СТЕКЛО

В природе и технике все вещества могут существовать в 4 агрегатных состояниях:

- плазменном

- газообразном

- жидком

- твердом

Твердые тела могут иметь кристаллическую или аморфную структуру. Частный случай аморфного состояния – стеклообразное.

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Характеристики общие для всех веществ в стеклообразном состоянии:

- изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;

- при нагревании не плавятся как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого состояния в высоковязкое и, наконец, в капельно-жидкое состояние, причем не только вязкость но и другие свойства изменяются непрерывно (не имеют определенной температуры плавления);

- расплавляются и отвердевают обратимо, т.е. выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновь приобретают первоначальные свойства (если не произойдет кристаллизация или ликвация)

Вещество в стеклообразном состоянии (научный термин) – твердое некристаллическое вещество, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения

Стекло – материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества (технический термин) могут быть пузыри, мелкие кристаллики

Классификация стекол

-элементарные

- оксидные

-галогенидные

-халькогенидные

-металлические

-сульфатные и т.д.

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Промышленное значение имеет стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами – способен оставаться в твердом состоянии до 3700⁰С, имеет низкую плотность 1500 кг/м³

Оксидные стекла представляют собой широкий класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды: SiO₂; GeO₂; B₂ O₃; As₂O₃.

Однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния SiO₂ широко используется в технике и быту, является наиболее простым по составу.

Двухкомпонентные – бинарные щелочносиликатные стекла – так называемые растворимые (жидкие) стекла имеют большое промышленное значение

Многокомпонентные оксидные стекла.

Большая группа оксидов образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов. Промышленные составы стекол содержат как правило не менее 5 компонентов, а специальные оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Основу промышленных стекол – оконного, архитектурно-строительного, сортового, автомобильного тарного и других – составляют композиции тройной системы Na₂O(K₂O)-CaO- SiO₂ при массовых содержаниях Na₂O – 10…25%; CaO- 0…10% SiO₂ – 60…80%

MgO – способствует снижению склонности к кристаллизации

Al₂O₃ – повышает химическую стойкость

Вид стекла	Химический состав (%)
	SiO2	B2О3	Al2O3	MgO	CaO	BaO	PbO	Na2O	K2O	Fe2O3	SO3
Оконное	71,8	—	2	4,1	6,7	—	—	14,8	—	0,1	0,5
Тарное	71,5	—	3,3	3,2	5,2	—	—	16	—	0,6	0,2
Посудное	74	—	0,5	—	7,45	—	—	16	2	0,05	—
Хрусталь	56,5	—	0,48	—	1	—	27	6	10	0,02	—
Оптическое	41,4	—	—	—	—	—	53,2	—	5,4	—	—
Жаростойкое	57,6	—	25	8	7,4	—	—	—	2	—	—
Термостойкое	80,5	12	2	—	0,5	—	—	4	1	—	—

Для изготовления художественных изделий обычно употребляют известково-натриевое, известково-калиево-натриевое и свинцово-калиевое силикатные стекла.

Бессвинцовые и свинцовые силикатные стекла, обладающие высоким коэффициентом преломления, повышенной плотностью и хорошими данными при механической обработке принято называть хрустальными. Наибольший интерес вызывает свинцовый хрусталь (содержание оксида свинца – 15…20% малосвинцовый хрусталь; 30…35% - обычный хрусталь; 40…60% - тяжелые свинцовые стекла для ювелирки).

Свойства стекол

В твердом состоянии

Физические

Плотность оконного стекла – 2500 кг/м³

Плотность стекол содержащих оксиды свинца, титана и др. достигает 7500 кг/м³, что сопоставимо с плотностью стали (7860 кг/м³) и чугуна (7200-7600 кг/м³)

При повышении температуры от 20 до 1300⁰С плотность большинства стекол уменьшается на 6-12% (на 15 кг/м.куб на каждые 100 град).

Значения плотности закаленных и отожженных стекол различаются на 8-9 единиц второго знака после запятой. При отжиге плотность стекла увеличивается. Быстро охлажденное стекло имеет плотность меньшую, чем охлажденное медленно. В закаленном стекле зафиксирована структура высокотемпературного расплава, которая является более объемной по сравнению со структурой тщательно отожженного стекла. После отжига уменьшается объем и растет плотность стекла. Таким образом, плотность стекла зависит от его «теплового прошлого», влияющего на строение стекла, степень разрыхленности строения.

Пористость за исключением теплоизоляционных и звукопоглощающих стекол отсутствует

Упругость стекол 48х10³…12х10⁴ МПа

Стекло – изотропный материал, вследствие чего его упругие свойства не зависят от направления действия сил. В области температур ниже T_g (в твердом состоянии) стекло, вплоть до разрушения, испытывает только упругую деформацию.