Стекло является самым древним и самым универсальным материалом, который используется в разных сферах деятельности человека. Изготавливать стекло начали еще в Древнем Египте, где стекло применялось для внутренней облицовки пирамид. Чуть позже стекло начали широко использовать в отделке множества дворцов. Самыми важными характеристиками стекла оставалась твердость, прочность, теплопроводность и высока термостойкость, причем эти характеристики могут влиять на качество данного материала.
По аналогии до стекло имеет свои уникальные качества. Если это технические стекла, то их плотность зависит от химического состава и колеблется в пределах от 220 и до 6300 кг/м3. Если это стекла, которые применяют в изготовлении декоративных изделий и сортовой посуды, то их плотность обычно 2490-2520 кг/м3. Для изготовления свинцовых хрусталей плотность стекла составляет 2400-3200, а для бариевых хрусталей плотность составляет 2700-2900 кг/м3.
Стоит знать, что плотность стекла уменьшается при повышении температуры. Поэтому плотность стекла отожженного больше, нежели закаленного. А связано это с тем, что все закаленные стекла имеют рыхлую структуру, ведь при закалке замораживается высокотемпературная структура в стекле. А вот во время отжига эта структура уплотняется. Готовая плотность плохо и хорошо отожженных стекол различается и составляет 20-30 кг/м3.
Еще плотность стекла может изменяться в зависимости от его химического состава. Например, существенно повышают стекла оксиды железных металлов ZnO , PbO , ВаО , а в меньшей степени MgO и СаО . Такая зависимость используется в контроле химического состава стекол и особенно во время механизированного производства стеклянных изделий.
Стекло является неорганическим материалом, который изготавливают на производстве, а также оно существует в природе – это минералы. Относительно структуры стекла , то оно является аморфным твердым телом, которое имеет массу модификаций. Именно поэтому существует большое видов этого материала.
Причем каждый вид стекла имеет свой уникальный состав, свои химические и физические свойства. На сегодня, независимо от вида стекла, его производство достигло таких масштабов, что свойства стекла
улучшаются каждый день. Например, данный материал имеет такой состав, что получил высокую стойкость к агрессивным веществам, биоактивность
, прозрачность, отражающую способность, прочность, жаростойкость, электропроводность и другие.
Химический состав стекла
Изготавливают стекло из стеклообразующих веществ, к которым относятся такие фториды и оксиды, как B2O3, P2O5, AlF3, GeO2, SiO2, TeO2. В итоге, учитывая основной используемый компонент, выделяют разные виды стекол. Например, бывают фторидные и оксидные стекла, это силикатное, кварцевое, германатное и фосфатное стекло.
Если это обычное силикатное стекло, то его изготавливают методом плавления компонента из соды, кварцевого песка и извести. Что касается кварцевого стекла, то оно в своем составе имеет формулу SiO2 и изготавливается оно с помощью метода плавления кремнеземистых веществ, это кварцита и горного хрусталя. Помимо этого, оно еще может состоять из кластофульгуритов , то есть оно имеет природное происхождение. Изготавливают его путем попадания молнии прямо в залежи кварцевого песка.
Физические свойства
Плотность стекла зависит от его вида, например, минимальную плотность имеет кварцевое стекло, что составляет 2200 кг/м3. Если в состав стекла входят оксид свинца, висмута, тантала, то его плотность составляет приблизительно 7500 кг/м3, а обычное оконное, то есть силикатное стекло имеет плотность 2500-2600 кг/м3. Вторым важным показателем является теплопроводность стекла, которая варьирует от 0,711 и до 13,39 Вт/м*К.
Удельный вес стекла является параметром изменным , который зависит от плотности стекла. Но его высчитают по специальной формуле, в которую включают толщину и массу изделия. Например, стекло с толщиной 1 мм имеет 2,5 кг и площадь 1 м2. Еще одним показателем является хрупкость стекла, которая определяет возможное разрушение этого материала от разного физического воздействия.
Такое свойство отражается ударной вязкостью, которая может увеличиться после добавления брома в процессе изготовления стекла. Например, ударная вязкость силикатного стекла составляет 1,5-2 кН/м, а его прочность может варьировать от 500 и до 2000 МПа. Что касается твердости стекла, то она измеряется по шкале Мооса и составляет 6-7 Ед. А зависит твердость стекла от добавления различных примесей. И если в его состав внесли щелочные оксиды, то твердость материала становится меньшей, в итоге получается свинцовое мягкое стекло, а самым твердым считается кварцевое стекло.
Востребованность и популярность стекла
Самую важную роль в производстве стекла играет его закалка, то есть обработка, которая делает стекло наиболее безопасным и особенно во время его разбивания. В итоге осколки не могут ранить человека, поэтому такой материал охотно используют в производстве перегородок, мебели и дверей. Кроме этого существует и другой способ обработки стекла – это изгиб стекла, то есть получается гнутое стекло. Такой материал является очень капризным, поэтому его редко используют. Готовое стекло и даже закаленное образцы довольно легко поддаются поверхностной обработке.
Наиболее распространенным видом обработки стекол является пескоструйная обработка. То есть ударная волна песка направлена так, что выбивает в стекле следы, которые задумал дизайнер. В итоге матирующий эффект и причудливые узоры придают материалу индивидуальность и неотразимость. Еще в производстве стекла используется окраска и такая обработка материала встречается для приготовления столешниц и при отделке стен. Огромное множество способов дает возможность изготавливать каждый день различные предметы обихода, и просто прекрасные шедевры искусства.
С каждым годом разновидности стекол только увеличиваются, и это позволяет использовать его во многих сферах деятельности человека. Единственно, что нельзя забывать – это осторожно обращаться с этим прочным, красивым и восхитительным материалом, который все же остается хрупким материалом.
Каждый из нас не раз встречал стекло. Что такое этот хрупкий и прозрачный материал, знает любой школьник. Мы каждый день видим его в зеркалах, окнах, в посуде и элементах мебели, но хорошо ли мы знакомы с ним? Как оно производится, что собой представляет и каковы свойства стекла?
Что значит это слово
Существует немало справочных материалов, которые могут помочь в этом вопросе. Каково же значение слова "стекло" по одному из наиболее популярных источников? Словарь Ожегова характеризует это вещество как твердый материал, получаемый из кварцевого песка, смешанного с окислами некоторых металлов. Даже определение дает некоторое представление о способе производства данного материала. Но к этой теме мы перейдем позже.
Наверняка все привыкли, что стекло - это прозрачный материал. Но обратите внимание - словарь Ожегова не дает такого уточнения. Стекло может быть не только прозрачным, но также цветным или матовым. А вот состав материала при этом отличается несущественно.
Из чего делают стекло
Стандартный состав стекла представляет собой смесь чистого извести и соды. Для изменения свойств материала могут использоваться различные добавки. Но все-таки основным составляющим компонентом является именно чистый речной песок. Его количество составляет примерно 75% от всей смеси. Сода позволяет снизить песка почти в 2 раза. Известь защищает стекло от воздействия большинства химических веществ, а также добавляет прочности и блеска.
Дополнительные примеси:
- Марганец. Его добавляют в стекло для получения специфического зеленого оттенка. Для получения других цветов может использоваться никель или хром.
- Свинец придает стеклу дополнительный блеск и характерный звон. Материал получается более холодным на ощупь. Стекло с примесью свинца называется хрусталь.
- Оксид борной кислоты тоже придает материалу дополнительный блеск и прозрачность, при этом понижая коэффициент теплового расширения изделий.
История производства стекла
Еще 6000 лет назад люди умели создавать этот красивый и хрупкий материал. Конечно, его внешний вид несколько отличался от современного стекла, поскольку в Древнем Египте и Месопотамии не было оборудования для качественной очистки песка и других инструментов. Тем не менее производство стекла началось именно там. Благодаря устойчивости к воздействиям окружающей среды этот материал дал историкам представление о культуре и технических возможностях древнейших народов.
В России первый завод по производству стекла появился в 1636 году. Он был расположен недалеко от Москвы. Там создавались посуда и Большое развитие эта отрасль промышленности получила при Петре I.
Только в 1859 году изобретение насоса высокого давления позволило создавать стекло без участия стеклодувов. Это значительно упростило производство. А в начале 19 века было обнаружено интересное свойство материала - если готовое изделие разогреть до определенной температуры, механические свойства стекла повысятся на 400%.
Современное производство
Технологии шагнули далеко вперед, что позволило создавать любые материалы в огромных количествах и с наименьшими затратами человеческих сил. В настоящее время существует немало заводов, на которых по стандартной налаженной технологии создается стекло. Что такое современный материал, получаемый из расплавленного кварцитового песка, узнаем, ознакомившись с технологией. Как пример возьмем листовой материал.
Производство стекла по этапам:
- Все необходимые ингредиенты загружают в печь и разогревают, пока не образуется жидкая однородная масса.
- В специальном гомогенизаторе этот сплав перемешивают до однородного состояния.
- Полученную массу выливают в плоскую емкость, на дне которой находится расплавленное олово. Там стекло распределяется, образуя равномерный тонкий слой.
- Остывший и затвердевший материал отправляется на конвейер. Там проводится контроль толщины стекла и нарезка. Материал, не прошедший проверку, а также бракованные детали отправляются на переплавку.
- Производится последняя проверка качества, после чего стекло поступает на склад готовой продукции.
Виды стекла
В настоящее время этот материал является одним из наиболее распространенных. Неудивительно, что существуют различные типы стекла, отличающиеся как по внешнему виду, так и по физическим свойствам. Вот некоторые из них:
- Хрустальное стекло. Это материал, содержащий в своем составе свинец. О нем мы говорили выше.
- Содержит в составе чистейший песок, благодаря чему отличается высокой прочностью. Способно выдерживать скачки температуры, поэтому используется для создания оптических приборов, лабораторной посуды и окон.
- Пеностекло. Легкий строительный материал, который может быть использован как для отделки, так и для кладки стен и полов. Содержит в составе большое количество пустот, благодаря чему имеет высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.
- Стекловата. Объемный воздушный материал, состоящий из тонких и очень прочных нитей. Огнестойка, поэтому используется не только в строительстве, но и при пошиве одежды пожарных и сварщиков.
Применение стекла
В зависимости от свойств и внешнего вида этому материалу можно найти почти любое применение. Основной потребитель изготавливаемого в наше время стекла - строительная отрасль. В ней используется более половины изготовляемого материала. Его назначение может быть самым разнообразным - облицовка стен, остекление окон, возведение стен из пустотелых кирпичей, теплоизоляция и т.д. К строительной области можно отнести и Что такое готическое окно, знают наверняка все. Как правило, оно выложено из большого количества цветных стеклышек. В наше время витражи не потеряли своей актуальности и используются как в строительстве, так и в производстве мебели.
На втором месте по популярности идут стеклянные сосуды различного назначения. Немного меньше производится посуды. Стоит отметить, что в химической отрасли стекло является незаменимым материалом, поскольку оно устойчиво к большинству реагентов.
Физические свойства
Как и любой другой материал, стекло обладает рядом качеств, которые необходимо знать, прежде чем использовать его в той или иной области.
- Плотность. Может варьироваться в зависимости от состава смеси и способа изготовления. Значение плотности стекла может колебаться от 220 до 650 кг/м 3 .
- Хрупкость. Эта характеристика является отличительной особенностью стекла и ограничивает его применение в строительной области. В настоящее время учеными создаются более сложные сплавы, максимально увеличивающие прочность материала.
- Термостойкость. Обычное стекло выдерживает температуру до 90 о С. После обработки термические свойства материала значительно повышаются. Например, промышленное стекло способно выдерживать температуру более 200 о С.
Мы узнали многое про стекло - что такое, как производится и какими свойствами обладает. Самое время немного отвлечься и ознакомиться с наиболее интересными фактами об этом весьма распространенном материале. Мало кто знает, что:
- Скорость движения трещины по составляет 4828 км/ч.
- Время разложения этого материала составляет примерно миллион лет.
- Стекло можно неоднократно переплавлять практически без потери качества. В этом отношении у него почти нет аналогов.
- Являясь аморфным материалом, расплавленное стекло не затвердеет при быстром охлаждении. Для этого нужны специальные условия.
Стекло не зря так активно используется в строительстве и других областях жизни человека. Наверняка оно еще долго будет оставаться одним из наиболее популярных материалов. В пользу этого утверждения говорят прочность, долговечность и относительная простота изготовления стекла, связанная с тем, что компоненты для его создания присутствуют на Земле в большом количестве.
Удивительно, но сталкиваясь, каждый день со стеклянными изделиями, мало кто задумывается о том, из чего делают стекло. Между тем, процесс создания этого материала довольно интересен, а диапазон применения — очень широк.
Технология изготовления стекла
Основной компонент, из которого его делают — это обычный кварцевый песок . Для того чтобы из непрозрачной сыпучей субстанции образовался прозрачный и бесцветный монолит, её нагревают до очень высоких температур. Благодаря этому отдельные песчинки сплавляются между собой, и, поскольку охлаждение стеклянного «теста» происходит очень быстро, не успевают вернуться в свою первоначальную форму. Кроме того, в состав стекла входит сода, немного воды и известняк. Чтобы получить цветной материал, в расплавленную массу добавляют оксиды металлов. Каких именно, зависит от желаемого результата. Так, например, окиси хрома и меди дают вместе зелёный цвет, отдельно окись хрома — желто-зелёный, а кобальт — насыщенный синий.
Технология производства стекла выглядит следующим образом. Сначала все компоненты, вымеренные точнейшими электронными весами, отправляются в гигантскую печь, где при температуре в 1600° С превращаются в единую массу. Затем эта масса делается однородной или, говоря научным языком, гомогенизируется, а все пузырьки газа из неё удаляются. Затем стекольной массе предстоит «купание» в ванне с расплавленным оловом , температура которого приближается к 1000° С. Благодаря более низкой плотности, чем у оловянного расплава, стекло не смешивается с ним, а как бы плавает на поверхности. При этом оно охлаждается и приобретает идеальную гладкость.
Толщина материала зависит от дозировки расходной массы, попадающей в ванну — чем она меньше, тем тоньше получится. Когда стеклянное волокно покидает оловянную ванну, его температура понижается до 600 °С, однако оно ещё достаточно горячо для того, чтобы затвердеть. Поэтому его охлаждают повторно, проводя стекольную «простыню» через конвейер из вращающихся роликов до тех пор, пока масса не остынет до 250 °С. Охлаждение должно проходить постепенно, иначе материал треснет. В конце конвейера установлен автоматический контроль качества — выявляющий возможные огрехи материала. Помеченные сканером места удаляются на следующей стадии процесса — во время резки единого «полотна» на листы нужного размера. В процессе обрезается его край, на котором остаётся полоса от шестёренок.
Полученные обрезки добавляются к новой партии стеклянного «теста» — таким образом, получение стекла становится безотходным процессом.
Характеристики стекла
Теперь, когда ответ на вопрос о том, как изготавливают стекло получен, самое время рассказать о нём подробнее. Итак, существует несколько параметров, по которым подразделяются стёкла. По назначению они делятся на три категории. Бытовые — то есть те, которые идут на изготовление посуды, тары, очков и различных украшений. Строительные — в этот список входят стеклоблоки, стеклопакеты, витрины, мозаики, витражи и так далее. И, наконец, технические, применяемые в химической, машиностроительной и прочих промышленностях. Второй признак, по которому эти изделия разделяются на пять классов — это род обработки.
- Первый класс. В него входят предметы, сделанные по технологиям, предусматривающим ту или иную обработку стекла.
- Второй класс. Включает в себя изделия, подвергшиеся механической обработке поверхности, как то: шлифовка, полировка, матирование (без использования химических средств), гравировка и так далее.
- Третий класс. К этой категории причисляют предметы, чьи грани подверглись холодной обработке механическим способом. Например, были закруглены или фацетированы.
- Четвёртый класс. Изделия, подвергнутые химической обработке, например травлению или матированию с использованием кислот.
- Пятый класс. Стекла, имеющие плёночные или какие-либо иные покрытия.
Также стёкла различают по фактуре наружной поверхности. Здесь существует семь категорий, в одну из которых входят , а в шесть других — глянцевые . Глянцевые поверхности могут быть травлеными, свободными от покрытий или покрытыми органической плёнкой, кремнеорганическими соединениями, полупроводниками или металлическим напылением.
Свойства стекла
Одно из основных свойств этого материала — способность пропускать свет. Стоит сказать, что стекол со стопроцентной пропускаемостью света в природе не существует. Лучшие представители прозрачного «братства» пропускают около 92% процентов видимого света, а привычные оконные — не более 87%.
Теплопроводность стекла — то есть способность проводить тепло от более нагретых участков к менее нагретым, очень мала. Такая способность этого материала создает возможность для его применения в или духовках. Плотность стекла — то есть отношение массы к объёму, полностью зависит от его химического состава. Так, например, если в стекло входит свинец, то плотность его будет высокой. Обычное же оконное имеет плотность 2,5 г на см 3 — проще говоря, 1 см 3 весит 2,5 грамма.
Твёрдость — то есть способность сопротивляться проникновению иных материалов, составляет примерно шесть баллов по шкале Мооса. Для сравнения — у алмаза, самого плотного согласно этому определению материала, данный показатель равен десяти. Хрупкость стекла, как всем известно, очень велика, однако точные её показатели можно определить только в специальной лаборатории.
Стекло служит человеку уже много сотен лет, а процесс его создания всё так же привлекателен и в чём-то даже загадочен. Оно не только защищает наши дома от холода и ветров, но и даёт большую свободу для творчества — от создания витражей до выдувания из него всевозможных предметов.
СТЕКЛО: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Стекло является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам: прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике.
Человеку с древнейших времен известны природные стекла (янтарь, стекла вулканического происхождения), а вырабатывать стекла он научился несколько тысяч лет назад. Производство стекла совершенствовалось на протяжении веков, но долгое время этот процесс определяло искусство мастеров, опыт которых передавался из поколения в поколение. В настоящее время наряду с ручным трудом в стеклоделии применяются механизированные методы формования стеклоизделий, которые обеспечивают массовый выпуск продукции. В народном хозяйстве ориентировочно можно выделить следующие основные области применения стекла: строительная промышленность, производство стеклотары, стеклоаппаратов, химической посуды; электровакуумная промышленность, использование стекла в качестве декоративного материала, оптическая промышленность и приборостроение.
Больше половины всего выплавляемого стекла перерабатывается на листы для остекления зданий. Широкое применение в строительстве нашли изделия из стекловолокнистых материалов (стеклянная вата, маты, жгуты и др.), которые используются в качестве тепло- и звукоизоляторов. Они не гниют и не плесневеют, обладают малым объемным весом, огнестойкостью и вибростойкостью .
Около трети всей стекольной продукции - сосуды самого разнообразного типа, фасона и назначения. Замечательные декоративные свойства стекла (способность воспринимать различные окраски, передавать игру света, разнообразие в переходах от кристальной прозрачности через все степени замутнения до полной непрозрачности) обусловили существование особой группы изделий, объединяемых общим названием "художественное стекло". Сюда относится художественная столовая посуда, монументальные стеклянные изделия (барельефы, торшеры, вазы, люстры и др.) и разнообразные отделочные материалы (плитки и листы для облицовки стен, полов зданий, карнизы, фризы и др., использование стекла в витражах). Одной из важных отраслей художественного стеклоделия является производство смальт (непрозрачных стекол) широкого ассортимента. Эти стекла используются при создании монументальных стенных панно в технике мозаичной живописи, родственной технике витража .
В виде стеклоэмалей, непрозрачных тонких стекловидных слоев различных цветов, стекло используется как защитное покрытие, предохраняющее металлические изделия от разрушения и придающее им внешний вид, удовлетворяющий эксплуатационным и эстетическим требованиям. Стеклоэмали применяются при изготовлении химической и пищевой аппаратуры, посуды, изделий санитарной техники, труб, вывесок, облицовочных плиток, ювелирных изделий .
Оптическая промышленность и оптическое стекло позволили создать современные точнейшие оптические приборы во всем разнообразии их типов и назначений (обычные очки, микроскопы, телескопы, фото- и киноаппараты и др.).
Особо чистое кварцевое стекло используется для изготовления волоконных световодов при создании волоконно-оптических линий связи, позволяющих передавать большие объемы информации. Отдельный класс стекол образуют так называемые лазерные стекла. Это многокомпонентные стекла различной природы (силикатные, фосфатные, фторбериллатные, боратные, теллуритные и др.), активированные неодимом. Лазеры могут быть миниатюрными, как, например, используемые в медицине, и могут представлять собой мощные системы, применяемые в термоядерном синтезе. Лазеры применяются также в научных исследованиях, геодезии, при точной обработке металлов .
В ходе дальнейшего изложения будут дополнительно приведены еще некоторые примеры применения стекла как материала.
Из краткого обзора областей применения стекла очевидно, что необходимо изготавливать стекла, разные по свойствам: особо химически стойкие, особо прочные механически, обладающие определенными коэффициентами термического расширения, заданными оптическими и электрическими константами и др. Поэтому неудивительно, что исследователи прилагают много усилий для постижения природы стекла, выяснения влияния разнообразных факторов на его различные свойства.
В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами выдающихся ученых М.В. Ломоносова и Д.И. Менделеева. М.В. Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. По его инициативе в 1754 году была отстроена первая стекольная фабрика. Заслугой Д.И. Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO2 и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное-неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.
СТЕКЛООБРАЗНОЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЯ
Обычно понятие "стекло" определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков. Стекло же не может быть полностью отнесено по совокупности признаков ни к одному из них. Рассмотрим вещества, находящиеся в указанных агрегатных состояниях, с точки зрения взаимного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), образующих вещество, и их взаимодействия между собой. При очень высоких температурах многие неорганические вещества существуют в виде газа. В газе частицы вещества располагаются и движутся хаотически. При низком давлении, например атмосферном, взаимодействия между частицами чрезвычайно слабы. При понижении температуры газ конденсируется в жидкость, которая при дальнейшем снижении температуры кристаллизуется. В жидкостях и кристаллах частицы располагаются несравненно более компактно, между ними действуют значительные по величине силы, которые создают известную упорядоченность в расположении атомов или молекул: в кристаллах почти идеальную, в жидкостях - существенно менее полную. Основной особенностью кристаллов является то, что их можно получить путем повторения элементарной ячейки во всех трех направлениях. Элементарная ячейка состоит из некоторого числа атомов (ионов, молекул), строго определенным образом расположенных друг относительно друга. Такое повторение элементарной ячейки называют дальним порядком. В жидкостях нельзя выделить такой элементарной ячейки. Для жидкости можно с уверенностью говорить о существовании ближнего порядка, то есть о ближайших соседних частицах, окружающих центральную. Таким образом, для жидкости характерен ближний порядок, но нет дальнего. Мы воспользуемся здесь широко применяемым определением стекла: стекло - это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях. Отличие стекла от кристаллов состоит в отсутствии периодичности строения, в отсутствии дальнего порядка в структуре.
Кроме традиционного пути получения стекол - охлаждения расплава, стали широко применяться и другие способы получения стекол. Сюда относятся стеклообразные пленки, получаемые напылением из газовой фазы; "метамиктные стекла", образующиеся под воздействием ударных давлений и при бомбардировке кристаллов нейтронами; стекла, получаемые по зольгель-технологии. В этой связи неудивительно, что разные исследователи дают различные определения стекла, отличные от приведенного нами. При этом они руководствуются выборочными признаками стеклообразного состояния. За основу принимаются, например, структурные признаки, способ получения стекла, тип химической связи и т.д. Терминологическая дискуссия по этому вопросу ведется уже давно, и она далека от завершения, что, безусловно, свидетельствует о сложности объекта исследования .
СТРУКТУРА СТЕКОЛ
Приведенное выше определение стекла, связанное с традиционным способом его производства и с общими сведениями о его структуре, привело к двум различным направлениям в развитии теории стеклообразного состояния. А.А. Лебедев предположил, что структуру стекла образуют субмикроскопические кристаллы - кристаллиты, расположенные друг относительно друг друга хаотическим образом . Согласно кристаллитной гипотезе стекло является химически однородным.
Исследование стекол методом рентгеноструктурного анализа явилось качественным скачком в понимании природы стеклообразного состояния . Согласно полученным данным было показано следующее: 1) кристаллиты содержат 1 - 2 элементарных ячейки, да и то искаженных, то есть терялся смысл самого понятия "кристаллит", 2) высказано предположение о химически неоднородном строении стекла. Исторически кристаллитная гипотеза сыграла большую роль в понимании природы стеклообразного состояния, но ее пригодность для описания большинства стеклообразных веществ оказалась невелика.
Наряду с кристаллитной гипотезой получили развитие представления шведского ученого В. Захариасена , который на основе успехов кристаллохимии силикатов высказал предположение, что структуру оксидных стекол образуют элемент-кислородные полиэдры, аналогичные таковым в кристаллах, но их сочленение не имеет строгого порядка и периодичности, как в кристаллах. Было установлено, что рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO4 . Атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, и отражает ближний порядок в структуре стекла. Для сравнения на рис. 1а, б схематично даны структура кристаллического кварца и структура стеклообразного кварца в виде беспорядочной сетки. Поскольку на рисунке представлена схема в двумерном изображении, каждый атом кремния окружен только тремя атомами кислорода. Понятно, что в реальном тетраэдре один атом кремния и три атома кислорода не могут находиться в одной плоскости. Поэтому схема дает несколько искаженную картину действительных представлений В. Захариасена. Тем не менее она правильно отражает основные идеи его подхода. Как показали многочисленные рентгеновские и нейтронографические (основанные на изучении рассеяния нейтронов стеклом) исследования, наличие неупорядоченной сетки подтверждается применительно к структуре однокомпонентных стекол, таких, как B2O3 , SiO2 , As2O3 , Si, B, и некоторых других. Исследования поведения стеклянных электродов в растворах электролитов также позволили высказать определенные суждения о ближнем порядке в стеклах. На базе экспериментального материала по изучению поведения электродов из разных стекол в растворах электролитов и его теоретического осмысления автором был предложен метод изучения элементов структуры стекла по типу комплексных ионов, таких, например, как 1 - , 1 - .
Стекло - один из прекраснейших материалов, изобретенных еще 3000 лет до нашей эры. Несмотря на «солидный возраст», оно до сих пор честно служит людям, с каждым годом, открывающим в нем новые качества. Стекло - это красивые дома и сверхпрочные материалы, художественные изделия и ткани. Это один из материалов, которым никогда не перестанут любоваться люди. Оно незаменимо в быту и лабораторной практике. О стекле написано сотни книг, проведены и проводятся научные исследования, но до сих пор нет точного определения термина «стекло».
Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
В стекловидном состоянии могут находиться вещества, как естественного происхождения, так и полученные искусственно. К естественным стеклам относятся: вулканическая магма, пемза, смолы. Искусственные неорганические стекла - переохлажденные расплавы, в состав которых входят окиси кремния, бора, фосфора, щелочных и щелочноземельных металлов.
Исходными материалами для получения искусственной стекольной массы являются кварцевый песок, кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия, мел и известняк, карбонат магния, доломит, карбонат бария, натриевая и калиевая селитры. В некоторые сорта стекол вводят окись алюминия, окись свинца и окислы других металлов.
Основным компонентом стекла является двуокись кремния - кремнезем, температура плавления которого равна 1728°С. Содержание окиси кремния в стекле составляет 50-85%, а в кварцевом стекле 98,8-99,9%. Содержание других компонентов, входящих в состав стекол, приведено в таблицах 1 и 2.
Цветные стекла получают, вводя в шихту окислы или другие соединения разных элементов, например для окраски стекла в синий цвет вводят соединения кобальта, в зеленый - окись хрома, в фиолетовый - соединения марганца, в рубиновый-закись меди или металлическое золото.
| Тип, марка стекла | Si0 2 | А1 2 0 3 | в 2 о 3 | СаО | MgO | РЬО | ВаО | Zr0 2 | ZnO | Na 2 0 | К 2 0 | Fe 2 0 3 |
| Тюрингенское | 68,74 | 3-4 | 6,2-8 | _ | _ | _ | _ | ___ | 12-18 | 0-8,5 | _ | |
| Унихост | 68,9 | 3,9 | - | 5,5 | 2,9 | - | - | - | - | 17,8 | 1,3 | - |
| АН | 70,7 | 4,2 | 2,3 | 7,0 | - | - | - | - | - | 13,9 | 1,9 | - |
| Х8 | 69,2 | 3,5 | 1,2 | 5,8 | 3,6 | - | - | - | - | 16,0 | 0,9 | - |
| Мурано X | 67,0 | 6,7 | 3,0 | 4,3 | - | - | _ | ___ | - | 19.0 | - | - |
| Содоизвестковое | 71,0 | 0,85 | - | 7.7 | 3,8 | - | 0,5 | - | - | 15,5 | - | |
| Сиал | 75,0 | 6 | 7 | 1,7 | - | - | 4,3 | - | - | 6,5 | - | |
| Симакс | 79,0 | 3 | 11,9 | - | - | - | - | - | - | 5,5 | - | |
| Палекс | 70,84 | 4,48 | 6,31 | 4,17 | 2,02 | - | ____ | - | 2,62 | 8,37 | 0,99 | 0,36 |
| Лабораторное | 69,0 | 4,90 | 4,3 | 4,50 | - | - | 3,5 | - | 5,5 | 8,6 | - | - |
| Ветхайм ам Майн | 69,25 | 5,96 | 8,56 | 0,99 | 0,45 | - | 3,63 | - | ----- | 8.57 | 2,25 | 0,33 |
| 1447 Ш | 64.3-64,7 | 4-7 | 8,7-12,0 | 0,1-0,6 | - | - | - | - | 10-12 | 7-9,7 | - | - |
| G20 | 74,7-75,7 | 4,3-6,2 | 7,0-8,7 | 0,75-1 | - | - | 3,5-4,2 | - | - | 6,5-7,5 | - | 0,1-0,3 |
| 52 | 76,6 | 3 | 6 | - | - | - | 3 | 3 | - | 8 | - | - |
| Корнпнг | 80,0 | 2,71 | 11,31 | 0,76 | - | - | - | - | - | 4,74 | 0,35 | - |
| Совирель | 80,0 | 2,25 | 13,0 | - | - | - | - | - | - | 3,50 | 1,15 | 0,05 |
| Разотерм | 78,25 | 2,74 | 12,18 | 0,85 | - | - | - | - | - | 5,39 | 0,41 | - |
| Дюран 50 | 79,69 | 3,10 | 10,29 | 0,77 | 0,87 | - | - | - | - | 5,20 | - | - |
| Гнзиль | 80,6 | 2,70 | 12,20 | 0,12 | - | - | - | - | - | 4,15 | - | - |
| -Монакс | 74,66 | 3,89 | 13,44 | 0,75 | 0,49 | - | - | - | - | 5,89 | 0,79 | - |
Варят стекло в специальных печах при высоких температурах. Во время варки стекла происходят сложные химические и физические процессы, в результате которых шихта, претерпевая ряд изменений, превращается в осветленную и однородную стекломассу.
Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200- 1240°С. В заводских условиях стекло варят при 1400-1450°С; осветление стекломассы происходит при 1500 °С. Особые сорта стекла варят при еще более высокой температуре.
2. Физические свойства
Физические свойства стекла зависят от его химического состава, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определенной точки плавления. Оно переходит в жидкое состояние постепенно, становясь мягче при повышении температуры.
Часто применяют термин «температура размягчения» стекла. По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама по себе эта величина довольно неопределенна.
Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.
Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление их течению-перемещению одного слоя относительно другого - под действием внешних сил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость - понятие, обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10 е микропуаз или 1П= 1 дн-с/см = = I г/ = 10 2 сП = 10 6 мкП. В единицах измерения СИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.
Вячкость стекла в обычных условиях равна Ю 13 -10 ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делается более мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловой обработке.
Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 10 3 до 10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800-1100 °С и вязкости 10 4 -4 -10 3 П.
При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при которой вязкость стекла достигает 10 13 П, называется температурой стеклования.
Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость - температура» стекла делят на «длинные» и «короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла - свинцовые, № 23, молибденовые и др.; к «коротким» - стекла типа «пирекс». Самым «коротким» стеклом является кварцевое.
При быстром изменении температуры в стекле возникают неравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с температурой на 20-30 С ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.
Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а следовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться за счет сил, которые называют силами поверхностного натяжения. Чтобы увеличить поверхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный к единице поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают о. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ - в ньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ■ Ю- 3 Н/м. Поверхностное натяжение стекла равно 220- -380 дин/см и зависит от его химического состава. При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора - снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.
Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.
3. Механические свойства
Плотность. Плотность определяется отношением массы тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр, в СИ - в килограммах на кубический метр: 1 г/см 3 = 1-Ю 3 кг/м 3 . Плотность стекла з, при котором тела теряют способность быть упругими.
Потеря упругости у разных материалов проявляется по-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называются пластичными, вторые - хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.
Хрупкость. Хрупкость - состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность его поцарапана.
Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие материалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.