Виды и свойства стекла

Стекло — твёрдое прозрачное неорганическое вещество, которое в расплавленном виде легко поддаётся формовке, а при охлаждении застывает, но без кристаллизации. В природной форме стекло существует в виде минералов (например, обсидиан), но чаще его получают искусственным путём. На физические и химические свойства влияют состав, структура материала, способ его производства, температурный режим обработки, наличие примесей, добавок, а также методы отжига или закалки.

Виды стекла

Стекло — это визуально прозрачный материал, состоящий в основном из оксидов кремния, натрия и кальция. Основная особенность стекла заключается в его прозрачности, твёрдости, а также химической инертности. Материал также обладает хорошей термостойкостью, что позволяет использовать его в различных областях, включая производство окон, посуды, лабораторной посуды, оптических приборов, других изделий.

Рассмотрим основные виды и сферу применения.

Обычное

Среди обычных стёкол — известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

• Известково-натриевое наиболее широко распространенный вид, используется для изготовления оконных стёкол, посуды, стеклотары.
• Известково-калиевое применяется для изготовления посуды высокого качества, поскольку отличается повышенной термостойкостью, а также прозрачностью и блеском. Также используется при производстве лабораторной посуды, химических аппаратов, промышленных технологических установок.
• Известково-натриево-калиевое обладает повышенной химической стойкостью, подходит для изготовления посуды, стеклянной тары.

Боросиликатное

К боросиликатным относятся стёкла с повышенным содержанием диоксида кремния, высоким содержанием оксида бора и минимальным щелочных компонентов. Борный ангидрид помогает значительно снизить содержание щелочного металла в смеси, из которой получается кремнезем. При этом не требуется повышать температуру расплавления.

Впервые боросиликатные стёкла начала производить компания Corning Glass Works в 1915 году, выпуская их под брендом Pyrex. Сейчас продукцию с аналогичным химическим составом выпускают под названиями Corning, Duran 50, Simax, «Гизиль», «Монекс», «Совирель», ТС и пр. В зависимости от специфики состава, такие стёкла от 2 до 5 раз более устойчивы к термоудару, чем известковые или свинцовые, а также значительно превосходят другие типы по химической устойчивости и активно применяются в электротехнике.

Стеклопродукция Pyrex размягчается до динамической вязкости в 10,7 Па⋅с при температуре в +580-590°С. Несмотря на это, материал можно использовать при температуре до +800°С, если нет избытка давления. Если работа осуществляется в вакууме, температуру изделий не рекомендуется поднимать выше +650°С.

В отличие от кварцевого, стекло «Пирекс» при нагреве до 600°С невосприимчиво к воздействию водорода, гелия, азота и кислорода. Однако фтороводородные, нагретые фосфорные кислоты, а также водные растворы гидроксида калия и натрия способны разрушить материал.

Кварцевое

Производство кварцевого стекла осуществляется путём плавления кремнезема высокой чистоты. Готовый материал состоит из SiO2 (диоксида кремния) и отличается максимальной термостойкостью среди всех прочих видов. Коэффициент линейного расширения составляет 6x10-7 в пределах от 0 до -1000°С, поэтому даже если погрузить раскалённый материал в холодную воду, он не потрескается.

Стекло достигает динамической вязкости в 10,7 Па⋅с при нагреве до 1250°С. Полностью оно плавится при показателе в 1500-1600°С.

Есть два типа кварцевого стекла: прозрачное и молочно-матовое. Непрозрачность второго типа вызвана большим количеством миниатюрных воздушных пузырьков, которые невозможно удалить в процессе плавления из-за повышенной вязкости. По свойствам оба сорта аналогичны, за исключением оптических характеристик и газопроницаемости.

Адсорбция поверхности кварцевого материала по отношению к влаге и газам незначительна, но его газопроницаемость при условии повышенной температуры самая большая среди других видов.

Кварцевое стекло рекомендуется беречь от любых загрязнений, в том числе от следов рук и пальцев. Перед нагреванием все имеющиеся загрязнения с поверхности удаляют с помощью фтороводородной кислоты, этанола или ацетона.

Материал обладает устойчивостью ко всем кислотам, за исключением фтороводородной (HF) и ортофосфорной (Н3РO4). Его можно разрушить при нагреве с помощью водных растворов фторида натрия и фторида кремния. Стеклянная продукция этого типа не подходит для работы с водными растворами, расплавами гидроксидов щелочных металлов.

При высокой температуре вещество сохраняет электроизоляционные свойства — удельное электрическое сопротивление при 1000°С составляет 106 Ом⋅см.

Хрустальное

Хрусталь — вещество высокого сорта, отличающееся особым блеском и светопреломлением. Есть два типа: с содержанием свинца либо без него.

Свинецсодержащие — стёкла, которые получают путём добавление окислов свинца, бора и цинка. Среди их особенностей — повышенная масса, красивое преломление света, мелодичное звучание при ударе. Используются чаще всего для изготовления посуды, декоративных изделий. Обычно применяется материал с 18-24% содержанием окислов свинца и 14-16% содержанием окиси калия.

Среди бессвинцовых — баритовое, лантановое и пр.

Баритовое стекло — вещество с высоким содержанием окиси бария. Барий обычно добавляется для улучшения термостойкости и плотности. Отличается повышенным блеском, светопреломлением и удельным весом в сравнении с другими видами, часто используется в медицинской и научной аппаратуре в качестве оптического стекла.

Лантановое содержит окись лантана, лантаниды (соединения с медью, алюминием и пр.). Окись лантана повышает коэффициент светопреломления: стекло обладает высокой оптической прозрачностью и химической стойкостью. Это сделало его отличным материалом для использования в оптике, фотонике и лазерных технологиях Также за счёт высокой химической устойчивости активно используется для изготовления лабораторной посуды.

Свойства стекла

Рассмотрим подробнее основные свойства стекла.

Плотность

Плотность зависит от состава материала, его структуры, способа термообработки, наличия примесей и добавок. Плотностью называют содержание массы объекта при определённой температуре в единице объёма. Чем больше в составе тяжёлых металлов, тем плотнее структура. Это постоянная величина, по которой можно оценивать состав. Плотность разных стеклоизделий составляет от 2 до 6 г/см3, наименьший показатель у кварцевого (2-2,1 г/см3), наибольший — у оптических свинецсодержащих (до 6 г/см3).

Прочность

Прочность — это способность материала выдерживать внутреннее напряжение, вызванное нагрузкой извне. Она отдельно измеряется двумя показателями: пределом прочности на сжатие и растяжение. Для разных видов стеклоизделий предел прочности на сжатие составляет от 50 до 200 кгс/мм2. На прочность также влияет химсостав: например, оксиды кальция и бора повышают этот показатель, а оксиды магния, цинка, железа практически никак не влияют на него. Прочность на растяжение является более значимым показателем, поскольку растяжение стекло выдерживает в разы хуже, чем сжатие. Стандартный показатель — 3,5-10 кгс/мм2, что в 15-20 раз меньше, чем на сжатие.

Твёрдость

Как и на другие свойства, на твёрдость стеклянных изделий также влияют примеси. По шкале Мооса она равняется 6-7 единицам, что является средним показателем между твёрдостью апатита и кварца. У материалов с содержанием кремнезема этот показатель выше, у свинецсодержащих и с щелочными металлами в составе — ниже.

Хрупкость

Хрупкость — это свойство материала, характеризующее его склонность к разрушению без предварительной деформации. Стекло обладает высокой хрупкостью: оно может легко разрушаться под воздействием внешних сил. На сопротивление материала ударной нагрузке влияет не только толщина, но и форма: плоские стеклянные изделия лучше выдерживают удар. Чтобы повысить прочность, в состав сырья вводят окислы магния, алюминия, борный ангидрид. Хрупкость повышается при неоднородности стеклянной массы, а также при наличии различных дефектов производства (например, кристаллизации). Повысить сопротивляемость материала удару можно путём отжига.

Прозрачность

Прозрачность — одно из главных оптических свойств стекла. Она измеряется с помощью спектрофотометра, который определяет способность материала пропускать свет волн различной длины. Результат измерения обычно выражается в процентах пропускаемого света или коэффициенте светопропускания. На прозрачность влияет состав материала, способ обработки поверхности, толщина, другие особенности. Например, примеси окиси железа понижают этот показатель.

Термостойкость

Термостойкость — свойство, которое позволяет без разрушения выдерживать напряжение, вызванное циклическим изменением температуры. Это один из главных показателей качества стеклопродукции, который зависит от содержания различных добавок (например, оксидов металлов), процессов охлаждения и отжига, степени кристалличности. Также важным фактором является наличие внутренних напряжений или дефектов. Наименьшей термостойкостью отличаются виды с высоким содержанием окислов натрия, свинца, кальция, наибольший показатель — у кварцевого (до 1000°С). Тонкое стекло более термостойкое, чем толстостенное. Показатель также можно повысить в 2-3 раза путём отжига.

Теплопроводность

Теплопроводность — это физическая величина, характеризующая способность материала проводить тепло. Она измеряется в единицах Вт/(м·К) и показывает, сколько тепла (в ваттах) пройдет через единицу материала толщиной в 1 метр при разности температур 1 градус Цельсия. У стекла этот коэффициент весьма незначителен: он составляет всего лишь 1-1,15 Вт/мК.

Коэффициент теплового расширения

Тепловым расширением считается способность материала увеличивать свои размеры при нагреве и сокращать их при охлаждении. Для стёкол этот коэффициент составляет от 5·10-7 до 200·10-7, а зависит преимущественно от химического состава. Самый низкий — у кварцевого, самый высокий — у материалов с повышенным содержанием щелочных компонентов.

Упругость

Упругость показывает, насколько хорошо материал может возвращать свою форму и размеры после прекращения воздействия внешних сил или деформаций. Она измеряется модулем упругости — величиной, измеряемой в паскалях (Па) и показывающей, насколько сильно материал будет деформироваться под воздействием силы. На этот показатель также влияет химсостав: оксиды кальция, бора, алюминия, магния, бария, цинка и плюмбума повышают упругость.

Свойства стекла Simax

Химический состав

(основные составляющие в массовом проценте)

Устойчивость к

Механическая устойчивость