Стекла и ситаллы Неорганические стекла.

Достоинствами неорганических стекол являются: широкий диапазон свойств, достигаемый за счет изменения химического состава, невысокая плотность, широкая и доступная сырьевая база, высокие декоративные свойства, негорючесть, высокая коррозионная стойкость, высокая теплостойкость. Основным недостатком большинства стекол является хрупкость, т.е. слабая сопротивляемость динамическим нагрузкам.

Н

Рис.6.1. Расположение SiO₄–тетраэдров в кварце (1), неупорядоченном кварцевом стекле (2), натриевом силикатном стекле (3).

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами [SiO]^4-(см. рис.6.1). Структура кварцевого стекла характеризуется максимальной плотностью упаковки (2), уступая только плотности упаковки кристаллического кварца (1). При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного [Si_xA1O₄]^2-или боросиликатного [Si_xBO₄]^2-стекла. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са,Mg,Ba) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (3). ВведениеNa₂Oили других модификаторов разрывает прочные связиSi—О—Siи снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В

Рис.6.2. Зависимость свойств стекла от температуры:

 — вязкость: Е — удельный объем и теплосодержание, dE/dt — теплоемкость и температурный коэффициент линейного расширения; t_c — температура стеклования; t_р — температура размягчения

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих оксидов. Стекла выпускаются промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

Общие свойства стекла.При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. На рисунке 6.2 показана температура стеклования t_c(динамическая вязкость =10¹²Па·с), ниже которой стекло приобретает хрупкость. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования t_c = 425 — 600°С, температура размягченияt_pлежит в пределах 600—800°С( = 10⁸Па·с). В интервале температур между t_c,иt_pстекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температуре вышеt_p (1000—1100°С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Стекла, как и всех аморфные тела, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200до 6500кг/м³(для стекла с оксидами свинца или бария она может достигать 8000кг/м³).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500—2000МПа), низким пределом прочности при растяжении (30—90МПа) и изгибе (50—150МПа). Модуль упругости высокий (45—100МПа), коэффициент Пуассона = 0,184 — 0,26.Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапанья по минералогической шкале Мооса и равна 5—7единицам. Ударная вязкость стекла низкая (1,5—2,5кДж/м²), оно хрупкое. Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %,отражает примерно 8 %и поглощает около 1 %видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47—1,96,коэффициент рассеяния (дисперсии) находится в интервале 20—71.Стекло с большим содержанием РbО поглощает рентгеновское излучение.

Коэффициент линейного расширения (_l) стекла составляет от5,6·10^-7 K^-1(кварцевое) до 90·10^-7K^-1(строительное), коэффициент теплопроводности  0,7÷15Вт/(м·К). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800—1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов: оксидыSiO₂,ZrO₂,TiO₂, В₂O₅,Al₂O₃,CaO,MgO,ZnOобеспечивают высокую химическую стойкость, а оксидыLi₂O,Na₂O,K₂O,BaOи РЬО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла до температуры вышеt_c,и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3—6раз, ударная вязкость в 5—7раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнениеосновано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение. Повышение прочности и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2—3мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан —трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических стекол.Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты —с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и-излучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т. д. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.