Category: технологии

Category was added automatically. Read all entries about "технологии".

Структура, свойства и технология стекла. Плотность и термическое расширение

Плотность и коэффициент термического расширения определяются структурой стекла и связями в его сетке, а следовательно, сильно зависят от изменений в составе стекла.
Плотность вещества равна его массе в единице объема. Это, я думаю, всем известно, но вспомним еще раз.
Коэффициент термического расширения вещества является мерой скорости изменения объема и, следовательно, плотности в зависимости от температуры.

Из всей главы самым интересным было изучение влияния теплового прошлого.

Плотность кристаллических веществ практически не чувствитель­на к их тепловому прошлому, в то время как плотность стекол всег­да зависит от теплового прошлого. Происходящие изменения не очень велики, но они важны в некоторых областях использования стекол, особенно там, где требуется большая воспроизводимость свойств, например показателя преломления.

Изменения плотности, обусловленные тепловым прошлым, удобнее всего объяснить с помощью диаграммы температура—объ­ем, которая показана на рис. 7.4. При охлаждении расплав сжимает­ся, т.е. происходит усадка.

Если расплав охлаждается быстро, то полная структурная пе­рестройка, соответствующая конкретной температуре, не успевает произойти. Более медленное охлаждение расплава позволит поддерживать равновесие до более низкой температуры, при этом структура получается более плотной, чем до замораживания.

Без имени-1

Влияние температуры на коэффициент теплового расширения можно посмотреть на рис. 7.8. Очень интересен тот факт, что при медленном нагреве быстро охлажденное стекло сжимается при температуре близкой к температуре перехода в стеклообразное состояние. В предельных случаях сжатие может быть настолько значительным, что образец станет короче, чем был изначально. Совершенно иная картина наблюдается, когда повторно нагревают хорошо отожженное стекло.


Без имени-2
Tg - температура перехода в стеклообразное состояние.
Температуру максимального расширения называ­ют температурой дилатометрического размягчения Td (рис. 7.8).

Структура, свойства и технология стекла. Вязкость

Введение

Кинетическая модель стеклообразования показывает, что зависи­мость вязкости от температуры является основным фактором, определяющим легкость стеклообразования в том или ином расплаве. Стекла образуются наиболее легко в двух случаях: а) если температуре плавления кристаллической фазы соответствует очень большая вязкость расплава; б) если вязкость очень быстро растет при снижении температуры. При этом кристаллизации расплава препятствует кинетический барьер атомной перегруппи­ровки, обусловленный высокой вязкостью.

Вязкость не только определяет возможность и легкость стекло­образования, она также важна при определении условий плавле­ния, необходимых для получения свободной от пузырьков гомо­генной стекломассы, температуры отжига, необходимой для снятия внутренних напряжений, и температурного интервала фор­мования промышленных изделий из стекла. Кроме того, вязкость определяет верхнюю температурную границу эксплуатации любо­го стекла и условия, при которых может произойти девитрификация (расстеклование или спонтанная кристаллизация). В области перехода в стеклообразное состояние очень высокая вязкость явля­ется причиной проявления вязкоупругих свойств и временной зави­симости многих свойств расплава.

Определение вязкости

Вязкость — это мера сопротивления жидкости сдвиговой дефор­мации, она определяется отношением между приложенной силой сдвига и скоростью потока жидкости.

На кривой вязкость-температура выделяют ряд реперных то­чек вязкости. Они имеют большое значение для промышленного стекловарения и лабораторных исследований. Некоторые другие точки на аппроксимирующей кривой также представляют интерес для технологов по стеклу. Эти реперные точки перечислены в табл. 6.1 и показаны на типичной кривой зависимости вязкости от температуры, относящейся к содоизвестковосиликатаому распла­ву (рис. 6.1).

Вязкость стекла
Температура, соответствующая вязкости, при которой за при­емлемое время могут быть проведены осветление и гомогенизация стекломассы, называется температурой плавления. Плавление про­мышленных стекол обычно происходит при вязкости не более 10 Па•с, но для несиликатных и особенно неоксидных стекол может происходить и при более низких значениях. В классическом пони­мании это не истинная температура плавления, она просто удобна для практического применения; чтобы избежать путаницы следует использовать термин практическая температура плавления.

Формование стеклоизделия из расплава заключается в прида­нии формы вязкой массе, называемой каплей, с помощью различ­ных процессов, включая деформацию. Расплав должен быть дос­таточно подвижным, обеспечивающим возможность формования при соответствующих нагрузках, но вязкость должна быть доста­точной, чтобы изделие сохраняло свою конфигурацию после фор­мования. Промышленные методы изготовления требуют очень точного контроля вязкости во время формования, чтобы достичь высоких производительности и выхода высококачественной продукции. Формование изделий машинным способом осущест­вляется при вязкости 103 Па*с, называемой рабочей точкой. Гото­вое изделие должно сохранять форму и не деформироваться под собственным весом. Обычно для этого требуется вязкость 106,6 Па* с, которая соответствует точке размягчения. Область тем­ператур между рабочей точкой и точкой размягчения называется рабочей областью. Стекла, расплавы которых имеют широкую ра­бочую область, называются длинными; в случае узкой рабочей об­ласти — короткими. Когда температура рабочей области выше той, что характерна для содоизвестковосиликатного расплава, то стек­ло называется твердым. Если же температура рабочей области ни­же температуры рабочей области содоизвестковосиликатного расплава, стекло называется мягким. Такая специфическая терми­нология часто вызывает недоумение, так как в данном контексте термины «твердое» и «мягкое» не соответствуют сопротивляемос­ти стекла царапанью.

По методу определения для точки размягчения более подходит термин «точка размягчения Литлтона». Вязкость 106,6 Па*с не со­ответствует температуре деформации изделия. Эта особенная точ­ка определяется по методике испытания стеклянной нити диамет­ром 0,7 мм и длиной 24 см. Точка размягчения — это температу­ра, при которой нить растягивается со скоростью 1 мм/мин, когда ее верхний участок длиной 10 см нагревается со скоростью 5 К/мин. Фактически, если плотность нити значительно отличает­ся от плотности содоизвестковосиликатного стекла, то при такой температуре вязкость не будет точно равна 106,6 Па*с.

После охлаждения формуемого изделия возникают внутренние напряжения, которые устраняют в процессе отжига. Точка отжига (согласно разным источникам она находится в пределах 1012— 1012,4 Па*с) определяется также в результате испытания нити на удлинение и соответствует температуре, при которой напряжения устраняются за несколько минут. Точка начала деформации (1013,5 Па*с) — это температура, при которой напряжение снимается в течение нескольких часов. Она устанавливается экстраполяцией ре­зультатов, получаемых во время отжига. Кроме указанного применяются и другие методы испытания, которые дают близкие результаты.

Силикатные расплавы

Из всех известных стеклообразующих расплавов стеклообразный кремнезем обладает наибольшей вязкостью. Температура перехода оксида кремния в стеклообразное состояние находится в интервале от 1060 до 1200 °С и сильно зависит от содержания гидроксильных групп и других примесей. Вязкость оксида кремния мало меняется с температурой, в жидком состоянии он является одним из наименее хрупких расплавов. Для получения кремнезема в виде стекла, свобод­ного от пузырьков, необходимо нагревание до температуры 2200 °С.

Добавка к кремнезему щелочных оксидов вызывает образование немостиковых атомов кислорода и снижение связности структуры. Не удивительно, что такое снижение связности приводит к быстро­му и монотонному уменьшению вязкости при малых добавках ще­лочного оксида к SiО2. Дальнейшее увеличение концентрации ще­лочного оксида уменьшает его влияние на вязкость, и при содержа­нии R2O более 10—20 мол.% оно становится достаточно слабым. Уменьшение вязкости сопровождается увеличением хрупкости.

bf146683

Структура, свойства и технология стекла. Фазовое разделение.

Несмешиваемость жидкостей или разделение фаз — обычное явление в жидких системах, в том числе и в стеклообразующих расплавах. Действительно, в большинстве двойных стеклообразу­ющих расплавов наблюдается несмешиваемость жидкостей, и они не существуют в гомогенном состоянии. Следовательно, образова­ние гомогенных стекол из расплавов можно считать весьма необычным явлением.

Если в колбу с водой налить небольшое количество спирта, то можно обнаружить, что при различных соотношениях спирта и воды существует однородная жидкость. Говорят, что эти жидкости полностью смешиваются. Если же в колбу с водой или уксусом на­лить небольшое количество масла, будет заметно, что однофазная жидкость не стабильна, и смесь самопроизвольно разделяется на две жидкости. Жидкость, имеющая меньшую плотность, плавает на поверхности более плотной. В таком случае говорят, что жид­кости несмешивающиеся, а система (их смесь) в целом разделена на фазы (неоднородна).

Если колбу, содержащую масло и воду, закрыть и энергично встряхнуть, будут получены мелкие капли одной жидкости в об­щей массе другой. Поскольку масло и вода — подвижные жидкос­ти, более плотная жидкость будет быстро концентрироваться у дна колбы, а менее плотная поднимется к поверхности. Таким обра­зом, быстро восстановится исходная двухслойная структура. Если содержимое осторожного перелить в лабораторный стакан, можно отделить почти все масло с незначительной примесью воды.

Что может произойти, будь эти жидкости очень вязкими? В этом случае скорость разделения была бы существенно снижена. При быстром понижении температуры ниже температуры замер­зания обеих жидкостей получится твердое тело, состоящее из твер­дых капель одного вещества, диспергированного в непрерывной матрице другого. Состав вещества матрицы и капель зависит от концентрации масла и воды в смеси. Смесь, содержащая больше воды, образует капли масла в воде, в то время как при избытке мас­ла сформируются капли воды в матрице масла.

Жидкость, образующаяся при варке шихты, в некоторых слу­чаях самопроизвольно разделяется на две очень вязкие жидкости или фазы. Поскольку вначале эти жидкости представляют собой однородную смесь, их полное разделение на два слоя происходит очень медленно. Охлаждение расплава до температуры ниже тем­пературного интервала перехода в стеклообразное состояние по­хоже на замораживание смеси масла с водой, рассмотренное вы­ше. Полученное стекло окажется разделенным на фазы (неоднород­ным). Поскольку стекло находится в твердом состоянии, далее разделение не происходит, пока стекло не будет вновь нагрето до температуры, при которой появится текучесть.

Многим стеклообразующим расплавам характерна жидкост­ная несмешиваемость. В некоторых случаях жидкие фазы настоль­ко подвижны, что легко происходит полное разделение на два слоя. Если тигель, содержащий такой расплав, охладить без пере­мешивания слоев, то полученный образец стекла можно разделить на две части, отличающиеся по составу и свойствам. В других случаях расплав может быть настолько вязким, что расслоение проявится незначительно, так что без очень большого увеличения (например, с помощью электронного микроскопа) капли невоз­можно выявить, и образец стекла кажется однородным. В таких случаях разделение на фазы нельзя установить невооруженным глазом. Большинство промышленных натриевоборосиликатных стекол относится именно к такому типу.


Источник: "Структура, свойства и технология стекла" Дж.Шелби

bf146683

Структура, свойства и технология стекла. Стекловарение - продолжение продолжения.

Гомогенизация расплавов

В начале стекловарения жидкая фаза, образующаяся при разложе­нии компонентов шихты, весьма неоднородна. Неоднородность постепенно уменьшается в результате перемешивания стекломас­сы всплывающими к ее поверхности пузырьками. Однако получе­ние стекла приемлемой степени однородности требует увеличения времени протекания диффузионных процессов, повышающих гомогенность расплава. Однородная стекломасса характеризуется как расплав, не имеющий значительной гетерогенности. Опреде­лить термин «значительная гетерогенность» довольно затрудни­тельно, так как это зависит от предназначения стекла. Например, вполне допустимый уровень однородности для оконного стекла может оказаться совершенно неприемлемым в случае стекла для оптических линз.

Такие значительные дефекты, как пузырьки, «мошка» и «кам­ни» (нерастворившиеся частицы шихты), часто видны невоору­женным глазом и служат причиной выбраковки большого количества промышленных стекол. Термины «полоса» и «свиль» приме­няются для описания локальных отклонений в составе на отдель­ных участках стекла. Полосы — это двумерные дефекты стекла (слои), отличающиеся по составу от остальной массы стекла. Свиль имеет форму одномерных жилок внутри стекла. Из-за изме­нения коэффициента преломления эти дефекты часто обнаружи­ваются визуально по появлению «волнистости». В окрашенных стеклах области негомогенности можно обнаружить по измене­нию интенсивности цвета. Протяженность дефектных участков стекла определяется как уровень неоднородности, а степень отличия от основной массы стекла по составу или какому-либо другому свойству — как интенсивность неоднородности.

Количественное описание степени неоднородности стекла — задача очень трудная. В основу определения интенсивности неоднородности может быть положено измерение плотности или коэффициента преломления кусков дробленого стекла, а для определения оптических дефектов в результате свильности или полосчатости изучают отклонение от параллельности темных ли­ний шаблона, устанавливаемого за листовым стеклом. За схожесть шаблона со шкурой зебры метод определения оптических дефектов называется методом зебрового щита.

Низкая однородность часто наблюдается из-за плохого пере­мешивания исходной шихты. Влияние перемешивания особенно важно для расплавов, получаемых в лабораторных условиях, кото­рые обычно не перемешиваются и выдерживаются при температу­ре расплава в течение более короткого периода времени, чем про­мышленное стекло. Полосчатость и свильность могут быть резуль­татом взаимодействия стекломассы с огнеупорными материалами. Такие пороки возникают на границе расплав-атмосфера при испарении некоторых компонентов, особенно щелочных металлов, бора или свинца. Уменьшение дисперсности шихты улучшает однородность, так как снижается уровень неоднород­ности исходного расплава. Механическое перемешивание, усили­вающее конвективные потоки, и бурление газом через расплав также способствуют достижению лучшей однородности.

Специальные методы варки

Многие стеклообразующие расплавы получают по специальным технологиям, которые не используются для обычных составов. Токсичные шихты варят в боксах, оборудованных перчатками, для защиты персонала от ядовитых паров или порошков. Из-за лету­чести компонентов варку проводят в закрытых контейнерах, чтобы получить стекло требуемого состава. Для предотвращения загряз­нения неоксидных стекол необходима специальная атмосфера.

На примере получения халькогенидных стекол хорошо видно, какие неожиданные трудности встречаются при варке нетрадици­онных стекол. Компоненты халькогенидных стекол не только ток­сичны и высоколетучи, но и весьма чувствительны к кислороду. Загрязнение кислородом даже в следовых количествах лишает стекло способности пропускать инфракрасное излучение. Такие стекла обычно получают из шихт, приготовленных в сухой инерт­ной атмосфере бокса. Шихтовую смесь помещают в трубку из кварцевого стекла, которую под вакуумом запаивают с обоих кон­цов. Затем трубку помещают в печь, нагревают до необходимой температуры, после чего быстро охлаждают, чтобы из расплава получилось стекло. В таких условиях трудно достичь высокой сте­пени однородности расплава, поэтому для его перемешивания ам­пулы часто нагревают в качающейся печи.

Для варки стекол на основе галогенидов тяжелых металлов во избежание ухудшения их оптических свойств также необходима атмосфера, свободная от кислорода. Такие стекла получают в сре­де СCl4 или SF6, при этом в результате разложения в газовом пространстве появляются свободные галогены. Итак, атмосфера над расплавом выполняет две функции: ловушки для кислорода и источника галогенов для восполнения потерь из-за улетучивания и сохранения стехиометрии расплава. Этот метод называется варкой в реакционной атмосфере.

Источник "Структура, свойства и технология стекла" Дж.Шелби

bf146683

Структура, свойства и технология стекла. Стекловарение.

Это была самая интересная глава всей этой книги. Никогда не подумала бы, что процесс варки стекла настолько сложен и непредсказуем. Неудивительно, что в результате стекла разных цветов настолько отличаются друг от друга в работе.

Введение

Хотя стекла могут быть получены разными методами, но подавляю­щее количество все еще производится путем плавления шихты при высоких температурах. Эта процедура включает выбор сырья, рас­чет необходимого количества каждого компонента шихты, взвеши­вание и смешивание этих материалов для достижения гомогеннос­ти шихты. При нагревании в процессе плавления шихтовые матери­алы претерпевают ряд химических и физических изменений. Превращение расплава в гомогенную жидкость может требовать специальных операций, включая очистку стекломассы от непроваров шихты, примесей и газовых пузырей. Производство промыш­ленных изделий включает стадию формования, а также отжига для устранения напряжений, возникающих при охлаждении, или получения стекол повышенной прочности.

Если коротко...

Получение стекол включает четыре стадии: составление шихты, ее варка (плавление), осветление и гомогенизация стекломассы. Составление шихты включает выбор исходного сырья, расчет кон­центрации каждого компонента, взвешивание и смешивание порошкообразных веществ, при необходимости применяется увлаж­нение. В ходе варки происходит разложение шихтовых компонен­тов и образование собственно расплава. На протяжении всего стекловарения осуществляется контроль температуры и атмосфе­ры над стекломассой. В случае стекол из неоксидных или токсич­ных веществ необходимы специальные методы варки. Осветление (удаление пузырьков) происходит или при флотации, или при их поглощении стекломассой. Флотация (всплывание пузырька) облегчается образованием крупных пузырей в результате разложе­ния компонентов шихты, низкой вязкостью расплава и использо­ванием шихтовых компонентов соответствующего гранулометри­ческого состава. Часто в шихту добавляются специальные хими­ческие соединения — осветлители. И, наконец, для получения однородного стекла необходимо устранить неоднородность, свой­ственную расплавам, в состав которых входит большое число ком­понентов с весьма разными свойствами.


Ну а подробнее, очень подробнее...
Сырье

Стекла получают как из высококачественных химически чистых компонентов, так и из смесей менее чистых минеральных веществ. Образцы для научных исследований, оптические стекла, стекла, изготавливаемые в небольших объемах и для высокотехнологич­ных изделий, получают из веществ, встречающихся в любой хими­ческой лаборатории. В то же время обычное, производимое в ог­ромных количествах стекло получают из минералов, названия и состав которых известны далеко не всем. Многие из них перечислены в таблице.

Независимо от их источника, шихтовые материалы можно разделить на пять групп по их функции в стекловарении: стеклообразователи, плавни, модификаторы свойств, красители, осветли­тели. В зависимости от цели применения один и тот же компонент может быть отнесен к разным группам. Оксид алюминия А12О3, например, используется как стеклообразователь в алюминатных стеклах, но в большинстве силикатных стекол он является моди­фикатором свойств. Оксид мышьяка As2O3 может быть как стеклообразователем, так и осветлителем стекломассы в зависимости от цели, с которой он добавляется в шихту.

Самый важный компонент любой стекольной шихты — стек­лообразователь. Каждое стекло содержит один или более компо­нентов, образующих структуру стекла. Обычно их называют сеткообразователями или стеклообразователями, если стекло оксид­ное. Идентификация стекла осуществляется на основе родового названия таких компонентов. Например, если главным стеклообразователем служит оксид кремния SiO2, то стекло называют сили­катным. Если в дополнение к SiO2 присутствует значительное количество В2О3, стекло называют боросиликатным.

В промышленных оксидных стеклах главными стеклообразо­вателями являются оксиды кремния (SiO2), бора (В2О3) и фосфора (Р2О5), которые легко образуют однокомпонентные стекла.

Количество возможных стеклообразующих композиций ни­чем не ограничено, но подавляющее большинство промышлен­ных стекол получают на основе SiO2. Сам оксид кремния превос­ходно образует стекло, но его широкому применению для изготов­ления бутылок, оконного стекла и других изделий препятствует высокая температура плавления (более 2000 °С).

Таблица Сырье для производства стекла

Название                           

Химический состав

Альбит                                   

Глинозем                               

Гидратированный глинозем

Анортит                                 

Na2O-Al2O3-6SiO2

А12О3

А12О3•ЗН2О

CaO-AI2O3-2SiO2

Аплит                                     

Щелочноземельный полевой шпат

Арагонит                                  

СаСО3

Костная мука                         

ЗСаО-Р2Р5 или Са3(РО4) 2

Барит (тяжелый шпат)           

BaSO4

Боракс                                    

Na2O-2B2O3•10H2O

Безводный боракс                  

Na2O-2B2O3

Борная кислота                      

В2О3•ЗН2О

Жженый доломит                  

CaO-MgO

Едкое кали                             

КОН

Едкий натр                             

NaOH

Криолит                                  

3NaF-AlF3

Стеклянный бой                  

Осколки стекла

Доломит                                

CaCO3-MgCO3

Плавиковый шпат                 

CaF2

Гипс                                       

CaSO42H2O

Кианит                                  

Al2O3-SiO2

Известь (негашеная известь)           

СаО

Известняк (кальцит)             

СаСО3

Глёт (желтый оксид свинца)

РЬО

Микроклин                          

K2O-Al2O3-6SiO2

Нефелин   

Na2O-Al2O3-2SiO2

Нефелиновый сиенит           

Смесь нефелина и полевого шпата

Селитра калийная                  

KNO3

Поташ                                    

К2О или К2СО3

Красный оксид свинца (свинцовый сурик)

РЬ3О4

Сульфат натрия                    

Na2SO4

Песок (песок для стекловарения гончарный камень)           

SiO2

Шлак                                      

Остеклованные отходы доменного производства

Гашеная известь                   

СаО•Н2О или Са(ОН) 2

Известь пушенка (углекислый натрий)

Na2CО3

Нитрат натрия (чилийская селитра)

NaNO3

Сподумен                                 

Li2O-Al2O3-4SiO2

Мел       

СаСО3

Источник "Структура, свойства и технология стекла" Дж.Шелби

bf146683

Структура, свойства и технология стекла

Вот иногда купишь новое стекло, попробуешь, а оно все пузырится, кипит, трещит и стреляет... И думаешь, ну зачем выпускать такое, неужели нельзя сделать более качественное, удобное в работе, мягкое. Красивые цвета, а в работе стекло просто ужас, и результат бывает не лучше...
Задавалась я этими вопросами пока не попалась мне в руки книга для химиков "Структура, свойства и технология стекла" Дж.Шелби. Не смотря на обилие химических терминов и формул и еще всего очень специфического, я все же нашла для себя очень интересную и полезную информацию. Думаю, она будет полезна всем лэмпворкерам, да и просто интересна.
В этой подборке статей я буду приводить выдержки из этой книги, да простят меня авторы..., химию я пропущу, а вот то, что мне показалось интересным мне хотелось бы рассказать.

В нашей повседневной жизни стекло настолько привычно, что мы почти не замечаем его существование. Однако отношение к этому материалу не всегда было таким небрежным. Древние египтяне рассматривали стекла как драгоценности: стеклянные бусы были найдены в захоронениях на золотых посмертных масках фараонов. В более древние времена пещерные жители использовали осколки обсидиана, природного вулканического стекла, для изготовления орудий и оружия – скребков, ножей, топоров, наконечников копия и стрел.

В течение тысячелетий люди получали стекло путем плавления исходных веществ. Египетские стекла датируются по крайней мере 7000 г. до н.э. Как же впервые было получено искусственное стекло? По одной из версий сочетание морской соли (NaCl) и, возможно, костей (CaO), находившихся в горячей золе костра, разведенного на песке (SiO2) на берегу соленого моря, понизило точку плавления песка до температуры, при которой могло быть получено грубое стекло низкого качества. Спустя некоторое время другой человек обнаружил эти куски стекла среди песка и обратил внимание на их необычность. В конце концов какой-нибудь гений древности догадался, что стекло, найденное в пепле костра, могло быть получено специально, и открыл сочетание веществ, которое привело к получению первого стекла.

Первые стекла применялись для изготовления бус или инструментов с острыми краями. Постепенно были разработаны методы изготовления изделий заданной формы. Интересно, что первые бутыли изготавливали наматыванием ленты стекла на шаблон из уплотненного песка. После охлаждения стекла песок соскабливали с внутренней поверхности и удаляли, получались полые бутыли с грубыми полупрозрачными стенками, которые зачастую оказывались кривыми. Однако со временем на смену древним методам пришли технологии отливки и прессовки кувшинов и бутылей, и качество стеклянной посуды повысилось. Получаемое стекло стало достаточно прозрачным, но обычно содержало пузырьки и имело другие изъяны. Изобретение приблизительно в I в до н.э. метода выдувания стеклянных изделий чрезвычайно расширило область применения стекла. Качество стеклянных кувшинов и бутылей резко улучшилось. Стеклянные сосуды для питья стали общедоступны, появилась возможность производить плоское стекло, что в конце концов привело к строительству зданий с застекленными окнами. В повседневную жизнь вошли окрашенные стекла. Методы получения многих цветов сохранялись как фамильные секреты и передавались мастерами из поколения в поколение. Например, способ получения красных стекол путем введения золота в расплав был открыт, а затем утерян, и только спустя сотни лет был открыт вновь. Открытие множества новых красителей и изобретение метода выдувания изделий из стекла привели к тому, что во многих больших соборах Европы и Ближнего Востока появились великолепные цветные стеклянные окна ( витражи).

Век технического прогресса открыл много новых областей применения стекла. Изобретение химически стойкого боросиликатного стекла оказало сильное влияние на развитие химии от тайных опытов алхимиков, искавших философский камень, до современной науки, в которой работают миллионы людей во всем мире. Современная электроника стала реальностью после изобретения стеклянных вакуумных труб, содержащихся в мониторах компьютеров и телевизорах. Относительно недавно создание стеклянных оптических волокон оказалось революционным событием в телекоммуникационной индустрии, поскольку замена медных кабелей на волоконные многократно увеличила возможности передачи информации без искажений по всему миру.

В отличие от многих материалов, стекло привлекательно чисто эстетически, благодаря своей способности пропускать свет. В природе существует очень мало материалов, которые пропускают видимый свет. Металлы и практически все природные органические вещества непрозрачны. Многие жидкости прозрачны, но они нестойки по своей природе и не могут в течение длительного времени сохранять желаемые свойства. К прозрачным природным материалам относятся алмазы, изумруды, рубины и другие драгоценные и полудрагоценные камни. Трудно придумать прозрачный природный минерал, который бы не ценился высоко за прозрачность и блеск. И в современном мире такие материалы ценятся очень высоко. Мы все еще очарованы «яркими, блестящими предметами».

Что же такое стекло?

Стекла, применяемые человечеством на протя­жении большей части своей истории, были силикатными. Всегда ли оксид кремния необходим в составе стекла? Поскольку можно получить практически неограниченное число неорганических сте­кол, которые не содержат кремнезем, ответ очевиден: нет, кремне­зем не является необходимым компонентом стекла.

Традиционно стекло получают охлаждением расплава. Всегда ли необходимо плавление? Нет, можно получить стекла осаждением паров, пос­редством золь—гель-процессов в растворах и при облучении крис­таллических веществ нейтронами.

Большинство обычных стекол неорганические и неметаллические. В настоящее время применя­ется огромное число органических стекол. На протяжении послед­них лет стали распространены металлические стекла. Таким обра­зом, очевидно, что определение стекла не может основываться на химической природе материала.

Какие же признаки определяют стекло? Все известные стекла характеризуются двумя основными свойствами. Во-первых, стек­ла не обладают упорядоченным расположением атомов. Во-вто­рых, что более важно, любое стекло характеризуется температур­ным интервалом перехода в стеклообразное состояние.

Таким образом, стекло можно определить как «аморфное твердое тело, не обладающее упорядоченной периодической атомной структурой и характеризующееся температурным интервалом перехода в стек­лообразное состояние». Любое вещество (неорганическое, орга­ническое или металлическое, полученное любым способом), характеризующееся температурным интервалом перехода в стек­лообразное состояние, является стеклом.

         Основы стеклообразования

Самые первые стекла, которые использовал человек, были при­родного происхождения. Например, обсидиан легко образует острые грани, что позволило делать ножи, наконечники стрел и другие режущие инструменты. Такие стекла, получающиеся в ре­зультате охлаждения расплава горных пород, или лавы, содержат большое количество компонентов, включая оксиды щелочных, щелочноземельных и переходных металлов. Однако во всех случа­ях основой является оксид кремния.

Поскольку природные стекла были весьма полезны для чело­века, не удивительно, что тысячи лет тому назад у него появилось желание самому делать стекло. Более того, поскольку все извест­ные стекла были силикатными, естественно, что первые, получен­ные человеком стекла, также были силикатными. До 1900 г. было известно весьма немного несиликатных стекол, поэтому первые теоретические попытки объяснить, почему некоторые вещества образуют стекла, а другие — нет, в значительной степени основы­вались на данных о поведении силикатных расплавов и структуре кристаллических силикатов. Предполагалось, что некоторые уни­кальные свойства отдельных расплавов приводят к образованию стекла, тогда как в других случаях отсутствие этих свойств мешает стеклообразованию. Эти теории часто объединяют в группу струк­турных теорий стеклообразования. Т.е. какие вещества нужно смешать, чтобы получить стекло.

В последнее время открыто огромное число несиликатных сте­кол. Известно, что полимеры и металлы могут быть получены в виде стекол, как и многие неоксидные неорганические вещества. В настоящее время признано, что любое вещество можно полу­чить в стеклообразном состоянии. Теории стеклообразования уже не задают вопрос, почему то или иное вещество образует стекло, вопрос теперь ставится так: что нужно сделать, чтобы получить стекло из данного вещества? Поскольку в контроле за процессом образования стекла произошло смещение акцента от подбора ве­ществ к регулированию условий технологического процесса, стало очевидно значение кинетики. В результате новая теория, а именно кинетическая теория образования стекла, в значительной степени потеснила прежние структурные теории.

Кинетические теории стеклообразования

Считается, что любое вещество или смесь ве­ществ, образующие стекло при охлаждении с умеренной ско­ростью от состояния расплава, являются «хорошими» стеклообразователями, в то время как вещества, которые требуют более быст­рого охлаждения для образования стекла, считаются «плохими» стеклообразователями. Расплавы, которые не могут образовать стекло без охлаждения со сверхвысокой скоростью, считаются не образующими стекол. Современные теории стеклообразования вновь обратились к поиску критерия, определяющего вещество как стеклообразователь. В настоящее время признано, что в сущ­ности любое вещество может образовать стекло, будучи охлажден­ным настолько быстро, чтобы не оставалось времени для пере­стройки структуры в периодическую, необходимую для кристал­лизации. Н
екоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 105—106 К/с. Следовательно, вопрос заключается не в том, какое именно вещество образует стекло, а в том, как быстро оно должно охлаждаться, чтобы была предотвращена кристаллизация.

Источник
"Структура, свойства и технология стекла" Дж.Шелби

bf146683