3.4. Применение стекла и ситаллов

Стекло – твердый аморфный прозрачный материал, получающийся при переохлаждении силикатных расплавов.

Стекло не является индивидуальным химическим соединением определённого атомного состава (и с определенной химической формулой), поэтому состав различных стёкол условно выражают суммой оксидов различных элементов. К примеру, состав оконного стекла таков:

SiО₂ 71 – 72% MgO 4%

Na₂O 14 – 15% Al₂O₃ 2%

CaO 6,5 – 7%

Стекло в строительных конструкциях и других устройствах чаще подвергается изгибу, растяжению и удару, поэтому главными механическими свойствами стекла следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Теоретическая (расчетная) прочность стекла при растяжении _р^теор=12000 МПа=12 ГПа. Техническая прочность стекла в 200-300 раз меньше (!): _р=30 – 60 МПа (в зависимости от размера образца). Как и в случае других конструкционных материалов, пониженная техническая прочность стекла объясняется наличием дефектов в структуре материала (микронеоднородностей, трещин и т.д.).

Хрупкость – главный недостаток стекла. Установлено, что на склонность материала к хрупкому разрушению указывает малая величина отношения разрывной прочности (_р) к модулю упругости (_упр) материала. Для стекла эта величина (_р/_упр) составляет 7,5·10^-4 – 6,5·10^-4, для стали 2,5·10^-3 – 2,2·10^-3, для резины 2,5 – 1,5. Силикатное стекло имеет плотность =2500 кг/м³.

Общеизвестно, что стекло является главным оптическим материалом. Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, светорассеянием и отражением света. Обычные силикатные стёкла (кроме специальных) пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) лучи. Показатель преломления строительного стекла (n=1,50 – 1,52) определяет силу отражённого света и светопропускание при разных углах падения света. При изменении угла падения света от 0 до 75º светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.

Теплопроводность (λ) различных видов стекла составляет 0,5 – 1,0 Вт/(м·град), то есть весьма низка.

Коэффициент линейного термического расширения (β) стекла относительно невелик (для обычного стекла β9,6·10^-6град^-1), однако вследствие высокого модуля упругости и низкой теплопроводности термические напряжения в стекле часто достигают опасных величин, приводящих к растрескиванию. Таким образом, стекло имеет относительно малую термостойкость.

Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. По этому показателю стекло толщиной 1см соответствует кирпичной стене толщиной 12 см ("в полкирпича").

Химическая стойкость стекла весьма высока: его разрушают только горячие щёлочи и фтороводородная (плавиковая) и фосфорная кислоты.

В строительстве и других областях техники применяется большое число разновидностей силикатного стекла (С):

• армированное С;

• глушёное С;

• жидкое С;

• закаленное С;

• кварцевое С;

• листовое С;

• оптическое С;

• пеностекло;

• припоечное С;

• профильное С;

• светотехническое С;

• стеклянное волокно;

• строительное. С;

• теплозащитное С;

• увиолевое С;

• фотохромное С;

• хрустальное С;

• электротехническое С.

Понятно, что ассортимент и номенклатура деталей и изделий, производимых из различных видов стекла, весьма и весьма широки.

В частности, в целом ряде отраслей промышленности (пищевой, химической, фармацевтической и других) и в строительстве широко применяются стеклянные трубы различных диаметров (до 150 мм и более). Стеклянные трубы достаточно прочны на разрыв, коррозионно-стойки, прозрачны, гигиеничны, вследствие гладкой внутренней поверхности их пропускная способность на 22% больше, чем у чугунных, и на 6,5%, чем у стальных труб равного диаметра. Недостатком стеклянных труб является малое сопротивление изгибу и удару (значительная хрупкость).

Стеклянные эмали [ρ=2350 кг/м³; λ=0,870 – 1,163 Вт/(м·град)] находят широкое применение в качестве защитных и декоративных покрытий. Вследствие небольшой толщины эмалевые покрытия имеют небольшое термическое сопротивление и существенно не осложняют процессов теплопередачи.

Стеклянные волокна (непрерывные и штапельные) применяют в качестве армирующих наполнителей в производстве композиционных материалов и в качестве основы ряда теплоизоляционных материалов и изделий.

Применяемое для тепловой изоляции стеклянное волокно называют стеклянной ватой. Плотность стеклянной ваты ρ_каж=125 – 200кг/м³, а теплопроводность λ=0,035 – 0,070 Вт/(м·град). Слой стеклянной ваты толщиной 5 см имеет такое же термическое сопротивление как кирпичная стена толщиной более 50 см. Стеклянная вата практически не даёт усадки в конструкциях, её волокна не разрушаются при вибрациях; материал малогигроскопичен, морозостоек и плохо проводит и хорошо поглощает звук.

Пеностекло, выпускаемое в виде блоков или плит определенных размеров, при плотности 150 – 600 кг/м³имеет теплопроводность 0,06 – 0,14 Вт/(м·град) и прочность при сжатии σ_сж=2,0 – 6,0 МПа. Изделия из пеностекла обладают высокой водостойкостью, морозостойкостью и теплостойкостью. Для пеностёкол обычного состава термостойкость составляет 350 – 400ºC, а для бесщелочного стекла – до 1000ºС. Пеностекло применяют как утеплитель в промышленных и гражданских зданиях, в конструкциях холодильников, а также для изоляции тепловых установок и сетей.