Лекция 1 История возникновения стекла. Определение стекла. Виды стекла. Классификация стекол и их состав. Стекло и его свойства
История возникновения стекла
Первое стекло (непрозрачное, почти черное) родила сама природа, и образовалось оно из раскаленной лавы, вырвавшейся на поверхность земли миллионы лет назад. Такое вулканическое стекло назвали обсидианом. В каменном веке обсидиан использовался для обработки режущих инструментов. Позднее (55 веков назад) человек научился изготавливать стекло сам.
Родиной искусственного стекла ученые называют Месопотамию и Древний Египет. Обследуя мумию царицы Хатшепсуп, археологи нашли ожерелье из крупных неровных зеленовато-черных блестящих стекляшек. Древнеегипетские стеклоделы не умели получать прозрачное стекло, ведь для этого нужна высокая температура в печи (1500°С), а для изготовления цветного стекла мастера примешивали железо, медь или марганец. Археологами в конце XIX в. недалеко от Фив были обнаружены руины древнеегипетской стекольной мастерской: остатки печей, фрагменты тиглей для плавки стекла, разрушенные стеклянные сосуды и стеклянные палочки разного цвета. В одной из пирамид древнего Египта (созданной в XIV в. до н. э.) исследователями также была обнаружена фреска, изображающая древних стеклоделов за работой. Так, ученым в общих чертах удалось восстановить технологию стеклоделия того времени.
Одним из величайших периодов в истории стекла стал период Римской империи, когда человек научился выдувать стекло и придавать стеклянным предметам желаемую форму и размер. Римляне варили стекло не на костре, а в стекловаренной печи, сложенной из камня. Поэтому им удавалось получать более высокие температуры, и стекло у них плавилось уже по-настоящему, превращаясь в ослепительно сияющую жидкость. Первые в Италии стекловарни были устроены при Цезаре в Риме, тогда же возникла и мозаика. Во времена императора Тита (конец I в. н. э.) применялись уже оконное литое стекло и стеклянные пластинки для облицовки стен. Листовое оконное стекло было большой роскошью и редкостью и применялось лишь для церквей вплоть до конца XII ст. Частные жилища у богатых римских патрициев были снабжены слюдяными окнами. В начале I в. н. э. один римский мастер сделал длинную и тонкую железную трубку с небольшим расширением на конце. На другой ее конец он насадил деревянный мундштук, чтобы защитить губы от ожога. Это простое изобретение оказалось поистине гениальным, ведь на протяжении почти двух тысяч лет все стеклянные изделия создавались при помощи этой трубки.
|
|
Раскопки свидетельствуют, что на Руси знали секреты производства стекла более тысячи лет назад, а широко эта отрасль стала развиваться в первой половине XI в.
При раскопках в слоях XI-XIII вв. обнаружено множество мастерских по производству стеклянных бус и браслетов, которые были тогда очень модными украшениями. Таким образом, первоначально стекло и изделия из него появились не как предмет первой необходимости, а как предмет искусства, роскоши.
Первое упоминание о стеклянных заводах в России относится к царствованию Алексея Михайловича. В 1635 г. близ Можайска шведом Елисеем Коэтом был построен первый в России стекольный завод, а в 1668 г. - Измайловский завод под Москвой. При Петре I на Воробьевых горах построили государственный стекольный завод.
|
|
Покрыв стекло амальгамой, человек изобрел зеркало. Сперва металлические, а потом зеркала из стекла начали встречаться в домах князей и бояр в XVII в., но довольно редко из-за поверья, приписывавшего изобретение зеркал дьяволу. Первую зеркальную фабрику в России завел в 1716 г. в Санкт-Петербурге князь Меньшиков.
В1748 г. М.В. Ломоносов организовал при Петербургской академии лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, варил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики. В1753 г. им была построена для производства цветного стекла Усть-Рудицкая фабрика под Петербургом.
Д. И. Менделееву принадлежит заслуга первой научной трактовки строения стекла. К 1913 г. в России работало уже 275 стекольных заводов. За годы Советской власти в СССР создана мощная стекольная промышленность, оснащенная совершенным оборудованием.
Определение стекла.
Что такое стекло? Стёкла, применяемые человеком на протяжении большей части своей истории являются силикатными. Но всегда ли оксид кремния необходим в составе стекла? Поскольку можно получить огромное количество стёкол, которые не содержат кремнезёма, ответ очевиден: кремнезём не является необходимым компонентом стекла.
Традиционно стекло получают охлаждением расплава, но всегда ли необходимо плавление? Нет. Можно получить стекло осаждением паров, посредством золь-гель-процессов в растворах, посредством облучения кристаллических веществ нейтронами.
Большинство обычных стёкол - неорганические и неметаллические. В настоящее время используются и органические и металлические стёкла. Таким образом, определение стекла не может основываться на химической природе материала.
|
|
Какие же признаки определяют стекло? Все известные стёкла определяются двумя основными свойствами. Во-первых, стекло не обладает упорядоченным строением атомов. Во-вторых, любое стекло характеризуется температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние.
Таким образом, стеклом называются все аморфные тела, характеризующееся температурным интервалом перехода в стеклообразное состояние и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твёрдых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в твердое обратим.
Виды стекла и их применение
В зависимости от используемых компонентов в составе шихты, разделяют виды стекла:
Кварцевое. Изготавливается из одного компонента – кремнезема. Обладает высокими термостойкими качествами: устойчиво к высокой температуре (до 1000 °С) и термоудару, пропускает видимый и ультрафиолетовый спектр излучения. Производство связано с высокими энергетическими затратами, поскольку кремнезем (силикатное стекло) - тугоплавкое сырье и плохо поддается формовке. Основные сферы применения – химическая и лабораторная посуда, части оптических систем, ртутные лампы и пр.
Натриево-силикатное. Изготавливается из двух компонентов, состав стекла – силикатный песок и сода (3:1). По своим свойствам имеет широкое применение в промышленности в качестве компонента какого-либо процесса, но не применяется в других сферах, изделия из него не изготавливаются. Основной недостаток – растворяется в воде.
Известковое. Самый распространенный вид материала, из которого производится большинство изделий – листовое стекло, стеклотара, зеркальное полотно, посуда и многое другое.
Свинцовое. В классический состав стекла (шихты) пропорционально добавляется оксид свинца. Свинцовое стекло отличается повышенными диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве лучшего изолирующего состава в телевизионных трубках, осциллографах, конденсаторах и пр. Наличие свинца в стеклянной массе придает материалу дополнительный блеск, сверкание, что часто используется при изготовлении художественных изделий, посуды и т. д. Хрусталь – один из видов свинцового стекла.
Боросиликатное. Добавка оксида бора в состав материала увеличивает его устойчивость к термическому удару до 5 раз, существенно улучшаются химические свойства. Боросиликатное стекло используется для изготовления труб и лабораторно-химической посуды, изделий для бытовых нужд. Масштабным примером использования служит зеркало, созданное на основе боросиликатного стекла для крупнейшего в мире телескопа.
Прочие виды стекла – алюмосиликатные, боратные, цветные и др.
Виды оконных стекол
Оконное стекло самый востребованный вид материала. Оно пропускает солнечный свет, осуществляет теплоизоляцию зимой и летом, препятствует проникновению шума, эстетически оформляет оконный проем и выполняет еще множество функций. На сегодняшний день существует широкий выбор видов стекла, каждый из которых отвечает определенным требованиям:
Энергосберегающее. Вид стекла, тонированного в массе или покрытого специальной пленкой, которая обеспечивает проникновение в помещение коротковолнового солнечного излучения, а длинноволновое излучение отопительных приборов из помещения не выпускается. Второе название – селективное стекло. На сегодняшний день разработано несколько типов покрытий. Наиболее перспективными являются – К-стекло (нанесение окислов металлов на поверхность) и i-стекло (вакуумное многослойное напыление серебра - диэлектрика).
Солнцезащитное. Снижает пропускание солнечного света в помещение. Разделяют на два вида – отражающее и поглощающее. Эффект достигается либо тонировкой стекла в массе при варке, либо нанесением специальной пленки на поверхность. Декоративное. Оконное стекло с дополнительными эстетическими характеристиками – узорчатое, цветное и т. д.
Безопасные стекла
Одним из отрицательных качеств стекла является его хрупкость, существуют технологии упрочнения материала. Самые распространенные виды:
Армированное. Листовое стекло, при формовке которого в массу внедряется металлическая сетка. Сфера применения – производственные помещения, уличные осветительные приборы, облицовка лифтовых шахт и т. п.
Ламинированное или триплекс. Два или больше стекол скрепляются между собой специальной пленкой или жидкостью. Этот вид материала существенно снижает уровень шума в помещениях. Также при использовании дополнительных светофильтров при ламинации способно выполнять солнцезащитные функции. Триплекс обладает повышенной механической устойчивостью, при разбивании полотна осколки остаются прикрепленными к пленке, что делает его максимально безопасным для применения при фасадном, балконном, оконном, дверном остеклении.
Огнестойкое. Чаще всего производится по технологии ламинации специальными пленками, которые при температуре свыше 120 °С меняют свои физические свойства и, расширяясь, становятся матовыми, придавая стеклу жесткость.
Защитное. Представляет собой многослойный материал, состоящий из нескольких видов стекла, скрепленного полимерной пленкой. Например, силикатное стекло скрепляется с поликарбонатом и органическим стеклом. Такой светопрозрачный блок устойчив к механическим, химическим, ударным повреждениям. К защитным видам стекла относятся пулестойкое, ударостойкое, устойчивое к пробиванию и другие типы.
Закаленное. Обладает высокими прочностными характеристиками. Эффект обеспечивает технология производства стекла - в специальной тоннельной печи листы краткосрочно подвергаются воздействию высокой температуры и быстро охлаждаются. При разбивании закаленное стекло рассыпается на мелкие осколки, не несущие угрозы жизни и здоровью. Недостатком является невозможность механической обработки закаленного полотна, при малейшем воздействии оно разрушается. Большинство изделий из закаленного стекла сначала формуются, режутся или обрабатываются иным способом и только после этого проходят закалку.
Таблица 1. Химический состав некоторых промышленных стекол
| Стекло | Массовое содержание, % | ||||||||
| SiO2 | Аl2O3 | Fе2О3 | СаО | МgO | Na2O | К2O | SO3 | ZnO | |
| Листовое: | |||||||||
| лодочное ВВС | 71,8...72,4 | 1,8...2,2 | 0,2 | 6,4...6,7 | 3,8...4,2 | 14,5...14,9 | 0,5...1,5 0,5 | 0,5 | - |
| безлодочное | 72,0…72,8 | 1,5...1,8 | 0,1 | 8,0...8,1 | 3,5...3,8 | 13,4...13,7 | - | - | |
| Тарное: | |||||||||
| бесцветное БТ-1 | 70,5...73,5 | 1,4...3,4 | 0,1 | 9,7...12,3 | 13,0...15,0 | 0,5 | - | ||
| полубелое ПТ-1 | 69,4...73,4 | 1,5...3,5 | 0,5 | 9,7...12,3 | 13,3...15,1 | 0,4 | - | ||
| зеленое ЗТ-1 | 67,3...73,3 | 1,7...4,7 | 0,8 | 9,7...12,3 | 12,4...15,2 | 0,3 | - | ||
| коричневое КТ-1 | 69,4...73,1 | 1,5...4,1 | 0,5 | 9,7...12,3 | 12,4...15,2 | 0,3 | - | ||
| Глушенное: | |||||||||
| фтором | 67,5...69,0 | - | - | 6,0...7 | - | 4,5...6,5 | 4,3...5 | - | - |
| фосфором | 64,0...66,0 | - | - | 1,0...2,0 | - | 5,0...13,0 | 5,0...15 | - | 4...8 |
| Хрусталь: | |||||||||
| свинцовый | 58,0 | - | РbО 24,0 | 2,0 | - | - | 15,0 | - | 1,0 |
| бариевый | 58,0 | - | - | - | ВаО 24,0 | 3,0 | 15,7 | - | 5,0 |
Кремнезем SiO2 - главная составная часть всех силикатных стекол; в обычных стеклах его концентрация составляет 70...73% по массе*. (* Здесь и далее все составы стекол приводятся в % по массе.) Он повышает вязкость и тугоплавкость стекломассы, улучшает химические и физические свойства стекла, повышает прочность, химическую и термическую стойкость, снижает плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показатель светопреломления.
Оксид алюминия Аl2O3 (глинозём) повышает тугоплавкость, вязкость и температуру размягчения, поверхностное натяжение расплава стекла, улучшает механические свойства, теплопроводность, химическую стойкость, снижает ТКЛР.
Оксид бора В2O3 снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо- и химическую стойкость, улучшает химические свойства.
Оксиды щелочных металлов (Na2O, К2O, Li2O) играют роль плавней, снижая температуру плавления стекольной шихты и вязкость расплава. В обычных стеклах концентрация их не превышает 14...15 %. Они повышают плотность, ТКЛР, диэлектрическую проницаемость и снижают химическую стойкость, электросопротивление стекла.
Поташ К2СO3 придает стеклу чистоту, блеск, прозрачность, увеличивая его светопреломление и применяется для производства лучших сортов стекла, в частности хрусталя - одного из видов стекла, используемого для высокохудожественных светильников.
Оксиды СаО, МgO, ZnО и РbО повышают механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшают внешний вид стеклоизделий.
СВОЙСТВА СТЁКОЛ
Важными свойствами стёкол являются
1. Механические
2. Термические
3. Электрические
4. Оптические
1.Механические свойства:
1. Плотность
2. Упругость
3. Прочность
4. Твердость
5. Хрупкость
Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле
p = m/V, где р — плотность; г/см3; m — масса, г; V — объем, см3.
Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см3. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см3 в частности оконное - стекло 2,55 г/см3. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.
Значения плотности стекол (г/см3) существенно зависят от состава. Плотность различных стекол колеблется в широких пределах от 2,2 до 6,5 г/см3 и выше. Кварцевое стекло имеет плотность 2,2 г/см3, а обычное листовое стекло – около 2,5 г/см3. Наибольшей плотностью обладает стекло, содержащее оксид свинца или оксид бария. Так, например, плотность стекла, содержащего 80 % PbO близка к 8 г/см3, т.е. больше плотности чугуна (около 7,1 г/см3).
Для быстрого определения плотности образец помещают в жидкость, более плотную, чем стекло, и нагревают её до тех пор, пока образец не окажется взвешенным в жидкости. Зная температуру, можно найти плотность жидкости и равную ей плотность стекла.
Плотность стекла уменьшается с повышением температуры в результате его термического расширения. Обычно промышленные стёкла имеют плотность порядка 2,5 х 103 кг/куб.м.
Упругость
Твердые тела при нагрузке деформируются. Упругая деформация - деформация, исчезающая после прекращения действия нагрузки. Пластическая деформация – деформация, остающаяся после снятия нагрузки.
Твёрдые тела испытывают упругие деформации. Для характеристики упругих свойств стекла, используют понятие модуля упругости.
Если приложить к стеклянному стержню, имеющему длину L и площадь сечения S, нагрузку Р, то удлинение ΔL при упругом удлинении стержня можно рассчитать по формуле:
ΔL = PL/ ES, где
Е – модуль упругости, измеряемый в МПа. Чем больше значение Е, тем меньше будет ΔL при равных Р, L и S. Модуль упругости различных технических стёкол изменяется в пределах 480 – 830 МПа. При повышении температуры, значение Е понижается.
Прочность
Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т. д.
Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм2, Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм2) образца перпендикулярно действующей силе: R = F/S.
Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм2, (5 – 20 МПа) например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм2. Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм2.
На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B2O3 значительно повышают прочность, РbО и Al2O3 в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe2O3 почти не изменяют ее.
Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм2 (Па); Р — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S —площадь шейки образца в момент разрыва, мм2.
Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм2, т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие.
Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.
Твердость.
Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).
Твёрдость определяют различными способами. Например, при определении склерометрической твёрдости измеряют ширину царапины, наносимой на стекло алмазной иглой. Твёрдость сошлифовывания находят по объему стекла, удаляемому с его поверхности при шлифовке, проводимой при известных условиях.
К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием B2O3 до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.
Хрупкость.
Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещин, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.
На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B2O3, SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO хрупкость незначительно понижается.
Термические свойства.
1. Теплоёмкость
2. Теплопроводность
3. Температура начала размягчения
4. Термическое расширение
5. Термоустойчивость
Теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1° С. Измеряется она в кал/г·град, ккал/кг·град (Дж/кг·К).
Стекла имеют удельную теплоёмкость от 0,08 до 0,25 кал/г·град в зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РbО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li20 повышают ее.
С повышением температуры теплоемкость стекла увеличивается, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением температуры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.
Теплопроводность. Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице: 
, где Q — переносимое количество тепла, кал; λ,— коэффициент теплопроводности, кал/см·с·град или ккал/м·ч·град (вт/м·град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см2; а — толщина образца, см; t — разность температур, °С; τ — время, с.
Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности стекол 0,0017—0,032 кал/см·с·град, в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO2 любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.
С повышением температуры теплопроводность стекол увеличивается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.
Температура начала размягчения.
Температура начала размягчения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существенную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при тепловой обработке.
Температура начала размягчения стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающиеся при высоких температурах), такие, как SiO2, Al2O3, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Na2O, K2O, Li20 понижают ее.
Наивысшей температурой начала размягчения обладает кварцевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.
Тепловое (термическое) расширение.
Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расширения а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к длине образца до нагревания, т. е.
α = (lt- lо)/ lо 10-7,
где α — коэффициент линейного расширения, 1/град; lо— длина образца при температуре 0° С, см; lt — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.
Иногда пользуются значениями коэффициента объемного расширения стекла, равным 3α.
Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5·10-7 до 200·10-7. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8·10-7 (соответственно коэффициент объемного расширения 3 α =17,4·10-7). Оконное стекло имеет коэффициент линейного расширения 88·10-7 (у металлов, как правило, 100·10-7).
Величина α стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше α. Тугоплавкие окислы типа SiO2, Al2O3, MgO, а также B2O3, как правило, понижают α.
Коэффициент термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.
Термическая устойчивость.
Термической устойчивостью (термостойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры.
Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостойкость оконных стекол составляет 80—90° С.
Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.
Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше величина образующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагревание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.
Химический состав стекла во многом определяет его термостойкость: окислы, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.
Электрические свойства
1. Электрическая проводимость
2. Диэлектрическая проницаемость
3. Диэлектрические потери
4. Диэлектрическая прочность
Электрическая проводимость стёкол при нормальной температуре ничтожна, поэтому стёкла можно использовать в качестве изоляторов. При повышении температуры электрическая проводимость стёкол возрастает. Различают объёмную и поверхностную эл. проводимость.
Объемная эл. проводимость возникает, когда электрический ток в стёклах переносится наиболее подвижными ионами, входящими в структуру стекла. При нормальной температуре подвижность ионов в стекле мала и удельная электрическая проводимость стёкол составляет 10-13- 10-15 1/Ом*см. При повышении температуры удельная электрическая проводимость возрастает и достигает у стекломассы величин 10-2 – 10-1 1/ Ом*см, что всё-таки гораздо ниже удельной электропроводимости металлов. Эл. ток в стёклах переносится главным образом подвижными щелочными ионами, поэтому возрастание содержания щелочных оксидов увеличивает эл. Проводимость стёкол, а повышение содержания оксидов трёх- и четырёхвалентных металлов SiO2, ZrO2, B2O3, Al2O3 уменьшает электрическую проводимость.
Поверхностная электрическая проводимость возникает при взаимодействии поверхности стеклянных изделий с влагой атмосферы. Образующаяся при этом на поверхности плёнка достаточно хорошо проводит электрический ток.
Электрическую проводимость стёкол учитывают при использовании стекла в качестве изолятора и при электрической варке стекла.
Диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемостью называется безразмерная величина, показывающая, во сколько раз ёмкость конденсатора, между обкладками которого находится стекло, больше, чем у такого же конденсатора, между обкладками которого существует вакуум.
Диэлектрическая постоянная стекла учитывается при подборе составов стёкол для электровакуумных приборов высокой частоты и изменяется от 3,8 у кварцевого стекла до 16 у стёкол с высоким содержанием свинца.
Диэл. постоянная возрастает при вводе в стекло щелочных, щелочно-земельных оксидов и оксидов тяжёлых металлов, а также с увеличением температуры.
При использовании стекла в качестве прокладки конденсатора часть энергии, подводимой к его обкладкам, поглощается стеклом и называется диэлектрическими потерями. Они характеризуются углом сдвига фаз между силой тока и напряжением на обкладках конденсатора. Тангенс угла диэлектрических потерь, обозначаемый tg δ, у кварцевого стекла 0,001, а у обычных промышленных стёкол колеблется в пределах 0,01 – 0,05.
Диэлектрические потери вызывают выделение тепловой энергии в стекле. Мощность этих потерь определяется произведением диэлектрической постоянной стекла на тангенс угла диэлектрических потерь. Выделение тепла вызывает разогрев стекла, например, это наблюдается при использовании стеклянных деталей в приборах высокой частоты, что может размягчить стекло и разрушить прибор. Поэтому при подборе составов стёкол для электровакуумных приборов необходимо стремиться к тому, чтобы наряду с диэлектрической постоянной, тангенс угла диэлектрических потерь был невелик.
Диэлектрическая прочность характеризует способность стекла выдерживать высокое напряжение без разрушения и ухудшения диэлектрических свойств. Она выражается отношением разности потенциалов, при которой происходит пробой диэлектрика (стекла), к его толщине в точке пробоя и измеряется в кВ/см. Увеличение содержания оксида кремния в стекле повышает его диэлектрическую прочность, а повышение содержания щелочных оксидов снижает её.