Неорганические стекла

8.1.1. Состав и классификация

Неорганическое стекло представляет собой аморфный, изо­тропный, прозрачный, твердый и хрупкий термопластичный ма­териал, получаемый в результате переохлаждения расплава раз­личных стеклообразующих компонентов и оксидов металлов. Стеклообразующий каркас их имеет неправильную пространст­венную сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами. При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного, или боросиликатного  стекла. В структурной сетке стекла в промежутках между тетраэдрами могут располагаться ионы щелочных (натрия и калия) и щелочноземельных (кальция, магния, бария) металлов (рис.10.1).

В качестве стеклообразующих могут быть использованы также оксиды бора, фосфора, германия, мышьяка. Оксиды ще­лочных и щелочноземельных металлов — натрия, калия, каль­ция, магния, бария — применяются в качестве модификаторов с целью изменения физико-механических свойств и облегчения технологии производства стекол. Для придания стеклам специ­фических характеристик, кроме того, вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и других металлов.

По стеклообразующему веществу стекла классифицируются на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (А1₂0з—SiO₂), алюмоборосиликатные   (А1₂0₃—В₂О₂—SiO₂),  алюмофосфатные (А1₂0з—Р₂О₅) и др.

По содержанию модификаторов стекла подразделяют на щелочные, бесщелочные и кварцевые.

По назначению стекла подразделяются на техническое (оп­тическое, светотехническое, химико-лабораторное, медицинское, электротехническое, приборное, автотранспортное, растворимое и др.), строительное (оконное, витринное, стеклоблоки, армирован­ное); бытовое (стеклотара, бытовые зеркала и пр.). Технические стекла в основном алюмоборосиликатные.

 

8.1.2. Свойства стекол

Переработку стекломассы в изделия производят обычно при температуре Ю00...1100°С, а температура размягчения ее лежит в пределах 600...800°С. Ниже температуры 500...425°С стекла на­ходятся в стеклообразном состоянии. Плотность стекол зависит от их химического состава и колеблется от 2200 до 6500 кг/м³.

Стекла практически не имеют пластической деформации при нормальных температурах, обладают низкими временным сопротивлением (30...90 МПа) и пределом прочности при изгибе (50... 150 МПа), в то время как при сжатии предел прочности ра­вен 500...2000 МПа. Твердость стекла определяют методом цара­пания по шкале Мооса, и составляет она 5...7 ед. Стекла облада­ют низкой ударной вязкостью, порядка 1,5...2,5 кДж/м². Значительное снижение прочности стекол наблюдается в присут­ствии оксидов щелочных металлов. Применение термической об­работки позволяет изменять свойства стекол. Отжиг обеспечивает снятие внутренних напряжений в стеклянных изделиях. Закалкой достигается значительное повышение механической прочности и термической стойкости.

Термические свойства стекол характеризуют их как мате­риал, отличающийся от других твердых тел исключительно низ­кой теплопроводностью и способностью изменять коэффициент теплового расширения в очень широких пределах (в 10 и более раз). Зависят эти свойства от химического состава стекла и ре­жимов термообработки. Наиболее теплопроводны кварцевые и боросиликатные стекла, а свинец- и барийсодержащие имеют са­мую низкую теплопроводность. Повышают теплопроводность ок­сиды алюминия и железа.

Тепловое расширение стекол уменьшается с увеличением содержания оксидов кремния, бора, титана, цинка, берилия и резко возрастает при увеличении содержания оксидов бария, свинца, натрия, лития, калия.

Термический коэффициент линейного расширения стекол составляет от 5,8 до 150х10^-7°С^-1, а коэффициент теплопроводно­сти — от 0,68 до 1,55 Вт/(мК).

Термостойкость стекла характеризуется выдерживаемым перепадом температур. Для большинства видов стекол термостойкость колеблется в пределах 90...170°С, а для кварцевого — 800...1000°С.

Химические свойства стекол. Стекло отличается высокой химической стойкостью к действию воды и кислот (кроме плави­ковой и фтористой), в то время как в растворах щелочей проч­ность резко снижается и зависит от химического состава стекла. Химическую стойкость повышают оксиды кремния, циркония, титана, бора, алюминия, кальция, магния, цинка, а оксиды ли­тия, натрия, калия, бария, свинца, наоборот, снижают химиче­скую стойкость. Химическая коррозия усиливается с повышени­ем температуры (в 1,5...2 раза при увеличении температуры на 10°С), особенно при нагреве выше 100°С.

Электрические свойства стекол. Стекла являются диэлектриками с релаксационно-ионной поляризацией. При температуре (генее 200°С подвижность ионов незначительна, в связи с этим стекла являются хорошими диэлектриками и служат в качестве высоковольтных изоляторов ( = 10¹⁰...10²⁰ Омм). Влажность может повысить поверхностную электропроводность за счет гид­ролитического разложения. Электропроводность также увеличивается с ростом температуры, особенно у щелочных стекол. В 1,5...2 раза увеличивает электропроводность термическая закал­ка. Электрическая прочность стекла в постоянном электрическом толе составляет 100...600 кВ/мм и резко снижается с уве­личением температуры. В переменном электрическом поле сказы­вается влияние теплового пробоя вследствие диэлектрических потерь и электрическая прочность снижается до 16...50 кВ/мм.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и преломление света. Обычное оконное стекло про­пускает до 90%, отражает 8%, поглощает 1% видимого и час­тично инфракрасного света, ультрафиолетовые лучи поглощает почти полностью. Прозрачным для ультрафиолетового облучения является кварцевое стекло. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47...1,96. Стекло с большим содержанием оксида свинца поглощает рентгеновские лучи.

Упрочнение стекол может быть достигнуто путем закалки, термохимической обработки и создания триплексов. Закалка за­ключается в нагреве стекол до температуры выше температуры стеклования и резкого равномерного охлаждения в потоке возду­ха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3...6 раз, ударная вязкость в 5...7 раз. При за­калке возрастает также термостойкость стекол.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изме­нении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло под­вергается закалке в кремнийорганических жидкостях, в резуль­тате чего на его поверхности образуется полимерная пленка, что дополнительно упрочняет ее. Повышается прочность стекол за счет снижения дефектности поверхности при обработке плавико­вой кислотой, а также при создании слоистых материалов — триплексов и термопанов. Триплексы представляют собой два листа закаленных стекол толщиной 2...3 мм, склеенных прозрач­ной эластичной полимерной пленкой (чаще всего поливинилбутиральной). Стекла этого вида являются безосколочными.

Трехслойное стекло, состоящее из двух стекол с воздушной про­слойкой между ними, называется термопаном.

 

8.1.3. Применение технических стекол

Для остекления транспорта применяются триплекс, термопан и закаленные стекла. Оптические стекла, используемые в приборах, подразделяются на кроны (с малым коэффициентом преломления), флинты (с большим содержанием свинца и боль­шим коэффициентом преломления), светорассеивающие стекла, содержащие в своем составе фтор.

В литейных и мартеновских цехах используют стекла, по­глощающие до 70% инфракрасного излучения, содержащие окси­ды железа и ванадия.

В качестве термисторов и фотосопротивлений используют электропроводящие халькогенидные и оксидно-ванадиевые стек­ла.

Широко используются стекловолокнистые термоизоляцион­ные материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3 и др. Допустимый диапа­зон температур эксплуатации их составляет от -60 до +500°С, плотность — 20... 130 кг/м³.

Ситаллы представляют собой поликристаллические мате­риалы с очень мелкими (0,01... 1,0 мкм) равномерно распределен­ными по объему кристалликами, сросшимися друг с другом или соединенными тонкими прослойками остаточного стекла. Полу­чают ситаллы на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации. За рубежом они называются стеклокерамикой или пирокерамикой. От керамики эти стекла отличаются меньшей зернистостью и однородностью микрокри­сталлической структуры. Кроме стекол, для получения ситаллов используют катализаторы кристаллизации, обычно светочувстви­тельные металлы (золото, серебро, медь) в коллоидном состоянии.

По способу производства, исходному сырью и основным свойствам ситаллы подразделяются на три группы: технические шлакоситаллы и фотоситаллы.

Технические ситаллы изготавливают из стекол, получае­мых на основе чистых оксидов и катализаторов. По химическому составу и свойствам можно выделить 3 группы: литиевые, маг­ниевые и борные ситаллы.

Литиевые ситаллы. отличаются низким коэффициентом линейного расширения и термостойкостью до 950°С. Изготавли­вают из них температурные датчики, резонаторы, потенциометры, высокотемпературные сопротивления. Более высокой кислотостойкостью, износостойкостью, прочностью и твердостью обладают ситаллы АС-023.

Магниевые ситаллы характеризуются повышенными диэлектрическими и более высокими механическими свойствами. Наиболее термостойкие используют для изготовления различных деталей в радиотехнике. Кристаллическая фаза в них составляет до 80...90%.

Борные ситаллы обладают низкой диэлектрической прони­цаемостью и применяются в основном в вакуумной технике.

Шлакоситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, получаемые на основе доменных шлаков, кварцевого песка и катализаторов. Применяют их для футеровки емкостей, контактирующих с агрессивными средами.

  Фотоситаллы — стеклокристаллические материалы на ос­нове литиево-алюмосиликатных светочувствительных стекол, со­держащих в качестве добавок незначительные количества золота, серебра, меди, диоксида циркония. Используются они в элек­тронике, оптике и других областях.

Плотность ситаллов 2450...2950 кг/м³. Временное сопротивление 110...160 МПа, предел прочности при сжатии 700...2000 МПа, ударная вязкость КС11 = 45...105 кДж/м², твер­дость близка к твердости закаленных сталей. Ситаллы устойчивы к кислотам и щелочам, имеют нулевое водопоглощение, стойки к термоударам.

Применяются ситаллы для защиты металлических поверх­ностей от коррозии и воздействия высоких температур, для высо­коточных калибров, фильер, деталей вакуумной и радиоэлек­тронной промышленности и др.