Свойства стекла
Стекло — неорганическое изотропное вещество, материал, известный и используемый с древнейших времён. Существует и в природной форме, в виде минералов (обсидиан — вулканическое стекло), но в практике — чаще всего, как продукт стеклоделия — одной из древнейших технологий в материальной культуре. Структурно — аморфное вещество, агрегатно относящееся к разряду — твёрдое тело. В практике присутствует огромное число модификаций, подразумевающих массу разнообразных утилитарных возможностей, определяющихся составом, структурой, химическими и физическими свойствами.
Независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствамитвёрдого тела, сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное (данное определение позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств, так называемого стеклообразного состояния — на сём она исчерпываться, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении).
[править]Стеклообразное состояние
Основная статья: Стеклообразное состояние
Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Благодаря этому стёкла обычно длительное время сохраняют аморфное состояние. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования Tg (при температурах свыше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии).
Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без кристаллизации. Практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как то — отдельных стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 105—106 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.
Тогда как значение свойства жидкости (и стабильной, и метастабильной) обусловлено лишь её составом, температурой и давлением, значение свойства неравновесной жидкости или стеклообразного вещества зависит ещё и от структурного состояния. В данном случае заманчиво описывать структуру произвольной жидкости единым параметром. Вследствие того весьма широкое применение у специалистов в области стекла получил предложенный А. Тулом [27] способ описания структурного состояния стеклообразного вещества посредством характеристики так называемой структурной температуры Tf (fictive temperature), то есть такой, при которой исследуемое стекло с заданной структурой находится в равновесном состоянии.[2]. Впоследствии выявилась практическая невозможность описания стеклообразного состояния одной величиной структурной температуры и необходимость применения целого спектра таких температур [28]. В настоящее время наряду с релаксационной трактовкой стеклование аморфных веществ объясняется формированием при охлаждении достаточного количества межатомных связей, придающего веществу твердотельные свойства, причем выявлено не только изменение Хаусдорфовой размерности системы связей от фрактальной к трехмерной [29], но также формирование фрактальных структур при стекловании [30].
Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ[31].
Стёкла, в частности благодаря полимерному строению обладают способностью к гетерогенности. Полимерность стёкол в стеклообразном состоянии придаёт им индивидуальные качества, определяющие, в зависимости от характера этих структурных образований, степень прозрачности и других свойств стёкол. Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может влиять его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.
Источники
§ Краткая химическая энциклопедия. Т. V. М.: Советская энциклопедия. 1961
§ Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959
§ Шульц М. М., Мазурин О. В. «Современные представления о строении стёкол и их свойствах». Л.: Наука. 1988
§ A.K. Varshneya. Fundamentals of inorganic glasses. Society of Glass Technology, Sheffield, 682 pp. (2006).
§ М. И. Ожован. Топологические характеристики связей в окисных системах SiO2 и GeO2 при переходе стекло-жидкость. ЖЭТФ, 130 (5) 944—956 (2006).
[править]Литература
§ Михаил Васильевич Ломоносов. Письмо о пользе стекла. — М. В. Ломоносов. Избранные произведения. Т. 2. История. Филология. Поэзия. «Наука». Москва. 1986. С.234-244
§ Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959.
§ Мазурин О. В., Порай-Кошиц Е. А., Шульц М. М. Стекло: природа и строение. Л.: Знание. 1985
§ Шульц М. М. О природе стекла // Природа № 9. 1986
§ Paul A. (Amal). Chemistry of glasses. — 2nd. ed. London — New York. Chapman and Hall. 1990 ISBN 0-412-27820-0
§ Безбородов М. А. Химия и технология древних и средневековых стёкол. М., 1969
§ Лукас А. Материалы и ремесленные производства древнего Египта. М., 1958
§ Галибин В. А. Состав стекла как археологический источник. Л., 1889
§ Античное стекло в собрании Эрмитажа. Автор-составитель Нина Кунина. Санкт-Петербург.: АРС. 1997 ISBN 5-900351-15-7
§ Mittelalterliche Glasmalerei in der DDR. Katalog zur Ausstellung im Erfurter Angermuseum. Berlin. 1989
§ Neue Forschungen zur mittelalterliche Glasmalerei in der DDR. Berlin. 1989
§ Рагин В. Ч., Хиггинс М. К.,. Искусство витража. От истоков к современности. М.: Белый город. 2003 ISBN 5-7793-0796-9
§ Испанское стекло в собрании Эрмитажа. Автор-составитель О. Э. Михайлова. Л.: Аврора. 1970
§ Русское и советское художественное стекло. К XV Международному конгрессу по стеклу. Каталог выставки. Государственный Эрмитаж. Л.: Внешторгиздат. 1989
§ Шедевры американского стекла. Из коллекции Музея стекла в Корнинге и Музея искусства в Толидо. Каталог выставки. Государственный Эрмитаж. М.: Советский художник. 1990 ISBN 5-269-00590-5
§ Russian Glass of the 17th—20-th Centuries. A special exhibition. A Corning Museum of Glass. Corning, New York. 1990 ISBN 0-87290-123-8
§ Рожанковский В. Ф. Стекло и художник. «Наука». Москва. 1971
§ Helmut Ricke. New Glass in Evrope. 50 Artists — 50 Concepts. Düsselgorf im Ehrenholf Glasmuseum Hentrich. Düsselgorf. 1991
§ Nordrhein-Westfalen: Spitzenland für Glass. Ministerium für Wirtschaft, Mittelstand und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen. Düsselgorf. Druck: Duisburg. 1990
- Кутолин С. А., Нейч А. И. Физическая химия цветного стекла — М.: Стройиздат, 1988. — ISBN 5-274-00148-3.
2.Классификация стекла по различным признакам и область его применения
Виды стекол
В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.
Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na2O*CaO*6SiO2.
Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO2. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения (см. выше —кластофульгуриты), образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка (этот факт лежит в основе одной из исторических версий происхождения технологии).
Кварцевое стекло характеризуется весьма малым коэффициентом температурного расширения и потому его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах.
Оптическое стекло — применяют для изготовления линз, призм, кювет и др.
Химико-лабораторное стекло — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.