Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
Характеристики общие для всех веществ в стеклообразном состоянии:
- изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях
- при нагревании не плавятся как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого состояния в высоковязкое и, наконец, в капельно-жидкое состояние, причем не только вязкость но и другие свойства изменяются непрерывно;
- расплавляются и отвердевают обратимо, т.е. выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновь приобретают первоначальные свойства (если не произойдет кристаллизация или ликвация)
Вещество в стеклообразном состоянии – твердое некристаллическое вещество, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения. (научный термин)
Стекло – материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества (технический термин) могут быть пузыри, мелкие кристаллики
По агрегатному состоянию С. занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают С. сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким.
Классификация стекол
-элементарные
- оксидные
-галогенидные
-халькогенидные
-металлические
-сульфатные и т.д.
Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Промышленное значение имеет стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами – способен оставаться в твердом состоянии до 37000С, имеет низкую плотность 1500 кг/м3
Оксидные стекла представляют собой широкий класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды: SiO2; GeO2; B2 O3; As2O3
Большая группа оксидов образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов.
Промышленные составы стекол содержат как правило не менее 5 компонентов, а специальные оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.
Однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния SiO2 широко используется в технике и быту, является наиболее простым по составу
Двухкомпонентные – бинарные щелочносиликатные стекла – так называемые растворимые (жидкие) стекла имеют большое промышленное значение
Многокомпонентные оксидные стекла.
Основу промышленных стекол – оконного, архитектурно-строительного, сортового, автомобильного тарного и других – составляют композиции тройной системы Na2O(K2O)-CaO- SiO2 при массовых содержаниях Na2O – 10…25%; CaO- 0…10% SiO2 – 60…80%
MgO – способствует снижению склонности к кристаллизации
Al2O3 – повышает химическую стойкость
| Химический состав | |||||||||||
| Стекло | SiO2 | B2О3 | Al2O3 | MgO | CaO | BaO | PbO | Na2O | K2O | Fe2O3 | SO3 |
| Оконное | 71,8 | — | 4,1 | 6,7 | — | — | 14,8 | — | 0,1 | 0,5 | |
| Тарное | 71,5 | — | 3,3 | 3,2 | 5,2 | — | — | — | 0,6 | 0,2 | |
| Посудное | — | 0,5 | — | 7,45 | — | — | 0,05 | — | |||
| Хрусталь | 56,5 | — | 0,48 | — | — | 0,02 | — | ||||
| Оптическое | 41,4 | — | — | — | — | — | 53,2 | — | 5,4 | — | — |
| Жаростойкое | 57,6 | — | 7,4 | — | — | — | — | — | |||
| Термостойкое | 80,5 | — | 0,5 | — | — | — | — |
Для изготовления художественных изделий обычно употребляют известково-натриевое, известково-калиево-натриевое и свинцово-калиевое силикатные стекла.
Бессвинцовые и свинцовые силикатные стекла, обладающие высоким коэффициентом преломления, повышенной плотностью и хорошими данными при механической обработке принято называть хрустальными. Наибольший интерес вызывает свинцовый хрусталь (содержание оксида свинца – 15…20% малосвинцовый хрусталь; 30…35% - обычный хрусталь; 40…60% - тяжелые свинцовые стекла для ювелирки).
Свойства стекол:
В твердом состоянии
Плотность оконного стекла – 2500 кг/м3
Кварцевое 2200 кг/м
Плотность стекол содержащих оксиды свинца, титана и др. достигает 7500 кг/м
При повышении температуры от 20 до 1300 гр.С плотность большинства стекол уменьшается на 6-12% (на 15 кг/м.куб на каждые 100 град)
Значения плотности закаленных и отожженных стекол различаются на 8-9 единиц второго знака после запятой. При отжиге плотность стекла увеличивается. Быстро охлажденное стекло имеет плотность меньшую, чем охлажденное медленно. В закаленном стекле зафиксирована структура высокотемпературного расплава, которая является более объемной по сравнению со структурой тщательно отожженного стекла. После отжига уменьшается объем и растет плотность стекла. Таким образом, плотность стекла зависит от его «теплового прошлого», влияющего на строение стекла, степень разрыхленности строения.
Плотность γ г/см3
| Материал | γ | Материал | γ |
| Сталь | 7,85 | Чугун | 7,2--7,6 |
| Сталь инструмент. | 8,03--8,87 | Латунь | 8,3--8,6 |
| Серебро | 10,5 | Асбест листовой | 1,2--2,5 |
| Алюминий | 2,65 | Бумага плотная | 1,5 |
| Алюмин.сплавы | 2,55--2,89 | Войлок технич. | 0,37 |
| Баббит | 7,42--10,5 | Сплав Вуда | 9,7 |
| Бронзы оловянист. | 8,69--9,1 | Графит | 2,23 |
| Бронзы безоловян. | 7,5--9,4 | Припой Пос-61 | 8,5 |
| Золото | 19,26 | Ртуть | 13,54 |
| Ванадий | 5,7 | Сера | 1,96 |
| Висмут | 9,8 | Сурьма | 6,69 |
| Вольфрам | 19,1 | Селен | 4,79 |
| Магний | 1,74 | Кремний | 2,33 |
| Медь | 8,94 | Кожа | 0,86--1,02 |
| Молибден | 10,2 | Бетон строит. | 1,73 |
| Марганец | 7,4 | Каучук | 0,92--0,96 |
| Калий | 0,86 | Резина | 1,3--1,8 |
| Натрий | 0,97 | Стекло строит. | 2,6 |
| Никель | 8,9 | Эбонит электротех. | 1,25 |
| Нихром | 8,2 | Текстолит | 1,3--1,4 |
| Олово | 7,3 | Гетинакс | 1,3--1,4 |
| Палладий | 12,02 | Полиэтилен | 0,92--0,98 |
| Платина | 21,4 | Полистирол блочн. | 1,1 |
| Свинец | 11,34 | Фторопласт | 2,14--2,3 |
| Тантал | 16,6 | Фанера | 0,6--0,85 |
| Титан | 4,5 | Дерево 15% влажн | 0,5--0,7 |
| Хром | 7,1 | ||
| Цинк | 7,13 | ||
| Цирконий | 6,45 |
Пористость
За исключением теплоизоляционных и звукопоглащающих стекол отсутсвует
Упругость стекол 48х103…12х104 МПа
Стекло – изотропный материал, вследствие чего его упругие свойства не зависят от направления действия сил. В области температур ниже Tg стекло, вплоть до разрушения, испытывает только упругую деформацию.
| Материал | Е, МПа | Е, кгс/см² |
| Алюминий | 713 800 | |
| Вода | ||
| Дерево | 102 000 | |
| Кость | 305 900 | |
| Медь | 1 020 000 | |
| Резина* | ||
| Сталь | 2 039 000 | |
| Стекло | 713 800 |
Прочность
Предел прочности на изгиб -0,03-0,12 ГПа
На сжатие 0,5-2,5 ГПа
На растяжение 3,5х10-2 – 8,5х10-2 ГПа
С. типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у С. такое же, как у чугуна.
Прочность закаленного стекла при прочих равных условиях в 3-4 раза выше прочности отожженного. Значительно повышает прочность стекол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин)
Для повышения прочности С. подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности С. происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия, химическая 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 плёнка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин.
Твердость
4000-10000 МПа
По шкале Мооса твердость стекол составляет 6-7, что находится между твердостью апатита и кварца.
| Твёрдость по Моосу | Эталонный минерал | Абсолютная твёрдость | Изображение | Обрабатываемость | Другие минералы с аналогичной твердостью |
| Тальк (Mg3Si4O10(OH)2) | Царапается ногтем | Графит | |||
| Гипс (CaSO4·2H2O) | Царапается ногтем | Галит, хлорит, слюда | |||
| Кальцит (CaCO3) | Царапается медной монетой | Биотит, золото, серебро | |||
| Флюорит (CaF2) | Царапается ножом, оконным стеклом | Доломит, сфалерит | |||
| Апатит (Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)) | Царапается ножом, оконным стеклом | Гематит, лазурит | |||
| Ортоклаз (KAlSi3O8) | Царапается напильником | Опал, рутил | |||
| Кварц (SiO2) | Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло | Гранат, турмалин | |||
| Топаз (Al2SiO4(OH-,F-)2) | Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло | Берилл, шпинель, аквамарин | |||
| Корунд (Al2O3) | Поддаётся обработке алмазом, царапает стекло | Сапфир, рубин | |||
| Алмаз (C) | Режет стекло |
Хрупкость
Материалы из стекла относятся к хрупким
Хрупкость – свойство твердых материалов разрушаться под действием возникающих в них напряжений без заметной пластической деформации.
Хрупкость характеризует неспособность материала к релаксации напряжений, возникающих в нем при деформации изделий. По мере роста внешних усилий прочности внутренние напряжения также растут и достигают предела прочности, после чего материал разрушается. Хрупкое разрушение является наиболее опасным по сравнению с другими видами разрушений, поскольку оно характеризуется высокой скоростью развития и происходит при относительно небольшой деформации, которая предшествует разрушению.
В общем случае проявление материалом хрупкости зависит от соотношения между длительностью действия мгновенно приложенной внешней силы (удара) и скоростью релаксации возникших в теле напряжений. Струя жидкости ведет себя, как хрупкое тело при мгновенном воздействии пули. Даже образующиеся при этом брызги имеют мгновенную форму твердых осколков. При более длительном воздействии усилий струя жидкости ведет себя, как материал, находящийся в вязкотекучем состоянии. Стекло приобретает хрупкость при значениях вязкости выше 1012,3 Па·с и температурах ниже Tg.
Мерой хрупкости материала является сопротивление удару – удельная ударная вязкость а н, кН/м, определяемая как работа ударного излома А н, отнесенная к площади поперечного сечения образца S, т. е. а н = A н/ S. Для силикатных стекол ударная вязкость может изменяться в пределах от 1,5 до 2 кН/м. По сравнению с металлами ударная вязкость стекол исключительно мала (примерно на два порядка). Состав стекла заметно влияет на ударную вязкость. Введение MgO, В2О3 (до 15 %), А12О3, ZrO2, SiO2 в состав натриево-кальциево-силикатных стекол способствует увеличению ударной вязкости на 5-20 %.
В области низких температур (ниже температуры стеклования) стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалам, т.е. способно разрушаться под действием механических напряжений без заметной пластической деформации.
Характеризуется прочностью на удар, которую определят работой удара, отнесенной к единице объема разрушаемого материала, назвываемую удельной ударной вязкостью. Для силикатных стекол ударная вязкость - 1,5…2 кН/м что на 2 порядка ниже чем у металлов
Теплофизические свойства стекла
Теплоемкость (количество теплоты потребляемое при нагреве на 1 градус) 0,3…1,05 кДж/(кг*К). С повышением температуры до tg (температура стеклования 400…6000С) теплоемкость увеличивается незначительно, в интервале tg – tf быстро возрастает.
Теплопроводность (способность вещества проводить теплоту в градиентном температурном поле). Коэффициент пропорциональности λ, определяемый природой материала, называется коэффициентом теплопроводности. Средний коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла проходит в 1 с через пластинку толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур 1 ºС.Коэффициент теплопроводности стекла 0,7…1,3 Вт/(м*К). Стекло является плохим проводником теплоты.
Термическое расширение тел.
Нагревание тела при постоянном объеме вызывает увеличение линейных размеров и объема. Термическое расширение характеризуется объемным и линейным коэффициентами температурного расширения. Истинные значения определяют как дифференциальные величины, учитывающие приращение размеров тела при повышении температуры.
β= 1 (ΔV)
V0 (Δ t)
α= 1 (Δl)
l0 (Δ t)
V0; l0 – начальные объем и длина тела
На практике пользуются средними значениями коэффициентов, вычисленными в некотором интервале температур от 0…1000С; 100…2000С и т.д.
β= 1 dV
V0 d t
Экспериментально проще определять температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР, чем объемный. Поскольку стекло является изотропным телом, то с хорошим приближением β ≈3* α
Так, например, стекло, выпускаемое компанией Spectrum Glass, при изменении температуры на 1°С изменяет свои размеры на 0,000000096% (что равнозначно КТР = 96×10-7 1/°С). Для практических целей коэффициент теплового расширения указывается в условных единицах. Например, если точное значение КТР = 96×10-7 1/°С, то для простоты считают, что КТР равен 96.
Совместимость — это условная характеристика, означающая, что различные марки стекла имеют одинаковую или близкую по значению степень расширения при нагревании (сжатия при охлаждении), а также некоторые другие параметры. Если стеклянные элементы несовместимы, то это приведет к росту и сохранению внутренних напряжений в стекле, что, в свою очередь, увеличивает риск образования трещин или полного разрушения изделия при охлаждении.
Чтобы сделать вывод о совместимости различных марок стекла, обычно сравнивают их коэффициенты теплового расширения — КТЛР (в английском языке используют аббревиатуру СОЕ, от Coefficient Of Expansion). KTЛP — это количественная характеристика относительного изменения линейных размеров стекла при изменении температуры на 1°С. Так, например, стекло, выпускаемое компанией Spectrum Glass, при изменении температуры на 1°С изменяет свои размеры на 0,000000096% (что равнозначно КТР = 96×10-7 1/°С). Для практических целей коэффициент теплового расширения указывается в условных единицах. Например, если точное значение КТР = 96×10-7 1/°С, то для простоты считают, что КТР равен 96.
Чтобы облегчить художникам подбор стекла по совместимости, компания Spectrum Glass разработала так называемую Систему совместимости стекла, известную как System 96. В настоящее время, многие производители витражного стекла тоже стали придерживаться этой системы как отраслевого стандарта. Так, в частности, компания Uroboros — производитель широкого ассортимента стекла с коэффициентом теплового расширения 90, начала выпуск марок стекла с характеристиками, соответствующими стандарту System 96.
Следует отметить, что большинство электрических ламп изготовлено из стекла с КТР, равным 90. Это позволяет использовать бой стекла использованных электроламп совместно с другими марками стекла с таким же коэффициентом теплового расширения.
Использование стекла с различными КТР в одном изделии может привести к разным результатам. В случае критической разности коэффициентов напряжения в стекле могут возникнуть еще на этапе отжига, в результате чего изделие лопнет. При незначительной разнице коэффициентов теплового расширения места стыков деталей из стекла разных марок будут покрыты мельчайшими трещинками, которые являются результатом сохранения остаточного напряжения. Это может привести к отторжению стеклянных элементов, к разрушению одного из них или обоих, причем как после полного остывания, так и спустя довольно продолжительное время. Haиболее известные компании, производящие витражное стекло, обычно имеют в своем ассортименте проверенную на совместимость серию стекла.
Кроме коэффициента теплового расширения, важными, но не критичными параметрами совместимости стекла являются его вязкость и близость температур плавления. Вязкость стекла определяет количество времени, необходимое для перехода из твердого состояния в расплавленное при заданной температуре. По степени вязкости стекло подразделяют на твердое и мягкое.
Мастер, конечно, может ограничить свой выбор только одним производителем, но это едва ли целесообразно. Поэтому художник должен обязательно знать и уметь применять некоторые методы испытания стекла на совместимость.