Строение стекла

Стекло представляет собой изотропное твердое вещество, образу­ющееся при охлаждении расплава компонентов, среди которых хотя бы один является стеклообразующим. Стеклообразующими являются оксиды SiО₂, B₂O₃, Р₂О₅, GeО₂, а также некоторые бескислородные соединения мышьяка, селена, теллура.

Основу стекла образует объемная сетка из однородных структурных элементов. В наиболее простом по составу кварцевом стекле такими эле­ментами являются тетраэдры [SiO₄], которые соединяются своими верши­нами (рис. 3.6). Из таких же тетраэдров образована структура кристал­лического кварца. Различие между двумя веществами одинакового хими­ческого состава объясняется тем, что в аморфных стёклах углы между связями Si-О лежат в пределах 120-180° − это больше, чем в кристаллическом кварце. Структура аморфного стекла возникает при охлаждении стеклянной массы, когда повышение её вязкости препятствует кристаллизации.

Рис. 3.6. Расположение тетраэдров [SiO4] в стекле (α − угол между связями Si-O)

Основную массу промышленных стекол составляют силикатные сте­кла с добавками других оксидов. По сравнению с кварцевым стеклом они размягчаются при более низ­ких температурах и легче перера­батываются в изделия. В сили­катных стеклах атомы соединяют­ся ковалентно-ионными связями; в объемную сетку кроме кремния и кислорода входят также алюминий, титан, германий, бериллий; ионы щелочных и щелочноземельных металлов размещаются в ячейках этой сетки.

Усложнение химического состава силикатных стекол приводит к изменению их свойств, в том числе и цвета, и является причиной структурной неоднородности.

При охлаждении однофазный расплав расслаивается на две или не­сколько жидких фаз разного химического состава. Затвердевшее стекло имеет многофазную структуру. Расслоение силикатных стекол — харак­терная особенность их структуры.

При определенном соотношении содержания кремния, кислорода и других элементов очень трудно предупредить зарождение и рост кристал­лов. Кристаллизация, или «расстекловывание » с образованием крупных кристаллов, отрицательно влияет на прочность и прозрачность стекла. Кристаллизацию предупреждают подбором химического состава стекла и условий его варки. Напряжения в стеклянных изделиях из-за различия плотности в разных участках устраняют нагревом, достаточным для пе­рестройки элементов структуры и выравнивания плотности.

Из стекол специального состава при помощи контролируемой кристаллизации полу­чают ситаллы, или стеклокристаллические материалы. Структура ситаллов представляет собой смесь очень мелких (0,01-1 мкм), беспорядочно ориентированных кристаллов (60 - 95 %) и остаточного стекла (5-40 %). Исходное стекло по химическому составу отличается от остаточного сте­кла, в котором накапливаются ионы, не входящие в состав кристаллов. Такая структура создается в стеклянных изделиях после двойного отжи­га (первый нужен для формирования центров кристаллизации, второй − для выращивания кристаллов на готовых центрах). Для образования кри­сталлов в стекла вводят Li₂О, TiO₂, AI₂O₃ и другие соединения.

В зависимости от условий образования центров кристаллизации си­таллы подразделяют на термоситаллы и фотоситаллы. В термоситаллах для образования центров кристаллизации используют оксиды или фториды ТiO₂, Р₂О₅, NaF и др. (несколько процентов). При отжиге термоситалла получается высокая и однородная плотность кристаллов. В фотоситаллах используют малые добавки золота, серебра, платины или меди. Центры кристаллизации формируются под действием облучения ультрафиолетовым светом и отжига. Необлученные участки после отжи­га остаются аморфными.

Фотоситаллы применяются как фоточувствительные материалы. Термоситаллы имеют универсальное применение: как износостойкие ма­териалы используются для деталей гидромашин, узлов трения, защитных эмалей; как прочные стабильные диэлектрики − для радиодеталей, плат и т.п.