Свойства стекла
Физико-механические особенности. Физические особенности характеризуют его способность и состояние материала реагировать на действия окружающей среды, не воздействующие на состав материала. Механические особенности — это свойство материала сопротивляться деформациям и разрушению под действием внешних приложенных сил.
Разглядим фундаментальные физико-механические особенности стекла.
Прочность — свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям, появляющимся в следствии действия внешних нагрузок. Напряжение, при котором материал разрушается, именуется пределом прочности.
В зависимости от характера прилагаемой нагрузки различают прочность на растяжение и сжатие.
Предел прочности стекла при сжатии R характеризуется разрушающей силой сжатия F, действующей на поперечное сечение 5 примера, R—F/S, Па. Предел прочности при сжатии для стекол разных видов от 500 до 2000 МПа, к примеру хрустального 700 …800 МПа, чугуна 600… 1200, некоторых видов стали 2000 МПа. На прочность стекла воздействует его состав: оксиды бора и кальция СаО и В203 повышают прочность в основном, чем оксиды алюминия и свинца РЬО и А1203; такие оксиды, как MgO, ZnO и Fe203, фактически не изменяют прочности стекла.
Стекло трудится на растяжение хуже, чем на сжатие: прочность стекла на растяжение 35… 100 МПа, т. е. в 15… 20 раз меньше, чем на сжатие. Исходя из этого области применения стекла при разных механических нагрузках определяют в зависимости от предела прочности при растяжении.
Прочность на растяжение больше зависит от состояния поверхности, чем от состава: наличие на поверхности повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4… 5 раз. Исходя из этого поверхность стекла при необходимости защищают кремнийорганическими пленками.
Хрупкость — свойство жёстких тел разрушаться при механическом действии. Хрупкость зависит от условий состояния испытаний и структурного тела. Состав стекла незначительно воздействует на хрупкость.
К примеру, при повышении в составе стекол В20з, Si02, АЬ03 и MgO их хрупкость пара понижается. Значительно больше на хрупкость стекол воздействуют однородность (чем менее в стекле посторонних включений, тем более оно однородно и тем ниже его хрупкость), толщина и конфигурация стенок изделий.
Твердость — свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более жёсткого материала. Это величина относительная, поскольку твердость одного материала оценивается по отношению к второму.
Самый несложный способ определения твердости — это сопоставление ее с твердостью минералов, включенных в шкалу твердости. В данной шкале 10 минералов расположены по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и заканчивая бриллиантом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его минералами, входящими в шкалу.
Но этЬт способ не разрешает оценивать твердость для того чтобы хрупкого материала, как стекло, которое растрескивается на протяжении опробования. Исходя из этого твердость стекла характеризуют микротвердостью.
Микротвердость определяют методом вдавливания при заданной нагрузке алмазной пирамиды в стекло и рассчитывают по формуле Н= 1,854 P/D2, где Н — микротвердость, МПа; Р — нагрузка, МН; D — диагональ отпечатка пирамиды на стекле, мм. Микротвердость стекол 480… 10 000 МПа. К более жёстким относятся малощелочные боросиликатные стекла с содержанием В2О3 до 10… 12%.
Стекла с громадным содержанием щелочных оксидов имеют намного меньшую твердость.
Одним из способов опробования твердости стекла есть способ шлифования, либо абразивной твердости. Твердость по этому способу определяют в зависимости от скорости сошлифо-вывания единицы поверхности примера CTeiyia при определенных условиях шлифования. Применяя данный способ, возможно подобрать соответствующий абразивный материал, снабжающий полирования и процесса наивысшую производительность шлифования, и установить влияние разных факторов на скорость сошлифовывания.
Твердость стекол, соответственно, и свойство к механической обработке зависят от состава стекла. Самый легко обрабатываются свинцовые силикатные стекла, т. е. хрустальные. И чем выше содержание оксида свинца в составе стекла, тем меньше упрочнений нужно приложить при шлифовании для того чтобы стекла, снабжая наряду с этим высокий уровень качества поверхности.
Теплоемкость — отношение количества теплоты, информируемой телу при вечно малом трансформации его состояния в каком-либо ходе, к соответствующему трансформации температуры этого тела. Количество теплоты, нужное для нагрева единицы массы тела на 1°, именуется удельной теплоемкостью. Выражатся она в джоулях на килограмм-кельвин: Дж/(кг-К).
Теплоемкость стекла определяется его химическим составом. Для стекол разных составов удельная теплоемкость при комнатной температуре образовывает 0,33… 1,05 Дж/(кг-К). Для сравнения можно подчернуть, что удельная теплоемкость меди 0,38 Дж/(кг-К), серебра —0,21, свинца —0,12 Дж/(кг-К).
Тяжелые оксиды типа РЬО, ВаО, в большинстве случаев, понижают теплоемкость стекол, легкие Li20 повышают ее.
Стекла, владеющие пониженной теплоемкостью, остывают существенно медленнее, чем стекла с повышенной теплоемкостью. С увеличением температуры теплоемкость возрастает, причем до температуры начала размягчения стекла незначительно, а при пластичном состоянии стекла начинает возрастать стремительнее. Повышение теплоемкости с увеличением температуры отмечается у стекол и в расплавленно-жидком состоянии.
Теплопроводность — свойство материала пропускать теплоту через собственную толщу от одной поверхности к второй, в случае если у этих поверхностей различная температура.
Теплопроводность вещества характеризуется коэффициентом теплопроводности X, что показывает, какое количество теплоты в джоулях способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на поверхности 1 К в течение 1 с. Коэффициент теплопроводности выражается в ваттах на метр-кельвин [1 ккал/(ч-м-К) = = 1-163 Вт/(м-К)]. Стекло не хорошо проводит теплоту, коэффициент теплопроводности стекла 0,95 …0,98 Вт/(м-К).
Громаднейший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло. При замене Si02 любыми вторыми оксидами теплопроводность понижается.
С увеличением температуры теплопроводность стекол возрастает; так, при нагревании стекла до температуры начала его размягчения коэффициент теплопроводности увеличивается приблизительно вдвое.
Температура начала размягчения — это температура, при которой изделие из стекла начинает деформироваться. Температуру начала размягчения нужно знать при обработке стекла — оплавлении края изделий, термическом полировании, стеклодувных работах. Наибольшей температурой размягчения владеет кварцевое стекло— 1200 … 1500 °С; сортовые стекла начинают размягчаться при 550 … 650 °С.
Температура начала размягчения определяется химическим составом стекла: тугоплавкие оксиды (ЭЮг, AI2O3) повышают ее, легкоплавкие (NajO, К2О) понижают.
Термическое расширение — изменение размеров тела в ходе его нагревания. Термическое расширение характеризуется термическими коэффициентами объемного р и линейного а расширения. Для характеристики расширения жёстких тел чаще пользуются термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).
Тепловое расширение стекол имеет громадное значение при изготовлении сортовых накладных изделий. Соединяемые стекла необходимо подбирать так, дабы они имели родные ТКЛР, в противном случае в шве появятся напряжения и изделие может разрушиться.
ТКЛР стекла в значительной мере зависит от его состава: щелочные оксиды увеличивают его; тугоплавкие типа Si02, AI2O3, а также В203, в большинстве случаев, понижают.
Термостойкостью именуется свойство стекла выдерживать резкие перепады температур без разрушения.
В отличие от вторых тепловых особенностей термостойкость есть свойством изделия и зависит не только от особенностей материала, из которого оно сделано, но и от интенсивности теплоотдачи на поверхности примера, качества данной поверхности, и геометрических размеров примера.
Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплоёмкости и теплопроводности и в основном от коэффициента теплового расширения. Дабы уяснить эти зависимости, проанализируем обстоятельства разрушения стекла при нагревании и резком охлаждении. В то время, когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся сжаться.
Этому мешают внутренние слои, остывающие медлительно в силу малой теплопроводности стекла. Напряжения, образующиеся между внутренними слоями и наружными, приводят к разрушению стекла. То же происходит и при резком нагревании стекла.
Лишь при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше появляется напряжений и тем меньше его термостойкость.
Состав стекла в значительной мере определяет ого термостойкость: оксиды, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и напротив.
Громаднейшей термостойкостью владеет кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000 °С. Термостойкость сортовых стекол 80… 90 °С.
Оптические особенности. Оптические особенности характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его молекулярного строения. Блеск хрустального стекла, игра света на его гранях разъясняются совместным проявлением разных оптических особенностей.
Преломление света — это изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред.
Отражение света — возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с разными показателями преломления в первую среду. Отношение потока излучения, отраженного данным телом, к потоку, упавшему на него, именуется коэффициентом отражения. Коэффициент отражения возрастает с повышением показателя преломления, исходя из этого стекла, имеющие большой показатель преломления (которые содержат оксиды тяжелых элементов), имеют и повышенный коэффициент отражения.
Дисперсия света является разложениемсвета в спектр при преломлении. Благодаря разного преломления пучок света, проходя через стеклянную призму, разлагается на Цветные лучи: красный, оранжевый, желтый, зеленый, светло синий, светло синий, фиолетовый.
Чем больше различие в показателях преломления для различных Длин волн, тем шире получается спектр, на что раскладывается падающий световой луч, а следовательно, шире и заметнее полосы отдельных цветов.
Дисперсия зависит от состава стекла; она возрастает при повышении в стекле тяжелых оксидов, к примеру РЬО, чем и разъясняется игра света в хрустальных изделиях.
Поглощение света — уменьшение интенсивности света проходящего через среду, благодаря сотрудничества его с частицами среды. При падении светового пучка на поверхность прозрачного тела часть света отражается, часть проходит через него, преломляясь, а часть поглощается стеклом В большинстве случаев, поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений — красителей, вызывающих избирательное поглощение лучей определенной длины волны.
Благодаря этого стекло выглядит окрашенным. Поглощение снижает неспециализированную светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла образовывает приблизительно 88%). Дабы стекло было прозрачным, в сырьевых материалах не должно быть примесей, каковые приводят к поглощению света.
Рассеяние света — отклонения распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Рассеяние света зависит по большей части от однородности поверхности и состояния стекла его массы. В случае если поверхность стекла шероховата либо в его массе находятся инородные включения, то луч света, падая на них, частично рассеивается. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным.
Рассеивающими стеклами пользуются при изготовлении светотехнической арматуры (абажуры, колпаки, плафоны).
Игра света на гранях хрустального изделия основана на совместном проявлении преломления, дисперсии, отражения. Рисунок, что наносят при гравировании на изделия из хрусталя, составляется из последовательности полных и усеченных призм с наклонными стенками. Эти призмы разлагают падающий свет на цвета, составляющие спектр. Наличие на поверхности изделий клинообразных прорезов, являющихся в сечении верными треугольными призмами, содействует дисперсии света.
Призмы, образуемые прорезами клиновидного профиля, разлагают белый свет на составляющие цвета, и чем выше показатель преломления хрусталя, т. е. чем больше оксида свинца содержится в таком стекле, тем посильнее радужная игра света на поверхности грани. Этот эффект употребляется при производстве хрустальных подвесок, имеющих четкую геометрическую огранку и применяемых при изготовлении люстр.
Расстояние между соседними прорезями, каковые нужно сделать для большей игры света, устанавливают в зависимости от радиуса кривизны изделия в местах нанесения линий резьбы, толщины стенок изделия, глубины прорезаемых линий, угла падения света на грани рисунка, показателя преломления стекла.
Участки изделия между двумя соседними линиями резьбы возможно разглядывать как призму, преломляющую свет. В следствии на плоскостях нанесенного рисунка дисперсия света появляется в виде многоцветных огоньков-искорок в стекле. Большой блеск возможно взять при однократном полном внутреннем отражении в стекле.
Многократное внутреннее отражение света не содействует игре света на гранях рисунка, поскольку наряду с этим происходит частичное поглощение света.
В случае если пара клинообразных прорезов расположены параллельно друг другу, то при наличии острого угла между плоскостями клинообразного прореза они являются плоскостями полного внутреннего отражения. Клинообразные прорези с тупым углом не отражают света, и грани, образованные такими плоскостями, не создают никакого оптического результата.
Химические особенности материала характеризуют его свойство к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми он соприкасается. Для изделий из стекла, каковые в ходе эксплуатации испытывают действие разных веществ, крайне важно такое свойство, как химическая стойкость.
Химической стойкостью стекла именуют его свойство противостоять разрушающему (агрессивному) действию воды, растворов солей, жидкости и газов атмосферы, и действию растворов разных химических реагентов (агрессивных сред).
Стойкость стекла зависит от его природы и химического состава действующего агента. Так, стекло, стойкое к действию воды либо растворов кислот, может разрушаться от действия щелочных растворов либо растворов некоторых солей.
При действии воды либо жидкости воздуха на силикатное стекло находящиеся на поверхности силикаты металлов гидро-лизуются. Силикаты щелочных металлов наряду с этим распадаются на гель и едкую щёлочь кремниевой кислоты. Потом гидроксиды щелочных металлов реагируют с углекислым газом, содержащимся в воздухе.
Продукты реакции, со своей стороны, растворяются в действующей на стекло влаге и образуют щелочной раствор. В случае если поверхность изделий открыта и вольно омывается водой, то щелочной раствор с нее стекает. Благодаря этого поверхностный слой стекла выщелачивается. На нем создается пленка из геля кремнекислоты, которая со временем утолщается и уплотняется, защищая стекло от предстоящего гидролиза.
В таких условиях выщелачивание стекла неспешно замедляется.
В противном случае разрушаются боратные либо фосфатные стекла, не которые содержат кремнезема. Стойкость таких стекол многократно уступает стойкости силикатных и определяется скоростью их растворения в том либо другом реагенте. В большинстве случаев, никакой защитной пленки, тормозящей предстоящий процесс разрушения стекла, не образуется.
Химическую стойкость стекла определяют по разности массы примера до и по окончании опыта. Для этого приготовляют порошок из испытываемого стекла либо массивный пример стекла. Сперва пример либо порошок взвешивают, после этого подвергают кипячению в агрессивной среде. Значительно чаще опробования выполняют в растворах NaOH, Na2C03, H2S04 и в дистиллированной воде.
По окончании опыта пример высушивают и взвешивают на аналитических весах. Утрата в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.
Химическую стойкость определяют кроме этого числом кислоты (НС1), отправившейся на титрование раствора, которым было обработано испытуемое стекло: чем больше израсходовано кислоты, тем меньше химическая стойкость стекла. В зависимости от количества кислоты (л), расходуемой на титрование навески стекла 5 г, различают следующие пять гидролитических классов: I — 0… 0,32, II — 0,32—0,65, III —0,65 …2,8, IV — 2,8 …6,5, V — 6,5 и более. К I гидролитическому классу относится кварцевое стекло, к III — большая часть стекол.
Как мы знаем, что существует определенная связь между химической стойкостью и механической прочностью. Хрустальные стекла, являясь довольно «мягкими», имеют более низкую химическую стойкость. А это значит, что утраты массы хрустального стекла при химической обработке будут тем больше, чем выше содержание оксида свинца.
Не смотря на то, что и существует яркая -зависимость между уменьшением массы при химической кислотной обработке и химической стойкостью стекла, большее влияние на убыль массы оказывает структура стекла, т. е. его состав. Так, основная обстоятельство того, что стекло с повышенным содержанием оксида свинца полируется лучше, содержится в следующем: при большем содержании оксида свинца снятие поверхностного слоя определенной толщины снабжает более стремительное выравнивание поверхностных неровностей. На этих стеклах достаточно снять небольшой слой стекла, дабы обеспечить высокий уровень качества химического полирования изделия.
