Строение и состав неорганических стекол

Стекло

Структура стекла является промежуточной между структурами твердого кристаллического вещества и жидкости. В отличие от кристаллических веществ стекла находятся в некристаллическом – аморфном (стеклообразном) состоянии. От жидкости с ее неупорядоченным расположением атомов стекла отличает наличие ближнего порядка атомного расположения, но дальний порядок (периодичность) в стеклах отсутствует. При температуре стеклования жидкость переходит в стеклообразное состояние, приобретая хрупкость.

Стеклообразное состояние является неравновесным. Оно возникает только при быстром охлаждении в интервале температур кристаллизации, вследствие чего процесс кристаллизации подавляется. При длительной выдержке, достаточной для достижения равновесного состояния, вещество будет иметь кристаллическое строение. Стекла в силу неравновесности структуры имеют склонность к расстекловыванию, т. е. к изменению аморфной структуры на кристаллическую.

Вещества, образующие стекло (стеклообразующие) – это оксиды кремния, бора и фосфора. Они обладают очень высокой вязкостью в жидком состоянии, препятствующей образованию кристаллической решетки.

Производство (варка) стекла осуществляется в стекловаренных печах при температуре 1300…2100^оС, летучие вещества (Н₂О, СО₂, SO₃) при этом удаляются, а стеклообразующие при охлаждении застывают в стекломассу.

Основным компонентом силикатных неорганических стекол (их доля в производстве стекла преобладающая) является оксид кремния. В состав неорганического стекла помимо основного стеклообразующего оксида могут входить и оксиды других элементов. Оксиды щелочных (Na₂O, K₂O) и щелочноземельных (MgO, СаО) металлов являются модификаторами. Так, при добавлении к кремнезему 15% Na₂O и 10% СаО снижается температура размягчения (выше этой температуры стекло заметно течет под действием собственного веса) с 1600 до 700 °С.

К промежуточным компонентам относятся оксиды, которые самостоятельно, в чистом виде, не могут образовывать каркас стекла, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды, меняя структуру стекла и придавая ему нужные свойства. К ним относятся оксиды алюминия, железа, свинца, бериллия и др.

Стекла классифицируют по материалу стеклообразующего вещества и содержанию модификаторов. По материалу стеклообразующего стекла подразделяют на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (А1₂О₃-SiO₂), алюмоборосиликатные (А1₂О₃-В₂О₃-SiO₂) и др.

По содержанию модификаторов стекла делятся на щелочные (до 15% Na₂O, K₂O, СаО), бесщелочные (с содержанием щелочных модификаторов менее 5%) и кварцевые (модификатор отсутствует, 99,5% SiO₂).

Технологичность стекла в переработке определяется температурами размягчения и перехода в жидкое состояние. Чем ниже эти температуры, тем стекло технологичнее.

Плотность стекла в зависимости от состава изменяется в пределах 2,2…6,5 г/см³, а при наличии тяжелых окислов свинца и бария – до 8,0 г/см^З.

Наиболее важными для стекол являются оптические свойства. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%, отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света, ультрафиолетовое излучение поглощается практически полностью.

Наиболее широкую полосу электромагнитных волн пропускает кварцевое стекло – от жестких ультрафиолетовых (λ = 160 нм) до инфракрасных (λ = 5,0 мкм). Стекла, легированные редкоземельными элементами, задерживают ультрафиолетовое излучение.

Стекло, легированное легкими элементами (В, Be, Li), пропускает рентгеновское излучение, а при легировании тяжелыми (РЬ) – задерживает. Стекла, содержащие железо и фосфаты, задерживают тепловое, т. е. инфракрасное излучение.

Введение оксидов некоторых металлов делает стекло цветным. При введении NiO цвет красный, GeO, UO₃ – желтый, Сг₂О₃ – зеленый, СиО – синий, МпО – коричневый и фиолетовый.

Теплопроводность стекла низкая – в пределах 0,7-1,5 Вт/(м·К), что определяет его хорошие теплоизолирующие свойства.

Химическая стойкость стекол в кислых средах высокая. Растворимость составляет 0,01…0,1%; исключение – фосфорная (Н₂РО₃) и плавиковая (HF) кислоты, которые полностью растворяют стекло. В щелочных средах стойкость снижается, растворимость составляет 0,5…2%. Меньшей химической стойкостью обладают щелочные стекла.

Механические свойства стекла. При комнатной температуре модуль упругости стекла равен примерно 70 ГПа (примерно, как у алюминиевых сплавов), твердость не превышает 750 HV (ниже твердости закаленной инструментальной стали).

Прочность стекла, как и всех других материалов, зависит от условий нагружения. Стекло может вести себя как абсолютно упругое, вязкое или вязкоупругое вещество. При комнатных температурах и непродолжительных нагрузках, превышающих предел прочности, стекло бьется, т. е. разрушается хрупко, без пластической деформации. Это обусловлено тем, что стекло не может в этих условиях пластически деформироваться, поэтому появление трещины ведет к мгновенному разрушению из-за ее очень быстрого распространения. В связи с этим важное значение приобретает состояние поверхности стекла – наличие царапин, микротрещин и других дефектов, которые являются концентраторами напряжений, резко снижают прочность. Большую прочность имеют кварцевые и бесщелочные стекла, меньшую – щелочные, что обусловлено их структурой (разорванная сетка – каркас). Предел прочности стекол при сжатии высок, он составляет 500…2000 МПа. При температурах 400…600 °С вязкость стекла уменьшается, упругая деформация практически отсутствует, и стекло ведет себя как вязкая жидкость.

Стекла подвержены статической усталости. Она проявляется в потере прочности при длительных нагружениях в условиях постоянной нагрузки (усталость металлов наблюдается при переменных нагрузках). Статическая усталость связана с воздействием на поверхность стекла атмосферы (пары воды), при испытаниях в вакууме этот эффект крайне мал.

Существует ряд способов, позволяющих повысить механические свойства и термостойкость стекла. Закалка стекла заключается в нагреве выше температуры стеклования и последующем быстром охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом на поверхности стекла возникают напряжения сжатия, которые компенсируют (снижают) растягивающие напряжения в условиях эксплуатации (необходимо приложить определенную нагрузку, прежде чем на поверхности возникнут растягивающие напряжения). Предел прочности повышается в 2-4 раза. Термостойкость закаленного стекла возрастает в 2-3 раза.

Закалка в кремнийорганических жидкостях – термохимическое упрочнение – приводит к образованию на поверхности полимерной пленки, что дает дополнительный эффект по сравнению с обычной закалкой.

Щелочные стекла, содержащие Na₂O, упрочняются при высокотемпературной химической обработке, заключающейся в нагреве стекла в расплаве соли K₂SO₄.

Прочность повышается также при травлении стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются или сглаживаются поверхностные дефекты.

Разрушение стекла сопровождается образованием большого числа острых осколков произвольной формы, что представляет опасность. Этого можно избежать при использовании триплекса. Триплекс – это два листа закаленного стекла, склеенного прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся осколки не разлетаются, а удерживаются пленкой, как, например, лобовое стекло автомобиля.

Наибольший объем занимает производство стеклотары и листового строительного стекла. Для этих целей используют зеленое бутылочное стекло (стеклотара) и щелочное листовое стекло (остекление зданий). Для остекления транспортных средств применяют триплексы, закаленные стекла. Остекление помещений литейных цехов выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, они поглощают около 70% инфракрасного излучения.

Оптическое стекло подразделяется на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты – тяжелые стекла, содержащие оксид свинца, не пропускающие рентгеновское излучение.

Как диэлектрик стекло используют для осветительных ламп, в электровакуумных устройствах, в качестве изоляторов.

Как химически стойкий материал стекло применяется в химической и пищевой промышленности для изготовления труб, аппаратуры, емкостей для хранения агрессивных жидкостей.