Теоретические основы

Стекло – аморфно-кристаллическое вещество, получаемое охлаждением расплава

все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Сырье

Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла —

Циркониевый песок и Кремнезем. Введение в состав стекла различных добавок позволяет изменить цвет, теплоизоляционные, прочностные и другие характеристики.

Oксид кремния(IV) (диоксид кремния, кремнезём) SiO₂) — бесцветные кристаллы, t_пл 1713—1728 °C, обладают высокой твёрдостью и прочностью.

1. кварцевый песок(SiO₂) диоксид кремния Кварцевый песок считается самым распространенным минеральным материалом нашей планеты. Его добывают в результате дробления кварца содержащих пород. Этот песок имеет матовый молочный цвет. Данный вид песка часто применяют в строительстве, поскольку он имеет высокую прочность и устойчив к воздействиям природы. Кварцевый песок от всех видов песка очень отличается. Ведь он исключительно натурального происхождения, и состоит всего лишь из кварца.

Сухой кварцевый песок имеет такие отличительные свойства как стойкость к химическим действиям, прочность, хорошую сыпучесть. Также этот песок имеет способность сорбирования, ему не страшна кислая среда и резкие перепады температур. Кварцевый песок имеет высокие показатели межзерновой пористости, высокой грязеемкости. Кварцевые пески часто различают по крупности зерна. Их можно поделить на мелкий песок (диаметр зерна до 0,25 мм), средний песок (диаметр до 0,50 мм) и крупный песок (диаметр до 1,10 мм.Кварцевый песок условно разделяют на песок кварцевый горный, карьерный, кварцевый песок речной.

Кварц — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород

Оптическое кварцевое стекло (кварц)

Это единственное промышленное стекло простейшего химического состава, содержащее только один компонент — кремнезем. Высокая его тугоплавкость и высокая вязкость в расплавленном состоянии (при 1723°С вязкость составляет 1•10⁶Па) .Кварцевое стекло получается путем расплавления крупки природного или синтетического кварца в электрических печах или в кислородно-водородном пламени. В последнее десятилетие получил широкое промышленное применение способ наплава кварцевого стекла через газовую фазу. Исходным сырьем в данном случае является дешевое химическое соединение — тетрахлорид кремния, который легко испаряется и гидролизуется, образуя аморфный кремнезем и соляную кислоту. Конденсированный кремнезем сплавляется в стекло в кислородно-водородном пламени (в последнее время для этого используются и плазмотроны, обладающие тем преимуществом, что стекло, наплавляемое в плазме, содержит меньше гидроксильных групп и более прозрачно в инфракрасной части спектра). Готовая продукция имеет форму заготовок (блоков) цилиндрической формы.

Получение стекла через газовую фазу является пока единственным способом борьбы с наличием в объеме стекла поглощающих микровключений, снижающих его лучевую прочность.

Диоксид циркония: свойства и области применения

Диоксид циркония - кристаллический порошок белого, белого с серым, желтым оттенком цвета.

Оксид циркония — ZrO2 (диоксид циркония), бесцветные кристаллы, tпл 2900 °C.

 

Д иоксид циркония проявляет амфотерные свойства( взаимодействие одновременно и с кислотами и кислотными оксидами, так и со щелочами и щел. оксидами), нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щелочей, однако растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, расплавах щелочей и стеклах.

 

Диоксид циркония широко используется при получении высокоогнеупорных изделий, жаростойких эмалей, тугоплавких стекол, различных видов керамики.

Благодаря своим неповторимым свойствам  как высочайшая износоустойчивость, невероятно гладкая поверхность и практически отсутствие негативного взаимодействия например с  проволокой и кабелем, самая низкая из всех известных керамических материалов теплопроводность -  оксид циркония находит применение во многих областях техники. 

 

 

ZrO2 обладают уникальным комплексом физико-механических свойств:

• в отличие от существующих аналогов, вследствие особой технологии синтеза, керамика имеет одновременно высокие значения прочности, вязкости разрушения и износостойкости;

• высокие эксплуатационные свойства в условиях воздействия высоких температур (свыше 1600 °C) и коррозионно-активных сред без значительной деградации механических свойств;

• способность поглощать и удерживать в поровом пространстве значительное количество активной жидкости.

Применение

Цирконовый концентрат выпускается в виде зернистого материала естественной крупности или в виде порошка и предназначается для производства огнеупорных изделий и материалов, эмалей, глазурей, стекла.

Диоксид циркония (ZrO₂) встречается в природе в виде минерала бадделеита. Бесцветные моноклинные кристаллы (плотность - 5,8 г/см³) или бесцветные тетрагональные кристаллы (плотность - 6,1 г/см³). Чистый диоксид циркония тугоплавок и устойчив при повышенной температуре, t_пл=2680^оС, t_кип=4300^оС. Имеет низкую удельную теплопроводность.

Диоксид циркония получают путем удаления оксида кремния из цирконового концентрата с использованием различных процессов термической и химической диссоциации.

Диоксид циркония

Диоксид циркония (ZrO2) обладает исключительным набором свойств, таких как:

• Высокая твердость

• Отличная коррозионная стойкость(способность материалов сопротивляться коррозии)

• Самая высокая трещиностойкость( способность твёрдых тел воспринимать действующие на них нагрузки без образования трещин) среди керамических материалов

• Низкая теплопроводность(скорость передачи тепла от одной (перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым. Приводит к выравниванию температуры тела. Сохранение прочности в широком диапазоне температур)

В стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелочноземельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты: осветлители, обесцвечивали, красители, глушители, окислители, восстановители. Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления, чем ускоряется процесс стекловарения. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами.

Глушители. Глушители вводят в стекломассу для   придания стеклу светорассеивающих свойств. Глушеные стекла используют в светотехнике (стеклянные лампы, колпаки, абажуры). В качестве глушителей используют соединения фтора и фосфора. Глушители стекла придают стеклам свойства рассеивать свет и казаться непрозрачными (тушеными). При введении в стекломассу они образуют соединения, которые выделяются при охлаждении расплава в виде капель и частиц величиной около 1 мкм. Глушение стекла происходит при выработке изделий или при их термической обработке (наводке).

Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов.

Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают, в основном, для перевода закисной формы железа (FeO). содержащейся в сырье, в окисную (Те,О,). Первая придает стеклу зеленоватый оттенок. Вместе с тем существует группа стекол (цветных), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители.

Физические свойства стекла

• Плотность стекла зависит от его химического состава. Считается, что минимальную плотность имеет кварцевое стекло - 2200 кг/м³. Менее плотными являются боросиликатные стекла; и, напротив, плотность стекол, содержащих оксиды свинца, висмута, тантала достигает 7500 кг/м3. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стекол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500 - 2600 кг/м³. При повышении температуры с комнатной до 1300°С плотность большинства стекол уменьшается на 6 - 12%, т.е. в среднем на каждые 100°С плотность уменьшается на 15 кг/м³. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2400 до 2800 кг/м³.

• Упругость стекол также зависит от их химического состава и может изменяться от 48*10³ до 12*10⁴ МПа. Например, у кварцевого стекла упругость составляет 71,4*10³ МПа. Для увеличения упругости оксида кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Напротив, оксиды металлов снижают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно ниже прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 00 - 30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25

• Прочность: У обычных стекол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа ( у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путем закаливания стекла удается повысить его прочность в 3 - 4 раза. Также значительно повышает прочность стекол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т.д.).

• Твердость стекла, как и многие другие свойства, будет зависеть от примесей. По шкале Мооса она составляет 6-7 Ед, что находится между твердостью апатита и кварца. Наиболее твердыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стекло. С увеличением содержания щелочных оксидов твердость стекла снижается. Наиболее мягкими будет свинцовое стекла.

• Хрупкость В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.

• Теплопроводность стекла весьма незначительна и равна 0,0017—0,032 кал/(см*с*град) или от 0,711 до 13,39 Вт/(м*K). У оконных стекол эта цифра равна 0,0023 (0,96).