книги из ГПНТБ / Бартенев Г.М. Сверхпрочные и высокопрочные неорганические стекла

110

ловолокон наблюдается набор или «спектр», состоящий из раз­

личных уровней прочности.

На рис. 56 эти же уровни прочности выявляются на образцах различных длин. На самых коротких волокнах вероятность ветре­

чи Дефекта очень мала, и такие образцы ведут себя как безде­ фектные. На самых длинных волокнах наверняка можно обна­ ружить самые опасные дефекты, которые и определяют низкую прочность этих образцов. В промежуточных случаях в серии об­ разцов встречаются образцы как бездефектные, так и с различ­

іи

ного рода поверхностными дефектами, что соответствует ряду максимумов на кривых распределения прочности.

У неорганических стекол и стекловолокон наблюдается пять более или менее четко выраженных уровней прочности, которые образуют некоторый дискретный «спектр» прочности этих мате­ риалов. Физическая природа этих уровней прочности рассмотре­ на в ряде работ автора [29, 30, 84—87].

Все уровни прочности, кроме оз, соответствуют различным структурным поверхностным дефектам, схематически изобра­

женным на рис. 54.

Наинизший уровень прочности а* наблюдается только у мас­ сивных стекол, например у листовых, после механической обра­ ботки — резки и шлифовки, в процессе которой возникают мак­ ротрещины, углубляющиеся в материал на расстояния, сравни­ мые по величине с полутолщиной стекла. Этот уровень прочности мало чувствителен к размерам макротрещин, так как соглас­ но расчетам Нейбера (см. главу II) коэффициент концент­ рации напряжений в вершине трещины после достижения ею некоторой глубины начинает уменьшаться, и поэтому разрывная нагрузка перестает практически зависеть от длины макротре­ щины. Вероятно, по этой причине разброс прочности серии об­ разцов невелик и соответствующий максимум кривой распреде­ ления прочности (см. рис. 31 и 32) не сильно «размыт».

Уровень прочности о0 соответствует прочности поверхности промышленных листовых стекол с трещинами микроскопических размеров (микротрещинами), возникающими в стекле по ряду причин, в частности в процессе растрескивания поверхностного слоя при формовании под действием термоупругих напряжений [13]. Такие микротрещины иногда называют гриффитовскими, так как теория прочности Гриффита лучше всего применима к трещинам микроскопических размеров. У стеклянных волокон этот уровень прочности обнаруживается в результате термооб­ работки. При этом возникают поверхностные трещины, проника­ ющие на глубину, сравнимую с радиусом стекловолокна. Наи­ большая глубина этих микротрещин у стекловолокон, измерен­ ная методом химического травления, достигает 0,5—0,6 мк (см. рис. 43). Так как в стеклах и в стекловолокнах имеется набор микротрещин различных размеров, то уровень прочности и соот­ ветствующий ему максимум кривой распределения прочности сильно «размазан».

Уровень прочности 0 \ объясняется существованием мельчай­ ших поверхностных субмикротрещин, возникающих при формо­ вании и после термообработки промышленных стеклянных воло­ кон. Глубина их меньше, чем толщина поверхностного структур­ ного слоя (0,01 мк). Этот уровень прочности также «разма­ зан», так как имеются образцы с субмикротрещинами различных размеров. Возможно, субмикротрещины возникают при опреде­ ленных условиях и в массивных стеклах на стыках тонких мик­

112

ронеоднородностей, минимальные линейные размеры которых равны примерно 0,01 мк. В листовых стеклах в отличие от стек­ ловолокон нет упрочненного поверхностного слоя. Поэтому суб­ микротрещины на поверхности массивных стекол находятся в других условиях. Вопрос этот, однако, требует дальнейших ис­ следований.

Высшие уровни прочности 0 2 и 0 3 соответствуют прочности самих структур массивного стекла и стекловолокна, у которого обнаружен тонкий поверхностный слой со структурой, более прочной, чем структура массивного стекла того же состава.

Уровень прочности 0 2 обнаруживается у промышленных стек­ лянных волокон, на поверхности которых предполагается суще­ ствование микроразрывов структурного поверхностного слоя, возникающих в процессе формования волокон и обнажающих без образования микротрещин внутреннюю структуру стеклово­ локна. Этот уровень прочности наблюдается также после тща­ тельного удаления всех поверхностных микротрещин химическим травлением как стеклянных волокон, так и массивных стекол. Таким образом, внутренняя структура стекловолокна и структу­ ра массивного стекла того же химического состава имеют прак­ тически одинаковую прочность, равную, например, для класса силикатных стекол 200—250 кгс/мм2 при испытании в атмосфер­ ных условиях и 350—450 кгс/мм2 в вакууме.

Высший уровень прочности 0 3, соответствующий 300— 350 кгс/мм2 в атмосфере и 400—500 кгс/мм2 в вакууме, относит­ ся к прочности бездефектных стекловолокон, у которых струк­ турный поверхностный слой не поврежден и, следовательно, от­ сутствуют поверхностные дефекты.

Три высших уровня прочности хорошо прослеживаются на кривых распределения прочности стекловолокон (см. рис. 55) при переходе от бездефектных стеклянных волокон к сильно де­ фектным. Видно, как на кривых распределения прочности вна­ чале исчезает максимум, соответствующий уровню прочности о3, далее максимум, отвечающий уровню 0 2 . В результате остается максимум, соответствующий уровню прочности о\. Эти уровни прочности в такой же последовательности исчезают при переходе от коротких образцов к длинным (см. рис. 56).

Разумеется, что указанными в табл. 19 уровнями прочности характеризуется большая часть образцов. Остальные по значе­ ниям прочности распределяются между уровнями. Поэтому в данной серии образцов можно встретить с той или иной вероят­ ностью образцы любой прочности. В связи с этим условность по­ нятия уровней прочности очевидна. Приведенные в табл. 19 чис­ ленные значения уровней прочности стекла и стеклянного волок­ на условны еще и потому, что получены при некоторых произ­ вольно выбранных условиях испытания: при 20° С в атмосфер­ ных условиях и при длительности испытаний на прочность поряд­ ка 10 сек. При изменении условий испытания значения уровней

прочности будут другие. Так, например, из работы Моулда [106] следует, что уровень прочности 0 3 стекловолокна при ис­ пытании с периодом нагружения 1 0 мксек взамен 1 0 сек возрас­ тает на 15%. Снижение температуры и испытание в вакууме также будут смещать уровни прочности в сторону более высо­ ких значений.

Так как процесс разрушения определяется не только типом дефектов, но и условиями испытаний (температурой, средой,

Рт (6)

114

остроте максимума на кривой распределения прочности. Чем меньше высота «линии» спектра, тем более размыт максимум прочности данного уровня вследствие существования различных по степени опасности дефектов одного и того же типа. В ваку­ уме уровни прочности а*, а0 и оі увеличиваются примерно в 2 ра­ за, а уровни 0 2 и Оз примерно в 1,5 раза.

5. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ПРОЧНОСТЬ И УРОВНИ ПРОЧНОСТИ СТЕКОЛ И СТЕКЛОВОЛОКОН

Одной из актуальных проблем физической химии и техноло­ гии стекла является установление связи между прочностью и хи­ мическим составом стекла и стеклянного волокна. Состояние по­ верхности, способы получения, температура формования и ско­ рость охлаждения, а также тепловая и механическая обработка стекла влияют на прочность и сильно усложняют взаимосвязь между прочностью и химическим составом стекла.

Существующие процессы производства стекла не обеспечива­ ют получение бездефектного поверхностного слоя стекла. Поэто­ му, если при больших колебаниях химического состава стекла прочность стекла незначительно все же изменяется, то обычно используемое в технологии изменение химического состава стек­ ла путем замены одного окисла другим не приводит к сущест­ венному изменению его прочности. Следовательно, наличие боль­ шого числа опасных дефектов не только резко снижает природ­ ную высокую прочность неорганических стекол, но и стирает различие в их химическом составе. Широко известно, что проч­ ность шлифованных стекол различного химического состава практически одинакова и соответствует уровню о*. Примером этому может служить то, что этот низший уровень прочности практически одинаков для силикатных стекол и кварцевого

стекла.

На массивных (листовых) стеклах влияние химического со­ става на все уровни прочности четко проследить не удается из-за фактического отсутствия экспериментальных данных. Имеются лишь отрывочные данные некоторых исследователей. Так, из табл. 14 видно, что Холлоуэй и Хостилоу для стеклянных хими­ чески травленных палочек наблюдали различные значения проч­ ности, в зависимости от состава стекла (щелочно-силикатное, пирекс и кварцевое). Эти данные относятся к уровню прочности а2 и свидетельствуют о том, что по мере увеличения содержания

встекле Si02 прочность возрастает. Проктор с сотрудниками

[115]исследовал прочность при изгибе (в атмосфере) стержень­ ков из кварцевого стекла диаметром 1 мм, вытянутых из стерж­ ней с начальным диаметром 4 мм. Были приняты все меры пред­ осторожности, чтобы поверхность образцов до испытания не под­ вергалась малейшим повреждениям, в том числе абразивным воздействиям пылинок. Вероятно, им обнаружено несколько уров-

рис. 58 приведены данные но прочности стекловолокон различного химического состава, обобщенные Аслановой [8]. Результаты экспериментальных данных показывают, что в определенных ус­ ловиях формования наибольшая прочность может быть достиг­ нута для волокон из кварцевого стекла и волокон магнезиально­ алюмосиликатного состава, о чем свидетельствует наибольшая прочность структуры этих стекол. Примерно одинаковая проч­ ность (250—300 кгс/мм2) установлена для различных по химиче­ скому составу и степени микронеоднородности волокон: для во­ локна из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, склонного к микрорасслоению; для волокна из медьсодержащего и цинктитансодержащего алюмосиликатного стекла, которые облада­ ют слабо выраженной микростеклокристаллической структурой; для волокна калийнатрийалюмосиликатного состава и для же­ лезосодержащих волокон, полученных из базальтовых распла­ вов. Наименее прочны волокна из боратных, фосфатных, свин­ цовых и многощелочных стекол, обладающие слабыми структур­ ными связями и пониженной химической устойчивостью.

Стеклянные волокна разделяются Аслановой на три группы: высокопрочные (370—400 кгс/мм2 и выше) из плавленого квар­ ца и из магнийалюмосиликатных стекол; повышенной прочности (250—300 кгс/мм2 и выше) из силикатных стекол различного хи­

К последней группе относятся стекловолокна из боратных, фос­ фатных, свинцово-силикатных стекол с ограниченным содержа­ нием окислов кремния и алюминия в составе стекла, а также стекловолокна из многощелочных силикатных стекол.

В наибольшей степени зависимость прочности стеклянных во­ локон от химического состава стекла и роль дефектов в форми­ ровании этой прочности проявляются при испытании их в «нетро­ нутом» состоянии (при отборе образцов на участке от фильеры до наматывающего устройства, без абразивного воздействия) и при низких температурах (в среде жидкого азота). При испыта­ нии в жидком азоте (при температуре — 196° С) процесс разви­ тия микротрещин замедляется, устраняется адсорбционное и хи­ мическое воздействие влаги и резко повышаются значения проч­ ности волокон различного химического состава. Достигнутая про­ чность для различных синтезированных «нетронутых» волокон второй группы составляет 400—600 кгс/мм2. При испытании этих волокон в среде жидкого азота средние значения прочности уже состзвляют 500—700 кзс}мм^, з мзксимзльныѳ 1000 кзсілім . Для волокон из плавленого кварца и магнезиально-алюмосиликат­ ного состава максимальные значения прочности отдельных об­ разцов достигают в жидком азоте 1700—1800 кгс/мм2, что при­ ближается к теоретической прочности стекла и кварца.

Вольская и др. [52] получили новое стекловолокно из алюмо-

т

титаносиликатного стекла с прочностью на воздухе при 20° С 300—340 кгс/мм2. Контрольные измерения показали, что алюмо­ боросиликатное стекловолокно, полученное на той же установке, имело прочность 200—220 кгс/мм2, что совпадает с ранее приве­ денными данными для промышленного стекловолокна этого же состава. Хасегава и др. [99], исследуя прочность стекловолокон