Неорганические стекла. Классификация и область применения.

Стекло—светопроницаемый расплавленный продукт из стеклообразующих минеральных веществ. В состав стекол входят стеклообразующие оксиды Si, B, Ge, As, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды Na, K, Li, Ca, Mg, Ba, изменяющие физико-химические свойства стекла. Кроме того, в состав стекла могут входить оксиды Al, Fe, Pb, Ti, Be, которые самостоятельно не образуют структурный каркас, а могут заменять стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу необходимые свойства.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяются на силикатные, алюмосиликатные боросиликатные, алюмоборосиликатные, алюмофосфатные и др.

По содержанию модификаторов стекла делятся на щелочные, кварцевые и бесщелочные.

На атомарном уровне стекла отличаются от металлов. В стекле атомы расположены беспорядочно, то есть стекло является аморфным телом. Стеклообразующий каркас представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную тетраэдрами оксида кремния. При частичном замещении Si в тетраэдрах структурная сетка будет состоять из тетраэдров, в которые включены атомы кремния и замещающих элементов. (Строительные стекла в основном натрий-силикатные, технические – алюмоборосиликатные.)

Общие свойства стекла:

1. При нагреве стекло плавится в некотором интервале температур, который зависит от исходного состава стекла. В основном, все процессы переработки проводят в интервале температур 1000-1100С.

2. Плотность стекла колеблется от 2200 до 8000 кг/м³ (с оксидами Pb и Ba).

3. Стекло имеет высокое сопротивление сжатию, низкий предел прочности при растяжении и изгибе. Твердость стекла по шкале Мооса находится в пределах 5-7 единиц. (Более высокие механические свойства имеют бесщелочные и кварцевые стекла.)

4. Листовое стекло в зависимости от толщины пропускает 75-90% света, отражает  8% (лучшие показатели у стекол, содержащих оксид ванадия), поглощает  1% видимого излучения; частично инфракрасное излучение, ультрафиолетовое поглощается полностью. (Стекла с большим содержанием оксида свинца поглощают рентгеновское излучение.) Коэффициент преломления стекла 1,47-1,96.

5. Химическая стойкость стекол зависит от компонентов их образующих. Оксиды Zr, Si, Ti, B, Al, Zn, Ca, Mg обеспечивают высокую химическую стойкость, а оксиды Li, Na, K, Ba, Pb способствуют коррозии.

Механическую прочность и термостойкость стекол можно увеличить путем закалки или термического упрочнения.

Закалка заключается в нагреве стекла до температуры несколько большей температуры стеклования (450-600С) и последующем быстром охлаждении в потоке воздуха или в масле. При таком виде обработки внутри стекла образуются растягивающие напряжения, а во внешних слоях – сжимающие. Таким образом, жесткие области мешают усадке внутреннего слоя.

Закалкой существенно увеличивается прочность стекла, ударная вязкость, термостойкость. Такое стекло при ударе либо дает сетку трещин, либо разламывается на мелкие осколки без острых краев.

Термохимическое упрочнение заключается в закалке стекла в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности образуются полимерные пленки, создающие дополнительное упрочнение.

Некоторого повышения прочности и термостойкости можно добиться травлением закаленного стекла в плавиковой кислотой, в результате чего устраняются поверхностные дефекты, снижающие качество стекла.

Получение листового стекла (на примере натрий-силикатного). Исходный материал (75% кварцевого песка, 15% известняка, CaCO₃, и 15% соды) подается в стекловаренную печь, в которой он плавится. Нагрев в печи происходит пламенем газовых горелок, направленных в стекломассу.

Из печи расплав выходит в виде вязкотекучей массы, которая пропускается между двумя охлаждаемыми водой формовочными роликами. В этой зоне масса раскатывается до толщины готового стекла. Раскаленный стеклянный лист подается в камеру охлаждения, где медленно охлаждается.

Полученное таким образом стекло пропускает свет, но не является прозрачным. Для получения прозрачного стекла используется флотационный метод. Согласно этому методу, выходящая после формовочных роликов лента стекла подается в ванну с расплавом Zn при температуре  1000. Вязкая стекломасса растекается по жидкому цинку, при этом образуются две совершенно плоских, оптически недеформированных поверхности.

В зависимости от целей различают следующие сорта листового стекла:

• сырое стекло—гладкое стекло или стекло с небольшими разводами на поверхности;

• узорное стекло—стекло с глубокими рисунками на поверхности, полученными при прохождении ленты между формовочными роликами;

• армированное стекло—стекло, состоящее из двух листов сырого стекла, между которыми в вязкотекучем состоянии завальцовывается металлическая сетка;

• зеркальное стекло—листовое стекло, изготовленное флотационным методом, покрытое с одной стороны слоем Ag;

• тепло- светозащитное стекло—листовое стекло, изготовленное флотационным методом, покрытое с обеих сторон тончайшим слоем Ti (светозащита) или Au (теплозащита);

• безопасное стекло—однослойное закаленное или термохимически упрочненное стекло; либо многослойное безопасное стекло, из двух или более листов,;

• бронированное стекло—многослойное безопасное стекло, состоящее не менее чем из 4 слоев однослойного безопасного стекла, склеенных между собой прозрачной полимерной пленкой. Общая толщина такого стекла составляет 25 мм. (Начиная с толщины 60 мм бронестекло является пуленепробиваемым для легкого стрелкового оружия.)