Стекла - Неметаллические материалы

Неорганическое стекло - это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. Оно не имеет определенной точки плавления или затвердевания и при охлаждении переходит из расплавленного, жидкого состояния в высоковязкое состояние, а затем в твердое, сохраняя при этом неупорядоченность и неоднородность внутреннего строения.

В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифицирующим оксидам относятся оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Мg, Ва) металлов. Модифицирующие оксиды вводят в процессе варки стекол. Глинозем А1203 повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекол. При добавке В203 повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца РbО, вводимый главным образом при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка ZnO понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа, которые могут замещать часть стеклообразующих оксидов.

Технологические добавки, вводимые в состав стекол, делят по их назначению на следующие группы:

Осветлители - вещества, способствующие удалению из стекломассы газовых пузырей (сульфат натрия, плавиковый шпат);

Обесцвечиватели - вещества, обесцвечивающие стекольную массу;

Глушители - вещества, делающие стекло непрозрачным.

Стеклообразующие оксиды (например, SiO2, А1203, В2О3, Р203) образуют пространственную сетку из однородных звеньев-полиэдров, а модифицирующие оксиды, располагаясь внутри ячеек сетки, ослабляют или разрывают связи в стеклообразующих оксидах и снижают прочисть, термо - и химическую стойкость стекла, но позволяют регулировать температуру его размягчения и другие свойства.

Химический состав стекла можно изменять в широких пределах, поэтому и свойства стекла могут быть различными. По химическому составу в зависимости от природы стеклообразующих оксидов различают силикатное, алюмосиликатное, боросиликатное, алюмоборосиликатное и другие виды стекла.

В зависимости от содержания модификаторов стекло может быть щелочным и бесщелочным.

По назначению различают строительное (оконное, стеклоблоки), бытовое (стеклотара, посуда) и техническое (оптическое, электротехническое, химическое и др.) стекло.

Основные свойства стекла

Свойства неорганических стекол изотропны. К основным свойствам носятся:

Плотность - 2200 - 6500 кг/м3 (для стекол с оксидами свинца - до 8000 кг/м3);

Температуры для промышленных стекол:

    - стеклования - 425-600 °С; - размягчения - 600-800 °С;

Коэффициент теплопроводности - 0,7-15 Вт/(м-К);

Температурный коэффициент линейного расширения: для кварцевых стекол - 5,6-107°С-1; для строительных стекол - 9,0-108°С-1;

* уСж=500-2000 МПа; уРаст=30-90МПа; уИзг.= 50-150 МПа.

Более высокие прочностные характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые:

Модуль сдвига (2-3)-104 МПа;

Модуль Юнга (7-7,5)-104 МПа;

Коэффициент Пуассона 0,184-0,26;

Твердость 5-7 ед. по Моосу;

Ударная вязкость - 1,5-2,5 кДж/м2;

Удельное электросопротивление - 1012-1018 Ом-см;

Диэлектрическая проницаемость - 3,5-16;

Полупроводниковые свойства;

Химическая стойкость;

Высокие оптические свойства.

По оптическим свойствам различают прозрачное, окрашенное, бесцветное и рассеивающее свет стекла.

К потребительским свойствам неорганических стекол относятся прозрачность, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, водо - и воздухонепроницаемость, термостойкость. Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях резких изменений температуры и определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде (t=0 °С). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170 °С, а для кварцевого стекла она составляет 800-1000 °С.

Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать.

Способы воздействия на неорганические стекла определяются необходимостью нейтрализовать дефектный поверхностный слой. Их можно разделить на четыре группы: механическая обработка (полирование), химическая обработка (травление), термическая обработка (закалка), химико-термическая обработка. Так, закалка, при которой можно получить анизотропию свойств, и химико-термическая обработка стекла в несколько раз повышают показатели прочности и ударную вязкость, а также увеличивают термостойкость. Травление закаленного неорганического стекла плавиковой кислотой способствует удалению поверхностных дефектов и также повышает прочность и термостойкость.

Неорганические стекла классифицируются по виду стеклообразующего вещества, виду модификаторов, технологии изготовления и назначению.

По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (А1203-SiO2), боросиликатные (В203-SiO2), алюмоборосиликатные (А1203-В205-SiO2), алюмофосфатные (А1203-Р205), халъкогенидные (например, Аs31Gе30Sе21Те180), галогенидные и другие стекла.

По виду модификаторов различают щелочные, бесщелочные и кварцевые неорганические стекла. Прочность щелочных стекол под действием влаги уменьшается вдвое, так как вода выщелачивает стекло. При этом, образуются щелочные растворы, которые расклинивают стекло, вызывая появление микротрещин в поверхностном слое.

По технологии изготовления неорганическое стекло может быть получено выдуванием, литьем, штамповкой, вытягиванием в листы, трубки, волокна и др. Стекло выпускается промышленностью в виде готовых изделий, заготовок и отдельных деталей.

По назначению неорганические стекла делятся на техническое, строительное и бытовое (стеклотара, посудное, бытовое и др.).

Похожие статьи




Стекла - Неметаллические материалы

Предыдущая | Следующая