Стекло классификация основные понятия и свойства. Классификация стекол по техническому назначению

Электровакуумные стекла . Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Он имеет очень важное значение при пайке и сварке различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло. Значения α l стекла и соединяемых с ним материалов должны быть приблизительно одинаковыми, так как иначе при изменении температуры может произойти растрескивание стекла, а также нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Кроме того, для высокочастотных приборов используют стекла с низкими диэлектрическими потерями. Электровакуумные стекла подразделяют и маркируют по численным значениям температурного коэффициента линейного расширения. Так как стекла – это материалы с маленьким значением температурного коэффициента линейного расширения, а у металлов наблюдается закономерная связь температуры плавления со значением температурного коэффициента линейного расширения, то в стекла удается впаивать только тугоплавкие металлы или металлические сплавы, у которых α l такой же, как у тугоплавких металлов.

Поэтому электровакуумные стекла подразделяют на:

По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (В2О3 + SiO2) или алюмосиликатных (Аl2О3 + SiO2) материалов с добавками щелочных окислов. Названия «платиновое», «молибденовое», «вольфрамовое» определяются не составом стекла, а только тем, что значения αl этих стекол близки к αl , платины, молибдена, вольфрама. Температурный коэффициент линейного расширения возрастает при увеличении содержания щелочных окислов. В обозначении марки электровакуумного стекла после буквы С указывают значение αl и серия разработки. Например, марка С89-5 характеризует стекло с αl = 89 · 10–7 К–1 серии 5.

Изоляторные стекла . Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металлические корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов и др.). Другим элементом изоляции, часто встречающимся в дискретных полупроводниковых приборах, является стеклянная буса, изолирующая металлические выводы прибора от фланца корпуса, на котором располагается полупроводниковый кристалл с p -n -переходами. Стеклянные бусы изготавливают из капилляров, нарезанных в виде трубок и колец определенных размеров. Обычно в качестве материала таких проходных изоляторов используют щелочное силикатное стекло.

Цветные стекла . Обычные силикатные стекла прозрачны для излучения в видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам соответствующую окраску: СаО – синюю, Сr2О3 – зеленую, МnО2 – фиолетовую и коричневую, UO3 – желтую и т.д., что используется при изготовлении цветных стекол, светофильтров, эмалей и глазурей.

Лазерные стекла . Стекло может быть использовано в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах. Генерирующими центрами являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектрической прозрачной матрице. Как правило, в стеклах отсутствуют ограничения в растворимости активирующих добавок. На практике наиболее часто применяют баритовый крон (ВаО – К2О – SiO2), активированный ионами неодима Nd3+.

Основные преимущества стекол, используемых в лазерах, перед монокристаллами заключаются в их высокой технологичности, оптической однородности, изотропности свойств. Из стекла сравнительно легко изготовить однородные стержни большого размера, что необходимо для достижения высокой выходной мощности лазерного излучения. Однако отсутствие дальнего порядка вызывает уширение линий люминесценции активированного стекла. Следствием этого является снижение степени монохроматичности выходного излучения и увеличение пороговой мощности оптической накачки. К тому же стекла, по сравнению с монокристаллами, обладают невысокой теплопроводностью, что создает дополнительные трудности для осуществления непрерывного режима генерации. Поэтому лазеры на стекле лучше подходят для генерации импульсов с высокой энергией излучения.

Стекловолокно . Из расплавленной стекломассы методом вытяжки через фильеру с последующей быстрой намоткой на вращающийся барабан можно получать тонкие волокна, обладающие хорошей гибкостью и повышенной механической прочностью. Большая гибкость и прочность стекловолокна объясняются ориентацией частиц поверхностного слоя стекла, имеющей место при вытягивании стекловолокна из расплавленной стекломассы и его быстром охлаждении. Весьма тонкие стеклянные волокна (диаметром 4–7 мкм) имеют настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться способами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани, ленты и шланги. Преимуществами стеклянной волокнистой изоляции перед изоляцией из органических волокон являются высокая нагрево-стойкость, значительная механическая прочность, относительно малая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Для производства стекловолокна используют щелочные алюмосиликатные, бесщелочные и малощелочные алюмоборосиликатные стекла.

Световоды . Тонкие стеклянные волокна используют для передачи света между источником и приемником излучения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью тончайших волокон получила название волоконной оптики, которая является важной составной частью оптоэлектроники.

Волоконные устройства имеют ряд преимуществ перед линзовыми. Они отличаются компактностью и надежностью. С их помощью можно осуществить поэлементную передачу изображения с достаточно высокой разрешающей способностью, причем передача изображения возможна по искривленному пути. Существенным моментом является скрытность передачи информации и высокая помехозащищенность оптического канала связи, в котором сами волокна играют роль световодов, т.е. служат направляющими системами – канализируют свет от источника к приемнику информации. Направляющее действие волокон достигается за счет эффекта многократного полного внутреннего отражения (рис. 6).

Рис. 6. Пояснение к принципу действия световода

Для передачи изображения используют волокна диаметром 5–15 мкм. Чтобы предотвратить просачивание света из одного волокна в другое, их снабжают светоизолируюшей оболочкой, которую изготавливают из стекла с меньшим показателем преломления, нежели у сердцевины. Тогда световой луч L, падая из среды, оптически более плотной (п 1– больший), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (n 2 – меньший), под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, пойдет вдоль волокна, как это показано на отрезке отдельного волокна (рис. 6). Изображение целого объекта, например буквы К на странице книги, может быть передано по пучку согнутых волокон, если передающий конец световода 1 поставить на освещаемый по световоду объект; на приемном конце световода 2 изображение будет мозаичным, как это показано в верхней части рис. 6. Световой кабель диаметром 5–6 мм содержит несколько сотен тысяч светоизолированных волокон. Для правильной передачи изображения требуется регулярная укладка волокон в жгуте, т.е. относительное расположение волокон на его входном и выходном торцах должно быть одинаковым.

С помощью волоконных жгутов легко осуществить преобразование оптического изображения, его кодирование и дешифровку. Световые кабели из волокон с коническим сечением могут усиливать освещенность объектов за счет концентрации светового потока, уменьшать или увеличивать изображение.

Специальные технологические приемы (осаждение пленок на подложку, ионное легирование, ионный обмен) позволяют изготовить плоские световоды, которые являются основой оптических интегральных схем.

Неорганические стекла подразделяются на несколько типов: элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные и смешанные.

Элементарные (одноатомные) стекла.

Элементарными называются стекла, состоящие из атомов одного элемента. В стеклоподобном состоянии можно получить серу, селен, мышьяк, фосфор. Имеются сведения о возможности остеклования теллура и кислорода. При охлаждении -11оС дает каучукоподобный прозрачный продукт, нерастворимый в сероуглероде.

Оксидные стекла.

При определеии класса учитывается природа стеклообразующего оксида, входящего в состав стекла оксид бора, оксид кремния, оксид фосфора. Многие оксиды переходят в состояние стекла лишь в условиях скоростного охлаждения оксид мышьяка, оксид сурьмы, оксид ванадия, либо сами по себе не стеклуются оксид алюминия, оксид вольфрама, однако в комбинациях стеклообразующие свойства резко усиливаются.

Силикатные стекла.

Главнейшее значение в практике принадлежит классу силикатных стекол. С ними не могут сравниться по распространенности в быту и в технике никакие другие классы стекол. Решающие преимущества силикатных стекол обусловлены их дешевизной, экономической доступностью, высокой химической устойчивостью в наиболее распространенных химических реагентах и газовых средах, высокой твердостью, сравнительной простотой промышленного производства.

Боратные стекла.

Стеклообразный борный ангидрит легко получается путем простого плавления борной кислоты при 1200-1300оС. Благодаря отличным электроизоляционным качествам и сравнительной легкоплавкости боратные стекла широко применяются в электротехнике. Некоторые боратные стекла представляют интерес для оптотехники.

Стекло органическое - это техническое название на основе органических полимеров: поликрилатов, полистирола, поликарбонатов, сополимеров винилхлорида в соединении с метилметакрилатом. дальнейшая обработка: Переработка литьё под давлением. прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях, строительстве и архитектуре, приборостроении, остекления парников, куполов, окон, в медицине -протезы, линзы в оптике, труб в пищевой промышленности и др.

Кварцевое стекло-- содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп, применяемых в медицине и др.

Стекло растворимое-- смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силика-геля, для укрепления слабых грунтов и др.

Стекло химико-лабораторное-- стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

Стекловолокно -- искусственное волокно широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов; материалы из стекловолокна применяются в строительстве и при коррозионно-стойких трубопроводов, при изготовлении электроизоляции и др.

Изделия из стекла классифицируют;

По способу формования (выработки);

Размерам;

Видам и сложности декорирования;

Комплектности;

Назначению.

По способу формования стеклоизделия подразделяются:

На прессованные;

Прессовыдувные;

Выдувные;

Тянутые;

Моллированные.

Прессованные изделия из стекла вырабатываются в форме за один прием из порции стекломассы ручным или механизированным способом под дав­лением пуансона, вводимого внутрь формы.

Прессовыдувные изделия вырабатываются из порции стекломассы, поме­щенной в черновую форму и раздуваемой впоследствии в чистой форме воздухом от компрессора.

Выдувные изделия в свою очередь подразделяются на изделия из стекла ручного выдувания и на изделия из стекла механизированного выдувания.

Изделия из стекла ручного выдувания вырабатываются вручную с помо­щью выдувной трубки в форме или свободным выдуванием.

Изделия из стекла механизированного выдувания вырабатываются из пор­ции стекломассы, поданной в чистую форму с последующим выдуванием ее при вращении.

Тянутые изделия получаются методом литья, сочленения, прокатки, цен­трифугирования и вытягивания.

Моллированные изделия из стекла вырабатываются при нагревании заго­товки из стекла до температуры размягчения и прогибания его под дей­ствием собственной массы и/или с помощью прессующего устройства до окончательной формы.

Изделие из стекла многостадийной выработки получают путем соедине­ния отдельных элементов из стекла, изготовленных в две или более стадии.

Изделие из накладного стекла вырабатывается путем сплавления двух или более слоев различных по цвету стекол. Коэффициенты термического рас­ширения этих стекломасс должны быть одинаковыми.

Комбинированное изделие из стекла вырабатывается путем комбинирования стекла с другими материалами.

Изделие из стекла центрифугированной выработки изготовляются за один прием из порции стекломассы под действием центробежной силы.

Изделие упрочненное вырабатывается из стекла повышенной механиче­ской прочности,достигнутой за счет термической и/или химической об­работки и/или специальным способом выработки из нескольких слоев сте­кол разного состава.

Классификация по форме . Форма изделия должна сочетаться с его функциональным назначени­ем, эстетическими и гигиеническими особенностями, а также согласовы­ваться с возможностями метода формования и свойствами стекла. Форма должна создавать удобства пользования изделием, а также быть устойчи­вой и обеспечивать длительный срок службы.

Стеклоизделия подразделяются на полые и плоские.

Полые - графины, кувшины, рюмки, фужеры, стаканы и вазы. Их фор­мы весьма разнообразны (цилиндрические, конические, овальные, шаро­видные и др.).

Плоские - тарелки, блюда, кабареты разнообразных конфигураций (овальные, прямоугольные, круглые, многогранные).

Посуда полая - изделия, имеющие внутреннюю глубину не более 25 мм, измеренную от нижней внутренней точки до горизонтальной плос­кости, проходящей через край (точку перелива).

По размерам стеклянные бытовые изделия подразделяются на мелкие, средние, крупные, особо крупные.

Мелкие - высота до 100 мм (гутенские изделия - до 160 мм), диаметр до 100 мм (гутенские изделия - до 160 мм), емкость до 100 мл; гутенские изделия производятся выдуванием без формы.

Средние - высота от 100 до 250 мм (гутенские изделия - от 160 до 23 мм), диаметр от 100 до 150 мм (гутенские изделия - от 160 до 230 мм" емкость от 100 до 500 мл.

Крупные - высота свыше 250 мм (гутенские - 230 мм) диаметр свыш 150 (гутенские - свыше 230 мм), емкость свыше 500 мл.

Особо крупные - высота свыше 350 мм, диаметр свыше 250 мм, емкосг более 1500 см 3 .

Классификация изделий по видам и сложности декорирования. Художественно-декоративную ценность изделий из стекла повышают различные методы украшения (разделки, наносимые на стеклянные изделия, разнообразны по природе, методу нанесения, сложности, цвету и другим признакам).

Различают разделки, наносимые на изделия в горячем (в процессе вы­работки) и в холодном состоянии (готовые изделия).

Вид украшения зависит от назначения изделия, его формы, способа выработки, химического состава и других особенностей.

Изделия, декорированные в горячем состоянии

Изделия из стекла свободного выдувания (гнутое изделие из стекла) от­формовываются и декорируются в вязко-пластичном состоянии с помощью инструментов, предназначенных для этой операции.

Изделия из стекла с наводкой делаются из бесцветного стекла с добавка­ми, которое при последующем охлаждении и повторном нагревании при­обретает цвет.

Изделия из стекла кракле декорируются быстрым охлаждением набора в воде или во влажных опилках для образования тонких поверхностных тре­щинок, оправляющихся при дальнейшем его нагревании и выработке. Из­делия с разделкой кракле имеют невысокую прочность и термическую стой­кость.

Изделия из стекла с оптическим эффектом сначала выдувают в форме, которая меньше готового изделия и имеет рисунок в виде граней, волн и др. Затем его помещают в форму несколько большего размера с гладкой внутренней поверхностью. Окончательно изделия выдувают, вращая в фор­ме, при этом грани и волны на поверхности оглаживаются и остаются только в толще стенок.

Изделия из стекла с рельефами производятся в рельефных формах при прессовании или выдувании.

Изделия из стекла с газовыми включениями декорируются воздушными лентами, нитями и пузырьками.

Изделия из стекла с инородными включениями получают вплавлением в стекломассу различных предметов, изготовленных из других материалов.

Изделия из стекла с орнаментом декорируются налепами, крошкой, стер­женьками, лентами, нитями с последующим подогреванием или набором стекла и дальнейшим его формованием (украшение филигранью или вить­ем, насыпью, стеклотканью).

Изделия из стекла, декорированные в холодном состоянии.

Ассортимент этих изделий более разнообразен в сравнении с изделия­ми, декорируемыми в горячем состоянии.

На готовые изделия разделки наносят механическим и химическим спо­собами, а также поверхностным декорированием.

К изделиям из стекла, декорированным в холодном состоянии механи­ческими способами, относятся:

Изделия их стекла с плоской гранью, декорированные шлифовальными или полировальными плоскостями с помощью абразивного круга или аб­разивного материала.

Изделия из стекла с алмазной гранью, декорированные нанесением гра­ней в различном направлении по профилю и глубине с помощью абразив­ного материала.

Для ускорения работы в процессе формования на стеклоизделия нано­сят контуры рисунка, которые затем дошлифовывают специальными кру­гами.

Изделия с матовой шлифовкой декорируются на шлифовальном круге без последующей полировки.

Изделия гравированные декорируются ультразвуком, лазером или грави­рующими инструментами.

Разделки, наносимые химическим способом или травлением, могут быть прозрачными или матовыми. Этот метод украшения стеклянных изделий заключается в разрушении поверхности стекла плавиковой кислотой или солями фтора. Изделия предварительно покрывают защитным слоем из черного воска и парафина. После этого изделия помещают в травильные ванны из смеси плавиковой соляной и серной кислот (кислота разрушает поверхность стекла без защитного слоя), при этом образуется матовый рисунок. Если в ванне смесь плавиковой и серной кислот, то рисунок полу­чается прозрачный.

Травление по сложности и глубине рисунка различают:

Простое;

Сложное;

Глубокое художественное.

Простое травление - несложный повторяющийся рисунок в виде лома­ных спиралей и зигзагообразных линий. Рисунок наносится на гальотирных машинах.

Сложное травление - для него характерна более сложная композиция, рисунок которого наносят на специальных машинах.

Глубокое художественное травление - украшение двух- и многослойных изделий. Наружный слой должен быть цветным, а внутренний - бесцвет­ным.

Изделия из стекла с поверхностным декорированием - изделия из стек­ла, декорированные росписью шелкотрафаретной печатью, распылени­ем, переводными картинками.

По комплектности стеклянную бытовую посуду подразделяют на штуч­ную и комплектную.

Штучные изделия выпускают массовыми экземплярами, различными по составу стекломассы, назначению, форме, размерам, украшениям.

Комплектные изделия, входящие в комплект, должны иметь единое сти­левое и композиционное направление.

Набор - комплект, состоящий из нескольких изделий одного назначения и одинакового вида (в количестве не более шести предметов).

Сервиз - комплект (набор), состоящий из двух и более изделий разных видов (например, ваза для крюшона с подносом и шестью кружками).

По назначению стеклянные изделия подразделяются на следующие группы:

Стеклянная посуда;

Декоративные изделия;

Прочие изделия.

К группе стеклянной посуды относятся изделия из стекла, используемые в быту и сфере общественного питания, для приготовления, подачи и при­нятия пищи, напитков и для сервировки стола.

В ассортимент посуды для подачи пищи и напитков включаются:

Блюда, вазы для крема;

Блюда для гарнира;

Вазы для фруктов; . "

Блюда для пирогов;

Графины для воды и пива;

Масленки;

Селедочницы;

Сахарницы;

Тарелки;

Салатники;

Вазы для варенья, конфет, печенья;

Чайники.

Блюда, тарелки, блюда для торта - по форме самые разнообразные: оваль­ные, круглые с вырезным краем и гладким или с разделкой по краю «шли­фовка бусами» различных размеров.

Блюда для гарнира (кабареты) по форме бывают овальные, круглые, прямоугольные, неправильной формы с ручками и без ручек, с секциями - трех-, семиместные.

Салатники по форме - круглые, квадратные, фигурные; в форме бота, ладьи; край салатников бывает гладкий, волнистый, вырезной, с раздел­кой по краю «шлифовка бусами» различных размеров; салатники изготов­ляют без ножек или на одной-четырех ножках.

Масленка - изделие с крышкой, на крышке - держатель.

Селедочница - изделие продолговатой, овальной формы, без ножек.

Ваза для крема (креманка) - полое изделие круглой, овальной или ци­линдрической формы с ручкой и со сливом.

Графин для вина или воды - полое изделие каплевидных, фигурных форм, в форме штофа (прямоугольной) с пробкой.

Ваза для фруктов - изделие на ножках или без них, различных форм: шаровидной, круглой, в форме корзинок с ручками и без них, в форме ладьи, с вырезным краем.

Сливочники - изделия с ручками и со сливом, по форме бывают оваль­ные, цилиндрические, на поддоне и без него.

Вазы для варенья, конфет, печенья выпускаются в форме корзинок с ручка­ми, в форме ладьи, круглые, шаровидные, конусные, фигурные на нож­ках и бей них, с вырезным или гладким краем или с разделкой «шлифовка бусами». -

Сахарницы - изделия по форме квадратные, круглые, шаровидные, ци­линдрические, овальные без ножек или на фигурных одной-трех ножках.

В ассортимент посуды для принятия пищи и напитков включаются:

бокальчики, бокалы, фужеры, стаканы для вина и пива, для шампан­ского, для минеральных и фруктовых вод, салатники однопорционные. В ассортимент посуды чайной - блюдца, чашки, блюдца для варенья, стака­ны для чая, чашки для чая или кофе.

Изделия для принятия напитков выпускаются на ножках (рюмки,бокалы, фужеры) и без ножек (стаканы).

Форма изделий самая различная: фасонные, конусные, овальные, кап­левидные, шаровидные, в форме: полушария, тюльпана, креманки, ци­линдрические с развернутым краем, сужающиеся книзу, с перехватом посредине.

Ножки изделий в свою очередь также разнообразны:

Высокие и низкие;

Фигурные, гладкие;

Шлифованные и нешлифованные.

По емкости изделия подразделяют:

На бокальчики емкостью 25 г;

Бокалы емкостью 110-200 г;

Фужеры емкостью 200-250 г;

Рюмки емкостью 30-150 г.

К изделиям без ножек для принятия напитков относятся стаканы и кружки для пива.

Стаканы в зависимости от емкости подразделяются:

Для вина 25-100 г;

Пива 200-300 г;

Минеральных и фруктовых вод 250-300 г;

Шампанского 100-150 г.

Стаканы по форме бывают: цилиндрические, конусные, овальные, с развернутым краем, с заливным утолщенным дном.

Кружки - полое изделие с ручкой цилиндрической, шаровидной формы.

В ассортимент посуды для сервировки стола входят:

Подносы;

Лотки разнообразных форм;

Пепельницы с различным количеством выемок для папирос;

Подставки для салфеток;

Кольца для салфеток.

Стеклянные декоративные изделия:

Предметы прикладного искусства (вазы для цветов);

Скульптура;

Сувениры.

Изготавливают их как единичными экземплярами, так и массовыми.

Художественно-декоративные изделия отличаются сложной формой, раз­мерами и разнообразными украшениями (на них наносят наиболее цен­ные и дорогостоящие разделки).

Особое место среди художественно-декоративных изделий занимают изде­лия из хрусталя благодаря специфическим свойствам, присущим хрусталю.

При простукивании изделия из хрусталя издают продолжительный ме­лодичный звон. Звуковой эффект усиливается при увеличении содержания окиси свинца и уменьшении толщины стенок: изделия раскрывающейся формы отличаются большим звуковым эффектом.

Особенностью хрустальных изделий является также световой эффект, зависящий от количества свинца и угла гранения. При угле гранения 90 градусов отражение падающего на грань света наибольшее. Коэффициент отражения прямо пропорционален содержанию в стекле окислов свинца.

Хрустальные изделия изготовляют массивными и толстостенными, по­этому на них можно наносить глубокие алмазные грани и увеличивать тем самым отражение света.

К прочим изделиям относятся:

Наборы для туалетного столика;

Подставки для колец (ювелирные изделия);

Сигаретницы;

Стекло, разлетаясь на мелкие кусочки, ассоциируется для нас с разбившимся кристаллом. Величайшее заблуждение, даже более того: всё, что может кристаллизоваться, стеклом быть не может. При его производстве нужный состав расплавляют, а потом дают очень быстро остыть, минуя точку кристаллизации. То есть получают затвердевшее аморфное (вязкое) вещество, твёрдую жидкость. Значит, стекло надо рассматривать, как переохлаждённую жидкость с высочайшей вязкостью. К примеру, даже из металла можно получить стекло, охлаждая его со скоростью 100000 - 1000000 К/с, правда, оно не прозрачно, но здесь дело том, что силикатное стекло весь свет пропускает, а железное ― весь отражает.

Состав стекла

Стекло делают также из органических веществ (т.н. оргстекло), но промышленное стекло, используемое в строительстве, производят, в основном, из кварцевого песка SiO 2 . К нему добавляется мел СаСО3 или известь СаО, а также сода Na2CO3. Взятые в нужных пропорциях, они перемешиваются и отправляются в печь При температурах в диапазоне 1100-1600 °С полученная масса плавится, из неё улетучивается СО 2 . Далее ей дают медленно остыть. Но стекло мягчеет и плавится при 500-600°С, значит, при этой же температуре при остывании оно может начать кристаллизоваться, и тогда это будет уже не стекло. Поэтому, начиная с температуры чуть выше указанной, производят быстрое остывание стекломассы. Она твердеет, но остаётся аморфной. Это уже стекло, имеющее состав Na 2 O СаО 6SiO 2 .

Классификация строительного стекла

Классификаций, учитывающих определённые параметры стекла множество, поэтому лучше перечислить не отдельные виды стекла, а способы классификации. Итак, строительные стёкла классифицируются по:

• - форме готового стекла. Оно может быть плоским, профильным, листовым, может представлять собой стеклоблоки или стекловолокно;
• - способу производства. Существует тянутое, прокатное и прессованное, пеностекло и стекловата имеют непохожую на остальные технологию производства;
• - целям применения. Всем известно оконное, а ведь есть ещё и полированное, закалённое, в виде плиток и т.д.;
• - свойствам. Оно может быть светотехническим, армированным, цветным, пуленепробиваемым, шумоизоляционным, теплоизоляционным.

Свойства стекла

Естественно, свойства стекла будут зависеть от его состава. Например, химическая стойкость зависит от наличия в стекле щелочных окислов. Стоит заменить одновалентные натриевые окислы окислами с большей валентностью, как она повышается.

Ранее ценились только оптические свойства, о других мало задумывались, считалось, что стекло только и предназначено для того, чтобы пропускать свет. Конечно, после бычьего пузыря в оконце это был верх прогресса. Из оптических свойств, кроме прозрачности, ещё можно назвать отражение, светопреломление, рассеивание. Все эти характеристики можно менять, изменяя химический состав или цвет стекла. К примеру, силикатное стекло не пропускает ультрафиолет, а кварцевое ― свободно.

Из других свойств стекла стоит отметить хрупкость, борьба с которой и породила создание противоударных и пуленепробиваемых стёкол. Теплопроводность стекла довольно высока. Что касается электропроводности, то само стекло плохо проводит электрический ток, хорошо проводит поверхностная плёнка, впитывающая влагу.

Стекло прекрасно противостоит воде, щелочам и кислотам, правда, не любит фосфорную и плавиковую кислоты. Оно режется, шлифуется, обтачивается и полируется специальными инструментами с содержанием алмаза. Дело в том, что по шкале Мооса твёрдость стекла 5-7, у алмаза ― все 10. При температурах около 1000°С стекло можно формовать, вытягивать в трубки и листы, делать волокна, сваривать, выдувать.

Еще о стеклах и изделиях из стекла:

-

-

-

) обратимы. Температурный интервал T f - Т g , в пределах к-рого происходят эти процессы, наз. интервалом стеклования (T f -т-ра перехода из жидкого состояния в пластичное, Т g -т-ра перехода из пластичного состояния в твердое). Интервал стеклования (обычно 100-200 °С) зависит от хим. состава и скорости охлаждения стекла неорганического и представляет собой переходную область, в пределах к-рой происходит резкое изменение его св-в. В стекле неорганическом существуют образования (рои, кластеры или атомные комплексы) с размерами от 0,5 до 2 нм и разл. включения технол. или ликвационного происхождения от 5,0 до 100,0 нм.

Физико-химические свойства и применение. Оптические св-ва. Стекла неорганические отличаются прозрачностью в разл. областях спектра. Оксидные стекла неорганические характеризуются высокой прозрачностью в видимой области спектра: коэф. прозрачности т(т = I/I 0 , где I 0 - интенсивность падающего на пов-сть стекла света, I-интенсивность света, прошедшего сквозь стекло) для оконного стекла неорганического 0,83-0,90, для оптического-0,95-0,99.

В связи с этим стекло неорганическое незаменимо при остеклении зданий и разл. видов транспорта, изготовлении зеркал и оптич. приборов, включая лазерные, лаб. посуды, ламп разл. ассортимента и назначения, осветит. аппаратуры, телевизионной техники, волоконно-оптич. линий связи, хим. аппаратуры.

В зависимости от состава и условий получения стекло неорганическое способно по-разному преломлять, рассеивать и поглощать свет в видимой, УФ, ИК и рентгеновской областях спектра (см. Оптические материалы), Нек-рым стеклам неорганическим свойственна также фоточувствительность, т. е. способность изменять коэф. поглощения под действием УФ или рентгеновского облучения, a -лучей, нейтронов , что используют в произ-ве т. наз. фотохромных стекол неорганических, а также при изготовлении аппаратуры и приборов для радиац. техники. Наиб. высоким светопропусканием в ИК области обладают алюмофосфатные и халькогенидные стекла неорганические, повышенным-стекла неорганические на основе SiO 2 ; УФ лучи интенсивно поглощают стекла неорганические, содержащие оксиды Pb, Fe, Ti, рентгеновские и a -лучи-стекла неорганические с высоким содержанием оксидов Рb или Ва.

Галогенидные стекла неорганические на основе BeF 2 отличаются уникальным комплексом оптич. постоянных, высокой устойчивостью к действию жестких излучений и агрессивных сред, таких, как F 2 , HF. Стекла неорганическое на основе фторидов Zr и Ва прозрачны в видимой и ИК областях спектра. Халькогенидные стекла неорганические обладают также электронной проводимостью; применяются в телевизионных высокочувствит. камерах, ЭВМ (в качестве переключателей или элементов запоминающих устройств).

Плотность промышленных стекол неорганических колеблется от 2,2 до 8,0 г/см 3 . Низкие значения плотности характерны для бо-ратных и боросиликатных стекол неорганических; среди силикатных стекол неорганических наим. плотностью обладает кварцевое. Введение в состав стекол неорганических щелочных и щел.-зем. оксидов приводит к увеличению его плотности: плотность возрастает при эквимолекулярной замене одного оксида другим в рядах Li 2 O < Na 2 O < К 2 О и MgO < CaO < SrO < ВаО < РbО. Плотность последних стекол неорганических достигает 8,0 г/см 3 .

Мех. св-ва. Стекло неорганическое-хрупкий материал, не обладает пластич. деформацией , весьма чувствителен к мех. воздействиям, особенно ударным. Значение модуля упругости различных стекол неорганических колеблется в пределах 44,2-87,2 ГПа. Наибольшее его значение характерно для малощелочных алюмосиликатных стекол неорганических с высоким содержанием оксидов Be, Mg и Ca, наименьшее-для боро- и свинцовосиликатных стекол неорганических с высоким содержанием оксидов В и Рb; модуль упругости кварцевого стекла неорганического 73,2 ГПа. Ударная вязкость силикатных стекол неорганических 1,5-2,0 кН/м, в то же время сопротивление сжатию такое же, как у чугуна,-0,5-2,5 ГПа.

Электрич. св-ва стекол неорганических зависят от состава и т-ры среды-стекла неорганические могут быть диэлектриками , полупроводниками или проводниками. Большая группа оксидных стекол неорганических (силикатные, боратные, фосфатные) относится к классу изоляторов; почти идеальный изолятор - кварцевое стекло неорганическое. Поскольку носители тока в оксидных стеклах неорганических -катионы щелочных и щел.-зем. металлов , электропроводность, как правило, возрастает с увеличением их содержания в стеклах неорганических и повышением т-ры. Стеклянные изоляторы используют для высоковольтных линий электропередач. Пригодность электротехнических стекол неорганических для работы в тех или иных температурных условиях зависит от их состава и оценивается по т-ре (ТК 100), при к-рой стекло неорганическое имеет уд. электрич. проводимость 1,00·10 -6 См·м -1 . Для кварцевого стекла ТК 100 600°С, для других, используемых в электротехн. пром-сти,-230-520°С.

Диэлектрич. проницаемость e обычных промышленных стеклах неорганических невелика, причем самое низкое значение у кварцевого стекла неорганического и стеклообразного В 2 О 3 (3,8-4,0). С увеличением содержания в стеклах неорганических ионов щелочных и тяжелых металлов (Ва, Рb), обладающих высокой поляризуемостью , e повышается в силу влияния ионной поляризации . Возрастает она также с повышением т-ры выше 200 °С и при действии частот до 50 Гц. Диэлектрич. потери наиб. низки для силикатных стекол неорганических, для кварцевого стекла неорганического при 20°С и частоте 10 -10 Гц tgd 0,0001. Для закаленных стекол неорганических tgd в 1,5-2,0 раза выше, чем для отожженных. Электрич. прочность стекол неорганических (пробивное напряжение) в однородном электрич. поле достигает высоких значений (10 4 -10 5 кВ·м -1).

Термич. св-ва. Для обычных силикатных стекол термостойкость 60-100°С, для пирекса-280°С, для кварцевого стекла-ок. 1000°С. Для силикатных стекол неорганических коэф. теплопроводности 0,6-1,34 Вт/(м·°С), уд. теплоемкость при комнатной т-ре 0,3-1,05 кДж/(кг · К), коэф. линейного термич. расширения 5·10 -7 -120·10 -7 К -1 (последнее значение-для свинецсодержащих стекол неорганических).

Хим. стойкость стекол неорганических характеризуется высокой стойкостью к действию влажной атмосферы , воды , к-т (HF, Н 3 РО 4). Различают 4 гидролитич. класса хим. стойкости, оцениваемой по кол-ву щелочей и др. р-римых компонентов, перешедших в р-р при кипячении стекол неорганических в воде или р-рах к-т. Наиб. хим. стойкостью обладают кварцевое, боросиликатное (не более 17% В 2 О 3) и алюмосиликатное стекла неорганические. Хим. стойкость стекол неорганических существенно возрастает также и при введении в состав оксидов Ti, Zr, Nb, Та, Sn. Стойкость стекол неорганических к реагентам с рН < 7 повышают путем спец. обработки или защиты пов-сти пленками кремнийорг. соединений, фторидами Mg, оксидами А1 и Zn. По убыванию интенсивности разрушающего действия на стекла неорганические хим: реагенты располагаются в след. ряд: HF > Н 3 РО 4 > р-ры щелочей > р-ры щелочных карбонатов > НСl = H 2 SO 4 > вода . Макс. потеря массы стекол неорганических на 100 см 2 пов-сти в р-рах к-т (кроме HF, Н 3 РО 4) составляет ок. 1,5 мг, в то время как в щелочных средах возрастает до 150 мг.

Получение стекла. Традиц. технология пром. способа получения стекол неорганических состоит в подготовке сырьевых материалов (дробление , сушка , просеивание), приготовлении шихты (дозирование сырьевых компонентов и их смешивание), варке, формовании изделий, отжиге , обработке (термич., хим., мех.).

В зависимости от назначения стекла неорганического сырье для его изготовления содержит разл. оксиды и минералы . Кремнезем , являющийся главной составной частью стекол неорганических, вводят в шихту в виде кварцевого песка или- молотого кварца (вредные примеси-соед. Сr и Fe, придающие стеклам неорганическим желтовато-зеленый и зеленый цвет). Для варки высококачеств. бесцветных стекол неорганических песок очищают физ. и хим. способами; размер зерен песка 0,2-0,5 мм. В 2 О 3 в шихту вводят в виде буры или Н 3 ВО 3 , Р 2 О 5 -в виде фосфатов или Н 3 РО 4 , Аl 2 О 3 -в виде глинозема , каолина , глины , полевого шпата или Аl(ОН) 3 , Na 2 O-B виде Na 2 CO 3 , К 2 О-в виде К 2 СО 3 или KNO 3 , СаО-в виде мела или известняка , ВаО-в виде ВаСО 3 , Ba(NO 3) 2 или BaSO 4 , MgO-в виде доломита или магнезита , Li 2 O-B виде Li 2 СО 3 и прир. минералов лепидолита или сподумена, РbО-в виде сурика , глета или силиката Рb.

Вспомогат. материалы шихты - осветлители, обесцвечива-тели, красители , глушители, восстановители и др. В качестве осветлителей применяют небольшие кол-ва (NH 4),SO 4 , Na 2 SO 4 , NaCl, As 2 O 3 и As 2 O 5 в сочетании с (NH 4) 2 NO 3 , плавиковый шпат . Нек-рые из них одновременно являются и обесцвечивателями - окисляют в стеклах неорганических соед. Fe. Иногда для обесцвечивания в шихту вводят небольшие кол-ва в-в, окрашивающих стекломассу в дополнительный к зеленому

цвет (Se, соед. Со, Мh и др.). Окрашивают стекла неорганические, добавляя в шихту красящие в-ва. Желтую окраску стеклам неорганическим придают СrО 3 , NiO, Fe 2 O 3 , зеленую-Сr 2 О 3 и СиО, синюю-СuО и СоО, фиолетовую - NiO и Мn 2 О 3 , розовую-СоО, МnО и Se, коричневую - Fe 2 O 3 , FeS, красно-рубиновую - коллоидные Си и Аи.

Процесс стекловарения -процесс получения однородного расплава - условно разделяют на неск. стадий: образование силикатов , стеклообразование, осветление , гомогенизация, охлаждение.

Варку стекол неорганических проводят в печах непрерывного действия разл. типа-электрич., газопламенных, газопламенных с дополнит. электроподогревом. На первой стадии вследствие плавления эвтектич. смесей и солей происходит образование силикатов и др. промежут. соединений, появляется жидкая фаза. Силикаты и непрореагировавшие компоненты вместе с жидкой фазой представляют собой на этой стадии плотную спекшуюся массу. Для большинства силикатных стекол неорганических первый этап завершается при 1100-1200 °С. На стадии стеклообразования при 1200-1250 °С растворяются остатки шихты, происходит взаимное растворение силикатов , удаляется пена и образуется относительно однородная стекломасса, насыщенная, однако, газовыми включениями, поскольку обычно шихта силикатных стекол неорганических содержит ок. 18% химически связанных газов (СО 2 , SO 2 , O 2 и др.). На стадии осветления (1500-1600 °С, длительность-до неск. суток) происходит удаление из расплава газовых пузырей. Для ускорения процесса используют добавки , снижающие поверхностное натяжение массы. Одновременно с осветлением идет гомогенизация -усреднение расплава по составу. Наиб. интенсивно гомогенизация Осуществляется при мех. перемешивании стекломассы мешалками из огнеупорных материалов . На стадии охлаждения проводят подготовку стекломассы к формованию, для чего равномерно снижают т-ру на 400-500°С и достигают необходимой вязкости стекла неорганического. Формование изделий из стекломассы осуществляют разл. методами - прокатом, прессованием, прессвыдуванием, выдуванием, вытягиванием и др. на спец. стеклоформующих машинах.

Прессование применяют в произ-ве стеклянной тары, архитектурных деталей, посуды; выдувание-в произ-ве узкогорлой тары, сортовой (столовой) посуды, электровакуумных изделий; прессвыдувание-в машинном произ-ве ши-рокогорлой посуды; вытягивание-при изготовлении оконного и техн. листового стекол неорганических, трубок, труб, стержней, стеклянных волокон ; прокатка-при произ-ве листового стекла неорганического разл. видов, преим. строительного толщиной 3 мм и более. Др. методы: отливка в формы при изготовлении крупногабаритных предметов, моллирование - получение изделий в форме при нагр. твердых кусочков стекол неорганических.

При произ-ве пеностекла в шихту (или тонкоизмельченный стеклянный бой) добавляют парообразователи, выделяющие при варке стекла газ и вспучивающие стеклянную массу. Вспенивают стекло при 700-800 °С (для обычной шихты) или 950-1150 °С (для шихты из глин , горных пород , нерудных ископаемых).

Помимо традиц. метода получения применяют новые-в частности золь-гель процесс с образованием стекла.поликонденсация

Описанным выше методом получают заготовки, трубы и волокна для оптич. световодов и др. элементов волоконной оптики.

Металлич., халькогенидные и галогенидные стекла неорганические получают быстрым охлаждением расплавов (см. Стеклообразное состояние). При этом часто используют сверхвысокие скорости охлаждения (10 5 -10 8 К/с).

Историческая справка. Стеклоделие впервые возникло в Египте и Месопотамии в 4-м тыс. до н. э. В 1 в. н. э. наиб. крупный центр стеклоделия-Рим, с 9 до 17вв. н. э.-Венеция. В развитии стеклотехники условно выделяют 4 периода: в 4-2-м тыс. до н. э. из стекол неорганических делали украшения и предметы религиозного культа, во 2-1-м тыс. до н. э.-небольшие сосуды ; 1-е тыс. до н. э. началось с изобретения стеклодувной трубки, что позволило стеклоделию достичь большой высоты, а стекла неорганические превратить в материал широкого потребления; нач. 19-кон. 20 вв. характеризуется распространением машинной техники, созданием многочисл. составов стекол неорганических и проникновением его во все области быта, науки и техники. В России стеклоделие развивалось с 10-11 вв. Основоположник научного стеклоделия в России-М. В. Ломоносов, организовавший первую научную лабораторию по переработке стекла. Первый стекольный завод в России построен в 1635.

Лит.: Роусон Г., Неорганические стеклообразующие системы, пер. с англ., М., 1970; Аппен А. А., Химия стекла, 2 изд., Л., 1974; Лазерные фосфатные стекла, М.,-1980; Борисова 3. У., Халькогенидные полупроводниковые стекла, Л., 1983; Химическая технология стекла и ситаллов , М., 1983; Фельц А., Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела , пер. с нем., М., 1986; Неорганические стекла и изделия на их основе для волоконно-оптических систем связи и датчиков, в сб.: Итоги науки и техники, сер . Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов, т. 2, М., 1989; Physilische Chemie der Glasoherflache, Lpz., 1981; Shufflebotham P.K., "J. of non-crystalline solids", 1987, v. 92, № 2-3, p. 183-244; Rawson Н„ "IEE Proc.", 1988, pt A, v. 135, № 6, p. 325-45. П.Д. Саркисов, Л. А. Орлова.