Стекло

Стекло (далее С) твердый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для С характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определенных температурных условиях С не плавится при нагревании подобно телам, а размягчается, последовательно переходя из твердого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию С занимает промежуточное положение между жидким и веществами. Упругие свойства делают С сходным с твердыми телами, а отсутствие симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию С характерна для многих веществ ( сера, силикаты, бораты и др.). Состав некоторых промышленных стекол< состав С 2 2О3 23 2 2 23 3 Оконное 71,8 — 2 4,1 6,7 — — 14,8 — 0,1 0,5 Тарное 71,5 — 3,3 3,2 5,2 — — 16 — 0,6 0,2 Посудное 74 — 0,5 — 7,45 — — 16 2 0,05 — Хрусталь 56,5 — 0,48 — 1 — 27 6 10 0,02 — Химико- лабораторное 68,4 2,7 3,9 — 8,5 — — 9,4 7,1 — — Оптическое 41,4 — — — — — 53,2 — 5,4 — — Кварцоидное 96 3,5 — — — — — 0,5 — — Электрокол- бочное 71,9 — — 3,5 5,5 2 — 16,1 1 — — Электроваку- умное 66,9 20,3 3,5 — — — — 3,9 5,4 — — Медицинское 73 4 4,5 1 7 — — 8,5 2 — — Жаростойкое 57,6 — 25 8 7,4 — — — 2 — — Термостойкое 80,5 12 2 — 0,5 — — 4 1 — — Термометри- ческое 57,1 10,1 20,6 4,6 7,6 — — — — — — Защитное 12 — — — — — 86 2 — — Радиационно- стойкое 48,2 4 0,65 — 0,15 29,5 — 1 7,5 — — Стеклянное волокно 71 — 3— 3 8 — — 15 — — —   С называют также отдельные группы изделий из С, например строительное С, тарное С, химико-лабораторное С и др. Изделия из С могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое С, характеризующееся высокими механическими тепловыми, и др. свойствами. Основная масса неорганического С выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из С на основе двуокиси (силикатное С); применение находят также и др. (оксидные) С, в состав которых входят окислы бора и т.д. К бескислородным неорганическим С относятся С на основе халькогенидов (23), (23) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д. (см. также Полупроводники аморфные).   По назначению различают: строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются С, защищающие от ионизирующих излучений, С индикаторов проникающей радиации, фотохромные С с переменным светопропусканием, С, применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое С и др. Растворимое С, содержащее около 75% 3102, 24% 2 и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое С); используется как уплотняющее средство, например для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр. состав некоторых видов С приведен в таблице.   Физико- свойства С Свойства С зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство С — прозрачность (светопрозрачность оконного С 83—90%, а оптического стекла — до 99,95%). С типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у С такое же, как у чугуна.   Для повышения прочности С подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности С происходит замена ионов, например на ионы лития или и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности С в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить прочность С в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная пленка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность С 2200—8000 кг/м3, твердость по минералогической шкале 4,5—7,5, микротвердость 4—10 Гн/м2, модуль упругости 50—85 Гн/м2. Предел прочности С при сжатии равен 0,5—2 Гн/м2, при изгибе 30—90 Гн/м2, при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м2. Теплоемкость С 0,3—1 кдж/кг -К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12) 109 1/К. Коэффициент теплопроводности С мало зависит от его состава и равен 0,7—1,3 вт/(м. К). Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10-8—10-18 ом -1. см-1, диэлектрическая проницаемость 3,8—16.   Технология С производство С состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки С, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например 2, и искусственные, например 23), содержащие основные (щелочные и щелочноземельные) и кислотные окислы. Главный компонент большинства промышленных С — кремнезем (кремния двуокись), содержание которого в С составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевых и кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в качестве источника кремнезема используют кварцевые стекольные пески, которые в случае необходимости обогащают. Сырьем, содержащим борный ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозем вводится с полевыми шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с содой и поташом; щелочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п. Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное свойство, например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например, соединения используются как красители, неодима, — как обесцвечиватели и окислители, — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют сульфат и нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подается в стекловаренную печь.   Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение ("студку").   При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическая и связанная вода. На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твердой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С   На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты и удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150—1200 °С Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зерен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных С содержится около 25% кремнезема, не связанного в силикаты (только такое С оказывается пригодным по своей стойкости для практического использования). Собразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности стекловарения.   Обычная стекольная шихта содержит около 18% связанных газов (СО2, 2, 2 и др.). В процессе провара шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остается в стекломассе, образуя крупные и мелкие пузыри.   На стадии осветления при длительной выдержке при температуре 1500—1600 °С уменьшается степень пересыщения стекломассы газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через нее пропускают сжатый воздух или др. газ.   Одновременно с осветлением идет гомогенизация — усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании (наибольшее распространение эта операция получила в производстве оптического С).   Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы ("студка") до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700—1000 °С Главное требование при "студке" — непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется т. н. вторичная мошка (мелкие пузыри).   Процесс получения некоторых С отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптического кварцевого С в электрических стекловаренных печах ведется сначала в вакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением. Производство каждого типа С определяется технологической нормалью.   Формование изделий из стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу).   В результате отжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температуре размягчения С) и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в С при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в С возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с обычным С (закаленные С применяют для остекления автомобилей, вагонов и т.п. целей).   Историческая справка. В природе существует природное С — перлит, обсидиан (см. Вулканическое стекло).   Появление искусственного С обычно связывают с развитием гончарства. При обжиге на изделие из глины могла попасть смесь соды и песка, в результате чего на поверхности изделия образовалась стекловидная пленка-глазурь. Производство С началось в 4-м тыс. до н. э. (Древний Египет, Передняя Азия).   Первоначально получались непрозрачные С, с помощью которых имитировали поделочные камни (малахит, бирюзу и т.д.). Постепенно состав С менялся, количество окислов щелочных металлов с 30% (по массе) уменьшилось до 20%; в С вводились окислы и для окрашивания стали добавлять соединения и Во 2-м тыс. до н. э. в Египте С варили в глиняных горшочках — тиглях емкостью около 0,25 л.   Коренные изменения в технологии стеклоделия произошли на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоделия — изготовление прозрачного бесцветного С и формование изделий выдуванием. Получение прозрачного С стало возможным в результате усовершенствования стекловаренных печей, что позволило повысить температуру варки и надежно воспроизводить условия хорошего осветления стекломассы. Сдувная трубка, изобретенная в 1 в. до н. э., оказалась универсальным инструментом, с помощью которого стало возможным создавать простые, доступные всем предметы обихода, например посуду. Первым научным трудом по стеклоделию считают вышедшую во Флоренции в 1612 книгу монаха Антонио Нери, в которой были даны указания об использовании окислов бора и для осветления С, приведены составы цветных С Во 2-й половине 17 в. нем. алхимик И. Кункель опубликовал сочинение "Экспериментальное искусство стеклоделия", он же изобрел способ получения рубина. В 1615 в Англии стали применять для нагрева стеклоплавильных печей что повысило температуру в печи. С начала 17 в. во был предложен способ отливки зеркальных С на плитах, с последующей прокаткой; в то же время был открыт метод травления С смесью плавикового шпата и серной кислоты, освоено производство оконного и оптического С Существенную роль в создании основ стеклоделия сыграли русские ученые: М. В. Ломоносов, Э. Г. Лаксман, С П. Петухов, А. К. Чугунов, Д. И. В. Е. Тищенко.   До конца 19 в. в стеклоделии преобладал ручной труд, и только со 2-й половины 20 в. производство всех видов массового С (оконное, тарное и др.) было механизировано и автоматизировано, а ручные методы сохранились лишь при изготовлении художественного С и некоторых сортовых изделий (см. также Стекольная промышленность).   Н. М. Павлушкин.   Художественное С включает в себя витражи, смальтовые мозаики, сосуды художественные, архитектурные детали, декоративные композиции, скульптуру (обычно малых форм), светильники, искусственные драгоценности (бижутерия). В древнем мире производство С было особенно развито в Египте (эпоха Птолемеев, 4—1 вв. до н. э.), Сирии, Финикии, Китае. Как правило, в искусстве древнего мира изделия из С (небольшие вазочки, чаши, блюдца, бусы, серьги, амулеты, печати) изготовлялись посредством прессования в открытых глиняных формах или путем навивания стекломассы на палочку; такое С обычно было непрозрачным, а по цвету — зеленым, голубым, бирюзовым. Изобретение способа свободного выдувания С с помощью трубки, а также повышение температуры его варки дали эллинистическим и древнеримским мастерам возможность получать тонкостенные (иногда двухслойные) более прозрачные и однородные по массе изделия относительно крупных размеров.   С 6 в. центры художественного стеклоделия сосредоточились в Византии, где процветала выделка цветного непрозрачного стекла для посуды и смальт. В средневековой Западной Европе эпохи готики важнейшей областью искусства, стимулировавшей развитие вкуса к художественному С, было изготовление витражей. Среди средневековых стран мусульманского Востока в 12—14 вв. производством стеклянных изделий с эмалевыми росписями славилась Сирия.   В 15—16 вв. ведущее значение в декоративно-прикладном искусстве Европы приобрело венецианское стекло. С изобретением в 17 в. более твердого С и развитием техники гравировки центр художественного стеклоделия переместился в Чехию (см. Чешское стекло). С 1770-х гг. (первоначально в Англии) стало широко применяться С, полученное на основе окиси (хрусталь или флинт-гласе), главным способом обработки которого явилось т. н. алмазное гранение, выявляющее способность хрусталя преломлять или отражать свет. Начиная с 18 в. интенсивно развивается и производство искусственных драгоценных камней. На рубеже 19—20 вв. к художественному С обращаются специалисты по декоративно-прикладному искусству (Э. Галле, О. Даум, Э. Руссо во И. Хофман в Австрии, Л. К. Тиффани в США); в их изделиях, нередко отличающихся стремлением к ассоциативному сопоставлению художественных и природных, преимущественно растительных форм, преобладали черты стиля "модерн". Для современного художественного С характерно необычайное разнообразие техник и стилевых тенденций; увлечение изысканными, подчеркнуто фантастическим конфигурациями и усложненно-орнаментальной обработкой поверхностей сосуществует с тяготением к аскетически-строгим решениям, выделяющим в качестве важнейших элементов образа простоту форм и п