16. Поверхностное натяжение

В процессе стекловарения и формования изделий очень боль-шую фоль играет поверхностное натяжение. Это работа, которую надо совершить для увеличения поверхности жидкости на единицу:

Сигма = W/ дельта S,

где сигма— поверхностное натяжение, Н/м;W — работа, затраченная на изменение поверхности жидкости на величину дельта S .

Поверхностное натяжение силикатных расплавов в значительно меньшей степени, чем вязкость, зависит от температуры. Так, у рас­плавов промышленных стекол в интервале температур 1000... 1400°С поверхностное натяжение составляет 0,22...0,38 Н/м.

Поверхностное натяжение так же, как и вязкость, зависит от хи­мического состава: увеличивают сигма — А1₂0₃, Мg0, СаО; уменьшают — К₂0, РЬО, В₂0₃. особенно сильно снижают сигма Сr₂0₃, Мо0₃, V2О₅, Аs₂0₃,WO3 , сульфиды, селениды. Поверхностное натяжение играет большую роль в процессах стеклова­рения и формования изделий: высокое поверхностное натяжение препятствует удалению газовой фазы (осветлению) и гомогениза­ции стекломассы при варке. При отливке изделий, наоборот, стек­ломассы с большим поверхностном натяжением образуют гладкую и блестящую поверхность.

17. Свойства стекол в твёрдом состоянии.

17. Физические свойства стекла.

Плотность — масса вещества в единице объема кг/м(3):

d = М/V.

Плотность стекла зависит от его химического состава. Среди си­ликатных стекол минимальную плотность имеет кварцевое стекло

• 2200 кг/м(3) . Плотность боросиликатных стекол меньше плотности кварцевого стекла; плотность стекол, содержащих оксиды Pb, Вi, Та и др., достигает 7500 кг/м . Плотность обычных натрий — кальций - силикатных стекол колеблется в пределах 2500...2600 кг/м(3) . При повышении температуры от 20 до1300°С плотность большинства стекол уменьшается на 6…12%, т.е. в среднем на каждые 100% плотность уменьшается на 15 кг/м(3) .

Упругость — свойство материалов восстанавливать форму и объем после прекращения действия деформирующих сил. Коэффи­циент пропорциональности между напряжениями и деформациями называется модулем упругости. Упругость стекол в зависимости от их химического состава изменяется в пределах 48*10³...12*10⁴ МПа. Упругость кварцевого стекла 71,4 ГПа. Модуль упругости, как и не­которые другие свойства стекол, можно определить, пользуясь при­нципом аддитивности — суммированием значений свойств образу­ющих компонентов (оксидов) пропорционально их содержанию:

р = а₁Х₁ + а₂Х₂+ а₃Х_3… а_nХ_n , где Р—искомое свойство; а₁…а_n— содержание оксидов в стекле, %; Х₁...Х_n— удельный (парциальный) фактор некоторого свойства для соответствующего оксида в стекле.

Увеличивают упругость стекол СаО, В₂0₃, А1₂0₃, МgО при введе­нии вместо Si0₂ (частично). Щелочные оксиды снижают модуль упругости, т.к. прочность связей Ме—О значительно ниже прочности связи Si—О.

Прочность характеризует свойство материалов сопротивляться раз­рушению при воздействии внешних нагрузок. Мерой прочности явля­ется предел прочности — максимальное напряжение, вызывающее раз­рушение материала под действием статической нагрузки. Различают: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, кручении, ударе и т.д. Прочность стекол на изгиб изменяется в зависимости от состава в пределах от 0,03 до 0,12 ГПа, на сжатие — от 0,5 до 2,5 ГПа, на растяжение 3,5-10(-2) ...8,5-10(-2) ГПа. Прочность закаленного стекла при прочих равных условиях в 3...4 раза больше прочности отожженного. Значи­тельно повышает прочность стекол обработка их поверхности химичес­кими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т.д.).

Твердость стекла зависит от химического состава. Стекла имеют различную твердость в пределах 4000...10000 МПа (по шкале Мооса твердость стекол составляет 6...7, что находится между твердостью апатита и кварца). Наиболее твердыми являются кварцевое и мало­щелочное боросиликатное стекло (до 10...12% В₂0₃). С увеличением содержания щелочных оксидов твердость стекол снижается. Наиболее мягкими являются многосвинцовые стекла.

Хрупкость. В области низких температур (ниже t(g) — 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. Поскольку хрупкость четче всего проявляется при ударе, ее характеризуют про­чностью на удар, которую определяют работой удара, отнесенной к единице объема разрушаемого образца, называемой удельной ударной вязкостью. Прочность стекла на удар зависит от многих факторов. Вве­дение В₂0₃ (до 12%) повышает прочность на удар почти вдвое, введение Мg0, Fе₂0₃, увеличение содержания SiO₂ — на 5...20%. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5...2 кН/м, что на 2 порядка ниже, чем у металлов.