10. Властивості скла

• Фізичні властивості

Фізичні властивості скла залежать від його хімічного складу, умов варіння і наступної обробки. Скло не має певної точки плавлення. Воно переходить у рідкий стан поступово, стаючи м'якший при підвищенні температури.

Часто застосовують термін «температура розм'якшення» скла. Мабуть, ця температура лежить вище температури відпалу скла, але сама по собі ця величина досить невизначена.

Вячкость скла в звичайних умовах дорівнює Ю 13 -10 ls П При нагріванні в'язкість скла зменшується, воно робиться більш м'яким і тягучим, так що його можна формувати, піддавати тепловій обробці.

Обробляти на полум'ї склодувних пальників можна тільки розм'якшене скло, в'язкість якого лежить в інтервалі від 10 3 до 10 * П. Механічне формування скла проводять при температурі 800-1100 ° С і в'язкості 4 жовтня -4 -10 3 П.

При охолодженні скло знову твердне. Температура, при якій в'язкість скла досягає 10 13 П, називається температурою склування.

Крива зміни в'язкості зі зменшенням температури повинна бути відносно пологої, тобто в'язкість не повинна змінюватися занадто різко.

При швидкій зміні температури в склі виникають нерівномірні внутрішні напруги. Таке скло дуже хитким і легко розтріскується. Напруження в склі знімають шляхом відпалу. Для цього вироби кладуть у піч в зону з температурою на 20-30 С нижче температури склування, витримують при цій температурі деякий час, а потім повільно охолоджують. Природно, чим менше в'язкість скла, тим менше потрібно його нагрівати, щоб зняти внутрішні напруження.

• Механічні властивості

Щільність. Щільність визначається відношенням маси тіла до його об'єму. У системі одиниць СГС її вимірюють в грамах па кубічний сантиметр, в СІ - в кілограмах на кубічний метр: 1 г / см 3 = 1-Ю 3 кг / м 3. Щільність скла з, при якому тіла втрачають здатність бути пружними.

Втрата пружності у різних матеріалів проявляється по-різному: одні після зняття зусилля залишаються деформованими; інші при досягненні межіпружності руйнуються. Перші матеріали називаються пластичними, другі - крихкими. Скла відносять до другої групи матеріалів.

Крихкість. Крихкість - стан матеріалу, в якому під дією зовнішніх сил матеріалзовсім не проявляє залишкової деформації і руйнується. Велика крихкість скла дуже обмежує його застосування. Крихкість збільшується, якщо скло неоднорідне за складом або товщині, якщо в ньому є вкраплення чужорідних тіл, бульбашок повітря, якщо поверхня його подряпана.

Твердість. Твердість - опір поверхневих шарів матеріалу місцевим деформацій. Зазвичай вона оцінюється опором втискуванню індикатора. Існує також шкала твердості, запропонована Моосом і названа його ім'ям. Ця шкала складена з ряду матеріалів, які розташовані по збільшенню твердості, причому кожний наступний дряпає попередній. У цій шкалі кожен мінерал має свій номер, що характеризує його відносну твердість. Самий твердий із них - алмаз - має № 10, корунд-№ 9. Твердість усіх інших матеріалів оцінюється в порівнянні з твердістю десяти еталонних мінералів. Скло за шкалою Мооса володіє твердістю 5-7, тобто це дуже твердий матеріал.

Найбільш твердими є кварцові скла та скла типу пірекс ».

Міцність при стисканні і при розтягуванні. Міцність - опір матеріалу руйнуванню. Вона характеризується межею міцності, який визначається найменшим зусиллям, чинним на одиницю площі, що викликає руйнування матеріалу. В одиницях СГС ця величина вимірюється в динах на квадратний сантиметр, в одиницях СІ-в паскалях: 1дін/см 2 = 0,1 Па.

Межа міцності при стисненні визначається силою стиску, пре-тел міцності при розтягуванні - силою розтягування.

Скло досить міцний матеріал, причому його міцність залежить від складу і методу обробки. Міцність при стисканні стекол різного виду знаходиться в межах від 5 до 200 кг / мм 2, тобто від 1,9-10 "до 19,6-10 9 дин / см 2 або 4,9-108 - 19, 6-10 8 Па. Щоб збагнути, наскільки міцно скло, можна для порівнянняпривести значення міцності при стисканні чавуну 60-т-120 кг / мм 2 і стали 200 кг / мм 2.

Межа міцності скла при розтягуванні в 15-20 разів менше межі міцності при стисненні і становить 3,5-10 кг / мм 2.

Міцність при згині. При вигині скло випробовує дію та розтягуючих, і стискають сил. Міцність скла при вигині визначають, поклавши вільно кінці скляного стрижня па дві опори і поступово підвищуючи навантаження в середині його аж до руйнування стержня. Міцність скла при вигині менше міцності при розтягуванні, тому ділянки в місцях вигинів трубок і обробки дна заготовок повинні бути потовщені.

• Термічні властивості

Часто придатність стекол для виготовлення того чи іншого приладу, щопрацює в певному інтервалі температур, оцінюють за термічним властивостям скла: теплоємності, теплопровідності, термічного розширення і термостійкості.

Теплоємність. Теплоємність матеріалу дорівнює відношенню кількості теплоти, повідомленої йому, до сталось при цьому зміни температури матеріалу.

Марка скла Температура відпалу, ° С Температура розм'якшення. ° С Коефіцієнт термічного розширення * Показник заломлення Щільність ** ■ г / см '

№ 23 567 602 93 ■ Ю -7 1,5145 2.50

■> Л-м (ХУ-1) 570 600 92 - 10 "7 - -

X »29 540 603 86 - 10 "" 7 1,5145 2,54

лм-к 550 597 92 - 10 ~ 7 1,5145 2,49

П-15 (пірекс) 560 620 29 ■ 10 ~ 7 1,4875 2,25

ДГ-2 550 635 50 - Ю -7 1,4875 2,43

С5-1 (кварцове) - 1250 5,8 - 10 "7 - 2,2

С40-1 (ЗС-11) 520-385 620 40 - 10 ~ 7 - 2,2

С48-1 (ЗС-8) 500-360 555 48 - 10 ~ 7 - 2,55

С49-1 (ЗС-5) 540-510 580 49 - 10 -7 - 2,29

С49-2 (ЗС-5К) 535-410 585 49 - Ю -7 - 2,29

С50-1 575-430 620 50 • Ю -7 -

С50-2 -

• Оптичні властивості

Оптичним склом називають однорідне, прозоре, безбарвне або спеціально забарвлене неорганічне скло.

Оптичні властивості характеризуються показником заломлення і коефіцієнтом дисперсії скла. Докладно з властивостями оптичних стекол можна познайомитися, прочитавши спеціальну літературу.

Оптичним склом називають однорідне, прозоре, безбарвне або спеціально забарвлене неорганічне скло.

Оптичні властивості характеризуються показником заломлення і коефіцієнтом дисперсії скла. Докладно з властивостями оптичних стекол можна познайомитися, прочитавши спеціальну літератур

Розрізняють питому і мольну теплоємність.

Питома теплоємність - це кількість теплоти, яку необхідно повідомити одиниці маси матеріалу, щоб його температура змінювалася на 1К, мольна теплоємність - це кількість теплоти, яку необхідно повідомити 1 моль речовини для зміни його температури також на IK. В одиницях, заснованих на калоріях, питома теплоємність вимірюється в кал / плі в ккал /, в одиницях системи СГС - в ерг /, в одиницях СІ-в Дж /; 1 кал / = = 1 ккал / = 4,1868-10 липня = 4,1868 - 10 3 Дж /.

Питома теплоємність скла дорівнює 0,08-0,25 кал /, або 334,9-1004,8 Дж / і залежить від його хімічного складу. Чим більше скло містить оксидів важких металів, наприклад ВаО, РЬО, тим гірше теплоємність скла і тим більше буде потрібно тепла, щоб нагріти скло до заданої температури. Скло, до складу яких входять оксиди легких металів, наприклад LbO, володіють більшою питомою теплоємністю.

Теплопровідність. Здатність матеріалу проводити тепло, тобто його теплопровідність, оцінюється коефіцієнтом теплопровідності, який чисельно дорівнює кількості тепла, які переносяться на певну відстань через одиницю поверхні перерізу за одиницю часу при різниці температур в 1 К. Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у кал / або в СГС - в ерг /, а в СІ-у Вт /: 1 кал / = 4,1868-10 липняерг / == 4,1868-10 2 Вт /.

Скло погано проводить тепло, його коефіцієнт теплопровідності дорівнює 0,0017-0,0032 кал / або 7-14 Вт /. Нагріті скла дуже повільно остигають, про що слід пам'ятати при обробці скла. Крім того, внаслідок малої теплопровідності скла при формуванні з нього деталей і пайку на досить невеликих ділянках скляних виробів створюється великий перепад температури, а отже, у склі виникає внутрішня напруга і крихкість його значно збільшується.

Теплове розширення. Всі тверді тіла при нагріванні розширюються, тобто збільшуються в об'ємі. Скло є ізотропним матеріалом - при нагріванні вона змінюється в обсязі в усіх напрямках однаково.

Теплове розширення звичайно характеризують коефіцієнтом теплового розширення. Під коефіцієнтом теплового розширення розуміють збільшення довжини зразка при нагріванні його на 1К, віднесене до довжини зразка до нагрівання.

При виконанні склодувних робіт це властивість скла слід враховувати. Наприклад, не можна споювати скла, значно різняться коефіцієнтами термічного розширення, так як спай при охолодженні обов'язково трісне. Особливо важливо правильно підбирати скло, якщо його треба спаяти з металом ". У таблиці 3 наведені значення коефіцієнтів термічного розширення та інших фізичних характеристик деяких стекол, вживаних в склодувних роботах.

Термостійкість. Здатність речовини, не розтріскуючись, витримувати різкі температурні перепади називається термостійкістю. Термостійкість скла в основному залежить від значення коефіцієнта термічного розширення.

• Електричні властивості

Скло при звичайних умовах, тобто в твердому стані, є ізолятором, і ця його особливість широко використовується. Наприклад, металеві контакти - вводи - в приладах впаивают безпосередньо в скло. Однак у розплавленому стані скло проводить електричний струм. При підвищенні температури в міру розм'якшення скла електричний опір його зменшується, причому у різних стекол по-різному. Найбільшим електричним опором володіють скла з невеликим вмістом іонів лужних металів, а також скла, що містять малорухомі іони.

Питомий електричний опір в одиницях СП виражається в Ом-м. У таблицях найчастіше призводять питомий об'ємний опір стекол при температурах 100, 250 і 350 ° С. Крім того, призводять температуру, при якій питомий об'ємний опір скла стає рівним 100 МОм-см; умовно цю температуру позначають Т к - 100.

Здатність стекол змінювати електричний опір при нагріванні використовують для пайки за допомогою струмів високої частоти. Цей метод особливо зручний для пайки і монтажу великогабаритних скляних виробів. Розігрів до розм'якшення спаюється ділянки вироби газовим пальником, підводять струм високої частоти і «зварюють» деталі.

Це властивість скла завжди необхідно враховувати при виготовленні електродів, монтажі електровводов і т. п. Якщо в скло упаяні металеві вводи, то вони є електродами конденсатора, де скло - діелектрик. На обкладинках конденсатора розсіюється за рахунок діелектричних втрат електрична енергія перетворюється на тепло.

Часто напруга струму, що подається на контакти, сягає десятків кіловольт, а тому завжди існує небезпека перегріву скла між контактами. При цьому скло може стати провідником, відбудеться замикання або частковий електроліз скла. Силікати, що входять до складу скла, піддаються електролізу при накладенні різниці потенціалів, в результаті чого порушується однорідність складу скла, погіршуються його властивості. Крім того, при пропущенні великих струмів через вводи вздовж упаяний металевих електродів з'являються бульбашки, утворюються тріщини, порушується вакуумна щільність спаю. Ознакою, за яким можна виявити початок електролізу, є зміна кольору спаю, а в свинцевих стеклах - виділення металевого свинцю на поверхні електродів.

Електроліз скла посилюється із зростанням різниці потенціалу на вводах і зі збільшенням температури.

При цьому скло в результаті перегріву може розм'якшити і, якщо прилад працює при зниженому тиску, місце введення контактів деформуватися під дією атмосферного тиску, можлива навіть розгерметизація приладу.

З огляду на все сказане, при монтажі приладу слід ретельно підбирати потрібні сорти скла. Чим більше діелектричні втрати, тим більше можливий перегрів. Діелектричні втрати прямо пропорційні частоті змінного струму і твору тангенса кута діелектричних втрат на діелектричну проникність матеріалу. Останній твір носить назву коефіцієнта втрат. Для впаювання електродів слід підбирати скла з найменшим коефіцієнтом втрат, для використання скла в якості діелектрика - з найбільшою питомою опором. Так, найбільшим електричним опором мають свинцеві, боросилікатне, типу «пірекс», алюмосилікатні і кварцові скла.

Дуже важливо також знати і поверхневий опір скла. Це властивість визначається станом поверхні скла - забрудненості і адсорбованої плівки води. Скло, що містять велику кількість іонів лужних металів, легко сорбують водяні пари і двоокис вуглецю, що містяться в повітрі. При цьому на поверхні скла утворюється «карбонатна плівка», що є провідником електрики, в результаті чого поверхневий опір скла зменшується. Поверхневий електричний опір скла може зменшитися і в результаті забруднення поверхні скла частинками речовин, пилу.

Таке забруднене з поверхні скло робиться провідником електрики, а не ізолятором.