2.2.3. Шынылардың қасиеттері

Шыны деп силикаттардан, алюминаттардан, натрий, калий, кальций және басқа сол сияқтылардың карбонаттарынан тұратын шикі зат ерітінділерінің – балқымаларының суытылуынан алынатын аморфты қатты дене.

Шыны тәрізді қалпында өнеркәсіпте көп заттардың алынуы мүмкін. Бірақ құрылыста көпшілігінде силикаттық шыны қолданады деуге болады. Оның химиялық құрамын әдетте шартты түрде тотықтардың қосындысымен сипаттайды: SiO₂ - 71÷72%; NaO - 14÷15%; CaO - 6,5÷7%: MgO - 4%; Al₂O₃ - 2%. Бұл дәстүрлі терезелік шыны құрамы. Басқа арнайы шыныны алу үшін тиісті тотықтарды қолдана отрып, оның химиялық құрамын қажетті бағытта өзгертеді.

Силикаттық балқыманың сұйық күйінен шыны тәрізді денеге көшу процесі қайтымды. Кейбір шынымассасы ұзақ сақталғанда және қыздырылғанда оның дағдылы аморфты құрылымынан кристаллдық құрылымға көшетіні байқалады, бұл құбылысты шыны бұзылысы деп атайды, демек шыны тәрізді күйі кристаллдық қалпымен салыстырғанда тұрақсыздау және оның ішкі бос энергия қоры көп, сондықтан шыны өзінен өзі осындай өзгеріске ұшырайды.

Шынының бұдан басқа өзіне тән ерекше қасиеттері (мөлдірлігі, морттылығы, атмосфералық әсерге аса тұрақтылығы, температураның бірден тез өзгеруіне сезімталдығы және т.б.) болады. Электрөткізгіштігі нашар, химиялық агрессивті әсерлерге берік материал.

Фосфор H₃PO₄ және фторлысутек HF (балқытқыш) қышқылдарынан басқа қышқылдардың сулық ерітінділері шыныға әсерін тигізбейді. Алайда сілтілер әсер еткенде шыны бұлттанып беріктігінен ажырайды. Себебі оның құрамындағы кремний тотығы SiO₂ біртіндеп сілтімен жуылып кетеді. Дегенмен бұл коррозияның жүру жылдамдығы онша емес, сондықтан шыны сілті әсеріне ұзақ уақыт бұзылмастан шыдап бере алады.

Шынының көптеген қасиеттері оның химиялық құрамына байланысты болатындықтан оларды кейінгі кездерде аддитивтік¹ немесе қосылатынды ережесі бойынша есептеу мүмкіншілігі қолданылып жүр. Мұндай ереже негізінде әрбір тотық және қостотық шынының әрбір қасиетіне жекелей әсер ететін өзгешелігін сандық коэффициентпен (фактормен немесе қасиеттердің порциялық мағынасымен) сипаттау тәсілі қойылған. Тотық және қостотық шыны құрамында неғұрлым көп болса, соғұрлым оның әсер ету дәрежесі жоғары. Айталық, шыны құрамындағы әрбір тотық пен қостотық мөлшерлерінің пайызын Р_1, Р_2, Р_3,... Р_n арқылы, ал С_1, С_2, С₃...С_n арқылы соларға сәйкес қасиеттер (факторлар) коэффициенттерін белгілейтін болсақ, онда шыны қасиетін С былайша бейнелеуге болады.

C = C_{1 +} C_{2 +} C_{3 +…+} C_n

Шын мәнісінде әрбір тотықтың және қостотықтың шыны қасиетіне тигізетін әсері әр уақытта оның концентрациясына пропорционал емес. Сонымен қатар шыны құрамындағы басқа сыңарларының табиғаты мен мөлшерлерінің де маңызы бар, олай болса қосылатындық ережесі мүлде дұрыс заң бола алмайды. Ол тек белгілі дәрежедегі дәлдікке шыны қасиеттерін оның құрамына байланысты есептеп шығару үшін қолданатын қолайлы әдіс. Кәзіргі кезде шыны тығыздығын, беріктігін, серпімділік қасиетін, жылу өткізгіштігін, жылу сиымдылығын, оптикалық қасиетін және т.б. есептеу үшін керекті коэффициенттерін табу және іріктеу тәсілдері әйгіленген.

Тығыздығы – шыны тығыздығы 2,2-ден 8 г/см³ дейін өзгереді. Кәдімгі құрылыстық шыны тығыздығы 2,5 г/см³ айналасында. Ең ауыр шыны құрамында қорғасын тотығы болады, ал ең жеңілінде - атомдық салмағы аз тотықтар болады. Кварцтық шыны тығыздығы - 2,2 г/см³.

Серпімділік. Қатты шынылар икемсіз болады. Серпімділік қасиеттері серпімділік модулі Е шамасымен сипатталады. Серпімділік модулі үлкен болған сайын дене деформациялары аздау болады.

ΔL =

Мұндағы ΔL P жүк әсерімен ұзындығы L, қимасы S біліктіктің (стерженнің) ұзаруы (деформациясы). Түрлі құрамдағы шынылардың серпімділік модулі 45-98 МПа аралығында болады.

Созғандағы беріктік шегі. Құрылыс конструкцияларында шынылар көпшілігінде ию, созу және ұру күштерінің әсеріне жиі үшырайды. Сығым күші әсеріне сирек пайдаланады. Сондықтан шыны қасиетін анықтайтын басты көрсеткіші есебінде созғандағы беріктігі мен морттылығын қарастырған жөн.

Шынылардың теориялық есептелінген созылым беріктігі 12000 МПа, ал практика жүзінде бүл көрсеткіш 200-300 есе төмен, үлгінің мөлшеріне байланысты 30-60 МПа аралығында ауытқиды (сығым беріктігі 700-1000 МПа және одан да жоғары). Теориялық және іс жүзіндегі беріктіктерінің арасындағы мұнша зор айырмашылықты шыныда болатын нашарланған кішкентай бөліктерге (микротүрлітектік жарықтар, ішкі кернеулер) сүйене түсіндіріледі. Үлгі мөлшері үлкен болған сайын мүндай ақаулы кішкентай "аралдар" санының көбею ықтималы үлғая түседі. -50⁰С-тан +70°С-қа дейінгі температуралық диапазонда шыны беріктігі өзгермейді деуге болады.

Морттығы (сынғыштығы). Шыны морттығы (немесе оны сынғыштығы деп те атауға болады) оның лездегі жүктемелеу - ұру әсеріне кедергісімен сипатталады. Морттығы оның пішініне, мөлшеріне жөне әсіресе қалыңдығына байланысты. Қалыңдығы және сығым беріктігі үлғайған сайын соққыға беріктігі да жоғарылай түседі. Шыны шынықтыру оның соққыға беріктігін 5-6 есе жоғарылатады. Шыны тазалығы мен бетінің мінсіздігі де бүл көрсеткіштің оңды болуына күшті әсерін тигізеді.

Осы келтірілген факторлардың барлығын ескергеннің өзінде әдетте шыны өзінің серпімділік деформация шегіне жеткенде морт сынады. Осы жерде айта кететін мәселе - материалдардың үзгендегі беріктігінің серпімділік модуліне қатынасы R_c/E әдетте өте төмен. Бүл қатынас шынылар үшін 7-10^-4÷6,5ּ10^-4, болат үшін 2,5ּ10^-3÷2,2ּ10^-3, ал каучукте - 2,5÷1,5. Осы себепті де шыныны ұрған кезде оның денесіне сызаттың таралуы өте тез жүреді. Міне, осы соңғы аталған шыны қасиеттері оның сынғыштығына әсер ететін басты факторлар болып саналады.

Қаттылығы - Моос шкаласы бойынша - 5÷7 және жоғары. Қаттылығы жоғары болған сайын шыныны механикалық өңдеу уақыты арта түседі және солғүрлым үйкелістен тозуы аздау болады. Шыны қаттылығы оның қүрамына байланысты. Нағыз қаттылары кварцтың, қүрамында 18÷30% глинеземдік тотығы AL₂O₃ бар аса жоғары глиноземдік, 12%-ке дейін бор тотығы В₂О₃ бар азсілтілі борлы силикаттық шынылар.

Шыныны қыздырғандағы үзындық ұлғаю коэффициент шамасы α онша үлкен емес (кәдімгі шыны үшін ол - 9,6ּ10^-6С^-1÷15 ּ10^-6 С^-1. Шынының осы қасиеті оның температураның жедел өзгеруіне төзімділігіне баиланысты. Сонымен қатар іс жүзінде шыныны құрамы бөлек шынымен, керамикамен және металдармен дәнекерлеп пісіріп біріктіруге тура келетін жағдайлар жиі кездеседі. Осындай жағдайларда біріктірілетін материалдардың термиялық ұлғаюы әрқалай болса, онда дәнекерленуі берік болмайды: бұйымдар суи келе жарылып кетеді.

Термиялық тұрақтылығы - температураның кенеттен өзгеруіне шынының жарылмай шыдайтын қабілетімен сипатталады.

Шыны бұйымдарының термотұрақтылығы олардың қалыңдық мөлшеріне және пішіндеріне байланысты. Ең термотөзімді болып кварцтық, бор-силикаттық және сілтісіз шынылар саналынады. Әралуан шынылар үлгілері температураның 80°С-дан (кәдімгі өнеркәсіптік шыны) 1000°С (кварцты) дейінгі аралықтағы өзгеруіне шыдайды. Шынының бүл қасиеті жылылық ұлғаю коэффициенті жөнінде айтылған факторларға байланысты. Шыны бетін жалынмен тегістегенде оның термотөзімділігі жақсарады.

Жылуөткізгіштігі. Түрлі шынылардың жылу өткізгіштігі - 0,5÷1 Вт/(м·⁰С) аралығында. Жоғарыда айтылғандай, олардың температуралық үлғаюының үзындық коэффициенті де үлкен емес. Бірақ серпімділік модулінің үлкендігі және жылу өткізгіштігінің төмендігі салдарынан термиялық деформация кезіндегі шыныдағы кернеулердің дамуы қауіпті шамаға жетіп, оның сызаттанып кетуіне әкеліп соғады. Осы себепті де шынының меншікті жылу сиымдылығы біршама аздау, 25°С температурада құрылыстық шынынікі 0,15÷0,22 Вт/(м·⁰С), 25÷400°С температура аралығында оның орташа жылу сиымдылығы - 0,24 Вт/(м·°С).

Шынының оптикалық қасиеті жарық өткізгіштігімен (мөлдірлігімен), жарық сәулесінің сындырылуымен, жарық шашыратуымен, күн сәулесінің шағылысуымен және т.б. құбылысымен сипатталынады. Дәстүрлі силикаттық шыны торын спекторынан барлық көрінетін бөліктерін жақсы өткізеді және ультракүлгін және инфрақызыл сәулелерін өткізбейді деп санауға болады. Шынының химиялық құрамын және бояуын өзгерте отырып оның жарық өткізуін кең аралықта реттеуге болады. Шыны оптикалық қасиеті бойынша мөлдір, боялған, түссіз және жарық шашыратқыш болып бөлінеді.

Шынының дыбысқоршағыш қабілеті біршама жоғары. Бүл көрсеткіші бойынша қалыңдығы 1 см шыны қалыңдығы 12 см кірпіштен қаланған қабырғамен барабар.

Шынының химиялық тұрақтылығы айтарлықтай жоғары. Сондада бұл қасиеті оның химиялық қүрамына және әсер ететін реагенттің табиғатына байланысты екенін атаған жөн. Мысалы, кәдімгі силикаттық шыны балқытқыш және фосфорлық қышқылдардан басқа көптеген реагенттердің әсеріне мызғымайды. Боратты шыны терезе әйнегі ретінде көптеген онжылдықтар бойы жақсы пайдаланылады. Сілтілік тотықтар шыны құрамында көбейгенде оның химиялық түрақтылығы нашарлайды, глиноземді Al₂O₃ қосқанда керісінше, жақсарады.

Кәдімгі силикаттық шынының химиялық төзімділігн жетерліктей тығыздығымен және реагенттер ерітінділері әсер еткенде кремнеземмен байытылған, химиялық түзіндіден жаратылған қорғаныш қабат құрайтындығымен түсіндіруге болады.

Шыныдан жасалынған бұйымдардың нақтылы кешенді қасиеттері болуы керек. Мысалы, терезелік шыны түссіз, мөлдір, жетерліктей берік және арзан болуы қажет. Техникалық шынылар жалпы беріктігімен, термоберіктігімен, жарық шашыратумен, өз еркімен жарық сәулелерін сіңірумен немесе ультракүлгін және инфрарақызыл сәулелерді өткізуімен және басқа арнаулы қасиеттерімен ерекшеленеді. Шынының қажетті қасиеттері болуы үшін оған тиісті химиялық қүрамдағы шикізат шихтасын іріктейді. Сонымен қатар, шыныны әр алуан тәсілдерімен өңдеп физикалық-техникалық қасиетін жақсартады.