Оптические свойства стекла

Светопропускании (прозрачность) - именно это свойство ценилось людьми и ранее и сейчас.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др.

Источником света и тепла на Земле является Солнце - раскаленное до 6000 К небесное тело, от которого исходят электромагнитные волны - солнечное излучение. Диапазон длин волн солнечного излучения, проходящего через атмосферу и оказывающего воздействие на земную поверхность, составляет 300-2500 нм, при этом интервал 300-380 нм соответствует ультрафиолетовому излучению (УФ), интервал 380-760 нм - видимому свету и интервал 760-2500 нм - инфракрасному, или тепловому, излучению (ИК).

Излучение, попадающее на стекло, частично проходит сквозь него 85-90%, частично отражается от его поверхности около 8% и частично поглощается 1% (2-7%). (прозрачное листовое стекло толщиной 4 мм (в зависимости от марки стекла)).

УФ и ИК излучение до 2500 нм проходит сквозь стекло лишь частично (примерно 75 и 80% соответственно), а при длинах волн больше 2500 нм поглощается практически полностью.

Обычные стекла пропускают до 70% вредных УФ лучей, которые вызывают выцветание ковров, занавесей, картин и мебели. Стекла с низкоэмиссионными покрытиями уменьшают до некоторой степени вредное влияние УФ, хотя даже лучшие из таких стекол пропускают большую часть этого излучения. Защита от УФ лучей особенно важна для витрин магазинов с одеждой, мебелью и другими подверженными выцветанию изделиями, а также в остеклении библиотек, художественных галерей и музеев. Популярное заблуждение приписывается УФ лучам, проходящим через окна. Их бактерицидные свойства не имеют никакого научного обоснования. Фактически только высокие дозы жесткого УФ облучения, которые достигаются при длительном облучении кварцевыми лампами, могут очистить помещение от некоторых видов бактерий. Остальная частьУФ поглощается. Кварцевое стекло прозрачно в УФ области, частично прозрачно в ИК области.

УФ длина волны 280-400нм.

Оконное стекло практически полностью задерживает дальний 100–200 нм, средний ультрафиолет и коротковолновую часть ближнего 200–380нм, но довольно неплохо пропускают длинноволновую часть ближнего ультрафиолета.

Обыкновенное оконное стекло сильно задерживает ультрафиолетовые лучи. Это видно из таблицы прохождения ультрафиолетового излучения через оконное стекло толщиной 2 мм (по Леману):нм ……………………………………..380 360 340 320 300 280 260

Пропускание в %% для стекла 88 82 62 22 2 0 0

Качественное сравнение свойств кварца и технических стекол

Пропускаемость ультрафиолетовых лучей

Кварцевое стекло - Очень хорошее

96%-ное Si-O2-стекло - Хорошее

Боросиликатное - Среднее

Свинцовое - Плохое

Известково-натриевое – Плохое

ЗА УФ идет рентгеновское излучение.

Традиционные очковые линзы из CR-39 прозрачны для УФ-излучения от 350 нм (кривая 3), а их светопоглощение на границе УФ-диапазона составляет 55% (см. табл.).

ИК поглощает. Тепловизор определяет температуру стекла, а не горячей батареи за ней.

Если спираль нагревательный элемнент поместить в колбу или трубку из кварцевого стекла, то граница для беспрепятственного прохождения инфракрасных волн сдвигается до 3.3 мк.

Поглощенное излучение возвращается стеклом во внешнее и внутреннее окружающее пространство путем конвекции и в виде вторичного теплового излучения. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Уровень поглощения определяет способность стекла к теплопередаче: чем больше стекло поглощает, тем больше оно передает (возвращает) в пространство и тем хуже его теплоизоляционные свойства.

Обычные силикатные стекла, кроме специальных пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Показатель преломления строительного стекла (1,50-1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла в разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50 %.

Рассеяние света — это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Почему стекло прозрачно….

Недостатки стекла. Химическая, термическая и химико-термическая обработка стекла.

Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главным показателем, определяющим его свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Хрупкость — главный недостаток стекла.

Хрупкость — типичное свойство стекла, разрушение которого не сопровождается пластической деформацией при различных способах механического нагружения, в том числе при динамическом и статическом.

Хрупкость - состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается.

Обычно мерой хрупкости считают сопротивление нагрузкам (удару). Предел прочности стекла при ударе характеризуется суммарной работой ударов, вызывающих разрушение единицы объема стекла. Предел прочности при ударе зависит от состояния поверхности, толщины образца, степени отжига и от удельной вязкости (химического состава) стекла.

Проявление хрупкости у материалов является следствием сочетания нескольких факторов.

Главнейшие из них: низкое значение отношения прочности материала при растяжении к его модулю упругости (для стекла 7.5-10) и высокая скорость и отсутствие препятствий для распространения трещин.

Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяжении Е/Яр. У

стекла оно составляет 1300… 1500 (у стали 400. ..460, каучука 0,4…0,6).

температура и хрупкость

Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие материалы, будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. С повышением температуры предел прочности при ударе возрастает. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.

В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Они практически не способны к пластической деформации и после области упругих по достижении предельной нагрузки сразу разрушаются.

Хрупкость стекла обусловлена поверхностным натяжением в молекулярных решетках. Стекла имеют определенный предел прочности. При критическом воздействии, кристаллическая решетка не выдерживает нагрузок, и междумолекулярные связи рушатся. Стекло трескается или разбивается на острые, опасные для человека осколки, которые имеют режущие  торцы и способны повреждать  белее мягкие материи.

хим состав и хрупкость

Изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Из компонентов стекла в наибольшей степени повышает предел прочности при ударе В2О3; увеличение содержания МgО, SiO2, Аl2О3 уменьшает хрупкость на 5-20%. Остальные оксиды мало влияют на хрупкость стекол. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.

Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность его поцарапана. Хрупкое разрушение стекла под действием напряжений начинается с поверхности, вследствие образования и роста микротрещин. Кроме того, однородность строения (гомогенность) стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является необходимым условием для проявления хрупкости.

обработка и хрупкость

Предел прочности при ударе закаленных стекол в 5-7 раз выше, чем отожженных.

Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Армирование, вопреки распространенному мнению, ослабляет стекло, делает его более хрупким по сравнению с таким же монолитным стеклом.

Предел прочности стекла при растяжении в 15-20 раз меньше предела прочности при сжатии и составляет 35-100 МПа в зависимости от состава и состояния поверхности.

Теоретическая прочность стекла при растяжении— (10…12) х х 10 МПа. Практически же эта величина ниже в 200…300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее наличие таких участков.

Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекловолокна диаметром 1…10 мкм прочность при растяжении 300…500 МПа, т. е. почти в 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.

Прочность при изгибе.

При изгибе стекло испытывает действие и растягивающих, и сжимающих сил. Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше (35-100 МПа), чем при сжатии (500-800 (2000) МП) именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении.

Расчетный теоретический предел прочности стекла при растяжении составляет 12000 МПа, практически эта величина ниже в 200…300 раз, в зависимости от размера стекла колеблется от 30 до 100 МПа.

Основной причиной резкого различия теоретической и реальной прочности стекла является состояние поверхности - наличие неоднородностей, дефектов на его поверхности и в объеме - ослабленных участков (микронеоднородности, трещины, царапины, внутренние напряжения) и чем больше размер образцов, тем вероятнее наличие таких участков. На прочность стекла оказывают влияние и технологические дефекты, особенно инородные включения и свиль (химические неоднородные участки). Нарушенный слой, образуется на поверхности заготовок в результате их механической обработки и взаимодействия с водой.

Так как при изготовлении стеклоизделий невозможно сохранить их поверхность в бездефектном состоянии, прочность, вне зависимости от химического состава, имеет низкую величину и путем изменения химического состава существенно повысить ее не удается.

Прочность стекол можно повысить:

1 глубоким шлифованием и полированием, в результате которого удаляют трещиноватый слой и сохраняют высокое качество обрабатываемой поверхности.

2 Удаление дефектного поверхностного слоя (мельчайших трещин, царапин и т.д.) травлением, обработка их поверхности химическими реагентами значительно повышает прочность (в 2-4 раза), но при этом снижает качество.

В диапазоне температур от —50° до +70°С прочность стекла практически не изменяется.

3 Путем закаливания стекла удается повысить его прочность в 3 - 4 раза.

К способам существенного повышения прочности изделий относятся воздушная и жидкостная закалка, ионообменное упрочнение в расплавах солей, нанесение на поверхность оксидно-металлических покрытий.

Прочность стекла зависит от степени отжига. С увеличением остаточных напряжений в стекле в 1,5-2 раза сопротивление изгибу уменьшается на 9-12%.

Прочность стекла увеличивают SiO2, Аl2О3, В2О3, МgО, ВаО, TiO2, уменьшают щелочные оксиды, РbО.

Прочность стекла при изгибе меньше прочности при растяжении, поэтому участки в местах изгибов трубок и отделки дна заготовок должны быть утолщены.

Прочность стекла при изгибе определяют, положив свободно концы стеклянного стержня па две опоры и постепенно повышая нагрузку в середине его вплоть до разрушения стержня.

Высокая прозрачность оксидных стекол сделала их незаменимыми для остекления зданий, зеркал и оптических приборов. Теоретически даже идеальное, не поглощающее свет стекло не может пропускать света более 92%.