังก์ชันหลัก)

นี่คือหน้าที่พื้นฐานที่สุดของซิลิกา ซิลิกาเป็นออกไซด์ที่ทำให้เกิดแก้ว ซิลิกาเตตระฮีดรอน (SiO4) ของซิลิกาเชื่อมต่อกันด้วยอะตอมออกซิเจนที่เชื่อมติดกัน ก่อให้เกิดโครงสร้างเครือข่ายสามมิติที่ต่อเนื่อง แข็งแกร่ง และสุ่ม

• การเปรียบเทียบ:เปรียบเสมือนโครงเหล็กของบ้านที่กำลังก่อสร้าง ซิลิกาเป็นโครงสร้างหลักของโครงสร้างกระจกทั้งหมด ในขณะที่ส่วนประกอบอื่นๆ (เช่น แคลเซียมออกไซด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ โบรอนออกไซด์ ฯลฯ) เป็นวัสดุที่เติมเต็มหรือปรับเปลี่ยนโครงเหล็กนี้เพื่อปรับประสิทธิภาพ
• หากไม่มีโครงกระดูกซิลิกานี้ สารสถานะแก้วที่เสถียรจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้

2. การให้ประสิทธิภาพฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

• ความต้านทานไฟฟ้าสูง:ซิลิกาเองมีการเคลื่อนที่ของไอออนที่ต่ำมาก และพันธะเคมี (Si-O) มีความเสถียรและแข็งแรงมาก ทำให้แตกตัวเป็นไอออนได้ยาก โครงข่ายที่ต่อเนื่องที่ซิลิกาสร้างขึ้นจำกัดการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าอย่างมาก ทำให้แก้วอี-กลาสมีความต้านทานต่อปริมาตรและความต้านทานต่อพื้นผิวสูงมาก
• ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำและการสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ:คุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกของกระจกอีมีความเสถียรสูงที่ความถี่สูงและอุณหภูมิสูง สาเหตุหลักมาจากความสมมาตรและเสถียรภาพของโครงสร้างโครงข่าย SiO2​ ซึ่งส่งผลให้มีระดับโพลาไรเซชันต่ำและสูญเสียพลังงาน (การแปลงเป็นความร้อน) น้อยที่สุดในสนามไฟฟ้าความถี่สูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ (PCB) และฉนวนไฟฟ้าแรงสูง

3. การรับประกันเสถียรภาพทางเคมีที่ดี

กระจก E มีคุณสมบัติทนทานต่อน้ำ กรด (ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดฟอสฟอริกร้อน) และสารเคมีได้ดีเยี่ยม

• พื้นผิวเฉื่อย:เครือข่าย Si-O-Si ที่หนาแน่นมีกิจกรรมทางเคมีต่ำมาก และไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำหรือไอออน H+ ได้ง่าย ดังนั้นจึงมีความต้านทานการไฮโดรไลซิสและกรดได้ดีมาก ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าวัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยแก้ว E-glass จะคงประสิทธิภาพได้ยาวนาน แม้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

4. มีส่วนช่วยในเรื่องความแข็งแรงเชิงกลสูง

แม้ว่าความแข็งแกร่งขั้นสุดท้ายของเส้นใยแก้วยังได้รับอิทธิพลอย่างมากจากปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องบนพื้นผิวและรอยแตกร้าวขนาดเล็ก โดยความแข็งแกร่งทางทฤษฎีส่วนใหญ่มาจากพันธะโควาเลนต์ Si-O ที่แข็งแรงและโครงสร้างเครือข่ายสามมิติ

• พลังงานพันธะสูง:พลังงานพันธะของพันธะ Si-O มีค่าสูงมาก ซึ่งทำให้โครงแก้วมีความแข็งแรงอย่างยิ่ง ทำให้เส้นใยมีความแข็งแรงดึงสูงและโมดูลัสยืดหยุ่น

5. การให้คุณสมบัติทางความร้อนที่เหมาะสม

• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ:ซิลิกาเองมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก เนื่องจากซิลิกาทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลัก กระจกอีจึงมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ค่อนข้างต่ำ ซึ่งหมายความว่าซิลิกามีเสถียรภาพเชิงมิติที่ดีในช่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และมีโอกาสน้อยที่จะเกิดความเค้นมากเกินไปอันเนื่องมาจากการขยายตัวและการหดตัวทางความร้อน
• จุดอ่อนตัวสูง:จุดหลอมเหลวของซิลิกาสูงมาก (ประมาณ 1723 องศาเซลเซียส) แม้ว่าการเติมออกไซด์ฟลักซ์อื่นๆ จะช่วยลดอุณหภูมิหลอมเหลวขั้นสุดท้ายของแก้ว E แต่แกน SiO2​ ของแก้วยังคงช่วยให้แก้วมีจุดอ่อนตัวและเสถียรภาพทางความร้อนที่สูงเพียงพอเพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานส่วนใหญ่

ในลักษณะทั่วไปกระจกอีโดยทั่วไปแล้ว ปริมาณซิลิกาจะอยู่ที่ 52%-56% (โดยน้ำหนัก) ทำให้เป็นองค์ประกอบออกไซด์ที่ใหญ่ที่สุดตัวเดียว เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติพื้นฐานของแก้ว

การแบ่งงานระหว่างออกไซด์ใน E-Glass:

• ซิโอทู​(ซิลิกา): โครงกระดูกหลัก; ให้ความเสถียรของโครงสร้าง ความเป็นฉนวนไฟฟ้า ความทนทานต่อสารเคมี และความแข็งแรง
• อัล2โอ3(อะลูมินา): ตัวสร้างและปรับเสถียรภาพเครือข่ายเสริม; เพิ่มความเสถียรทางเคมี ความแข็งแรงเชิงกล และลดแนวโน้มการเกิดการสลายตัวของแก้ว
• บีทูโอ3(โบรอนออกไซด์): ตัวปรับแต่งฟลักซ์และคุณสมบัติ; ลดอุณหภูมิการหลอมเหลวได้อย่างมีนัยสำคัญ (ประหยัดพลังงาน) พร้อมทั้งปรับปรุงคุณสมบัติทางความร้อนและไฟฟ้า
• แคลเซียมออกไซด์/แมกนีเซียมออกไซด์(แคลเซียมออกไซด์/แมกนีเซียมออกไซด์): ฟลักซ์และสารปรับสภาพ; ช่วยในการหลอมละลายและปรับคุณสมบัติความทนทานต่อสารเคมีและการเปลี่ยนสภาพเป็นแก้ว