Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым исвоеобразным сочетанием физических и химических свойств, несвойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, несуществовало быобычного электрического освещения втом виде, вкаком мыего знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бывсебе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость сметаллами идешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- ивидеокамер идальномеров вотсутствие стекла, вероятно, неиз чего было быизготовить. Все указанные выше свойства вконечном счете связаны стем фактом, что стекла являются аморфными, ане кристаллическими материалами.
При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал иобычно остается таковым при повышении температуры вплоть до400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, нестановится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла изтвердого состояния вжидкое нехарактеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит вобратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).
ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА
Сырьевые материалы. Смесь, или шихта, изкоторой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) иизвесть (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид идругие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся отпредыдущей варки, и, взависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели икрасители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг сдругом втребуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, арасплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал— стекло.
Хотя песок внешне непохож настекло, большинство распространенных стекол содержат от60до80 мас.% песка, иэтот материал как быобразует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок— это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Онподобен песку с морского пляжа, изкоторого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится вшихту ввиде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются доNa2O при высоких температурах. Калий применяется вформе карбоната или нитрата. Известь добавляется ввиде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда ввиде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла— бура иборный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится вшихту ввиде свинцового сурика или свинцового глета.
Типы стекол.
Кварцевое стекло. Стекло, состоящее изодного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло посвоим химическим ифизическим свойствам, ионо обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, ипоэтому оно обладает стойкостью ктермоудару при резком изменении температуры; его объемное иповерхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так иультрафиолетовое излучение. Ксожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится иперерабатывается визделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы икомпоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.
Натриево-силикатные стекла. Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) исоды (оксида натрия). Смесь 1части оксида натрия (Na2O) с3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на~900° Сболее низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. Ксожалению, такие стекла растворяются вводе, ихотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, изних нельзя изготавливать большинство изделий.
Известковые стекла. Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство иххимического состава ссоставом современных стекол, хотя современные стеклоделы, вотличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты— оксиды Na2O, CaO иSiO2, тополучаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо отприсутствия других составляющих. Снебольшими изменениями всоставе эти стекла широко используются для изготовления листового изеркального стекла, стеклотары, колб электроламп имногих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся иперерабатываются визделия, асырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.
Свинцовые стекла. Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO скремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) ималыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся ипроще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO инизкие— щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала дотакого уровня, что делает его одним излучших изоляторов для использования врадиоприемниках ителевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп иконденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления идисперсии— двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Тежесамые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание иблеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды ипроизведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.
Боросиликатные стекла. Стекла свысоким содержанием SiO2, низким— щелочного металла изначительным - оксида бора B2O3называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла вшихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления.В 1915фирма «Корнинг гласс уоркс» начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием «пирекс».В зависимости отконкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в2-5раз выше, чем уизвестковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости иимеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, втом числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов идомашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа вмире наг. Паломар в Калифорнии изготовлено изстекла сорта «пирекс».
Другие стекла. Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них— алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла сразнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары идомашней утвари.
Варка. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от1200до1600° С) в течение продолжительного времени— от12до96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.
В древние времена варка производилась вглиняных горшочках глубиной идиаметром 5-7см.В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от200до 1400кгшихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава.В одной печи могут выдерживаться от6до20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла вванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты наодном изконцов установки иизвлечения готового продукта стой жескоростью издругого конца; втаком режиме некоторые стекловаренные печи работали втечение пяти лет, прежде чем возникала необходимость времонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются кинтенсивному механическому производству. Как горшковые, так иванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.
Переработка визделия.
В отношении переработки визделия стекло отличается отбольшинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим иполужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться закороткие периоды, длящиеся отнескольких секунд до, самое большее, нескольких минут,— заэто время стекло охлаждается досостояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето.В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто вдлинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным внего инструментом ввиде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется сметаллом, отдельные части сложного изделия соединяются друг сдругом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки спостоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига состадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. Завсе время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка илитье. Первые три метода используются как вмелкосерийном ручном, так ивнепрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.
Последние достижения.
В разработке средств механизации для быстрого идешевого производства стеклянных изделий в20в. было достигнуто больше успехов, чем завсю предыдущую историю стекольного дела.В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов имассового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. Стех пор стекло стало производиться многими предприятиями инашло применение буквально втысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают ктребованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так желегки, как алюминий, адругие так жетяжелы, как чугун; есть стекла, попрочности превосходящие сталь. Изних изготавливаются волокна в10раз тоньше человеческого волоса и листы, столь жетонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими илегкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.
Плоское стекло.В течение исразу после Первой мировой войны были разработаны новые иполностью непрерывные методы изготовления как оконного, так изеркального стекла.В 1928было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки свысоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность внесколько раз идает продукт сисключительно высокими гибкостью и стойкостью кистиранию ивсем видам механического итеплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается нена длинные, острые осколки, как обычное стекло, анамаленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении нетолько плоского стекла, ноикухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты,— сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят издвух или более листов стекла, герметично соединенных попериметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным иосушенным воздухом. Посравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% инадолго избавляют отпроблем, связанных сприменением наружного оконного переплета, проникновением пыли иконденсацией влаги.
Стеновые стеклоблоки. Производство стеновых стеклоблоков истекловолокна началось в1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны иизготовляются сваркой двух прессованных полублоков собразованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов иматериалов. Получаемые из них «стены дневного света» пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, ноуменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию ипрактически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.
Стекловолокно.В отличие отбытового стекла стекловолокно обычно изготавливается вформе нитей диаметром меньше 1мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, вобъеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко инегорюче. Оно непоглощает влаги, негниет инеподвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- икоррозионностойко, атакже непроводит электричества. Изстекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки икорд. Изнесколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой.В такой форме стекловолокно— отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна всочетании с асбестом, слюдой, пластмассами исиликонами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных всложный полиэфир или другую матрицу, попрочности наединицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний ититан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов иракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла вкомпозиционных материалах.
Специальное кварцевое стекло.В 1939был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт посвоим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако онможет производиться дешевле ис большим разнообразием форм иразмеров. Стойкость ктермоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева доточки размягчения его можно сразу жеопустить вхолодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием всередине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных ибактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.
Пеностекло. Пеностекло— еще один продукт изобретательности стеклоделов— поструктуре похоже нахлеб и может распиливаться накуски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что нетонет вводе, ивсе же является жестким, негорит иневыделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла инагрева смеси довысокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь вчерную пену, которая заполняет объем формы ипотом застывает.В результате получается твердый ячеистый материал ссотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на1дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются донужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, иво время Второй мировой войны использовался вкачестве заменителя пробки, атакже пробковой древесины, пористой резины икапка. Как ипробка, пеностекло— отличный изолятор. Однако вотличие от пробки нанего невлияют сырость иконденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер ибытовых холодильников. Пеностекло вравной мере успешно может применяться идля высокотемпературной теплоизоляции вплоть до425° С, поскольку оно нетолько негорит, ноизаглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема иможет использоваться при температуре до1200° С.
Металлизация. Наповерхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что кметаллическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- иэлектротехнической промышленности.
Проводящие покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла всвязи стем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Такое покрытие весьма долговечно иимеет поверхностное сопротивление впределах от10до100 Ом/см2. При обычных температурах можно использовать известковое стекло, апри высоких— боросиликатное. Изготовленные изтакого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до350° С. Подобные панели— хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ исред поглощает сэффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели ивспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные наветровые стекла самолетов, сохраняют ихтеплыми исвободными отльда.
Электротехнические изделия. Стеклянные колбы широко используются вкачестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле ипереключатели могут заключаться воболочки изотпущенного стекла свыводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до22кг, рассчитанные на сильные токи ивысокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так ипеременной емкости.В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до0,025мм. Конденсатор переменной емкости состоит изизготовленной сжестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень излатуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни снанесенной наних углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются вкачестве резисторов.
Светочувствительные стекла.В 1947было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Скажем, настекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, апотом нагреть стекло; врезультате вобъеме стекла появится воспроизведенное вцвете изображение. Цвет изображения зависит отвида светочувствительного металла, введенного вшихту. Один изсоставов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз впятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница врастворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом встекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса вколичестве до100тыс. отверстий на1 см2. Стекла этого типа используются для изготовления световых табло, именных табличек идекоративных плиток, атакже в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые изтаких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, адругие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.
Стеклокерамика. Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, апотом вовсей своей массе переведены вкристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой «Корнинг гласс уоркс» под зарегистрированными торговыми названиями «пирокерамика» и«фотокерамика».
Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что идля изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним изобычных способов— прессования, выдувания или прокатки— изделие нагревается дотемпературы образования ядер кристаллизации.В 1см3изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают домельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации непроисходит. Затем температура повышается, ивовсем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается дотех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг надруга ився масса изделия нестановится кристаллической заисключением малых областей стеклообразной матрицы награницах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования икристаллизации зависят отсостава стекла.В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой.
В отличие отобычной керамики, стеклокерамика неимеет пор, а еекристаллы меньше размером иболее однородны. Посравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, недеформируется доболее высоких температур ивнесколько раз прочнее. Одним изпервых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо наплиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей идаже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки— главное достижение втехнологии стекла.