Неорганическое стекло

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор - сложной расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500-2000МПа), низким пределом прочности при растяжении (30-90МПа) и изгибе (50-150МПа). Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Свойства стекла

Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле

р = т / V

где р — плотность, г/см3; т — масса, г; V — объем, см3.

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см3. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см3 в частности оконное стекло 2,55 г/см3. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.

Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т.д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм2, Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм2) образца перпендикулярно действующей силе: R =F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм2, например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм2. Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм2.

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и В2О3 значительно повышают прочность, РЬО и А12О3 в меньшей степени, МgО, ZnО и Fе2О3 почти не изменяют ее.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм2 (Па); P — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S — площадь шейки образца в момент разрыва, мм2.

Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм2, т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).

К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием В2О3 до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.

Хрупкость. Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещнн, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.

На хрупкость стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол В2О3, SiO2, А12Оз, ZrО2, МgО хрупкость незначительно понижается.

Теплоемкость.Удельная теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1°С. Измеряется она в кал/г-град, ккал/кг-град (Дж/кг-К).

Стекла имеют удельную теплоемкость от 0,08 до 0,25 кал/г-град в зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РЬО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li2О повышают ее.

С повышением температуры теплоемкость стекла увеличивается, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением температуры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность.Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице:

Q =

где Q — переносимое количество тепла, кал; — коэффициент теплопроводности, кал/см-с-град или ккал/м-ч-град (вт/м-град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см2; а — толщина образца, см; I — разность температур, ° С; - время, с. Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности, стекол 0,0017—0,032 кал/см-с-град, в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO2 любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.

С повышением температуры теплопроводность стекол увеличивается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения.

Температура начала размягчения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существенную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при тепловой обработке.

Температура начала размягчения стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающиеся при высоких температурах), такие, как SiO2, А12О3, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Nа2О, К2O, Li2О понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает кварцевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.

Тепловое (термическое) расширение.

Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расширения а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к длине образца до нагревания, т. е.

где α — коэффициент линейного расширения, 1/град; l0 — длина образца при температуре 0° С, см; lt — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного расширения стекла, равным 3а.

Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5-10~7 до 200 -10~7. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8-10~7 (соответственно коэффициент объемного расширения 3а=17,4- 10~7). Оконное стекло имеет коэффициент линейного расширения 88·10-7 (у металлов, как правило, 100·10-7).

Величина α стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO2, А12О3, МgО, а также В2О3, как правило, понижают а.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость.

Термической устойчивостью (термостойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостойкость оконных стекол составляет 80—90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше величина образующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагревание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостойкость: окислы, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Оптические свойства.

Под оптическими свойствами стекла подразумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, — небольшая часть света поглощается стеклом.. Поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных примесей в сырьевых материалах.

Химическая стойкость.

Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы.

Стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот — кислотостойкостью.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после испытания. Для испытания приготовляют порошок из стекла или массивный образец стекла, взвешивают его и затем кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaОН, Na2СОз, НС1 и дистиллированной воде. После опыта образец высушивают и взвешивают на аналитических весах. "Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.

Химическую стойкость определяют также титрованием кислотой (НС1) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование: чем больше израсходовано кислоты на титрование, тем меньше химическая стойкость стекла.

Щелочестойкость оконного стекла определяют по потере массы с 1 дм2 пластины стекла при обработке ее в кипящем однонормальном растворе углекислого натрия в течение 3 ч. Потеря при этом не должна превышать 38 мг с 1 дм2 поверхности.

В зависимости от способности стекол противостоять разрушающему действию воды и других агрессивных растворов их подразделяют на гидролитические классы, которые определяются количеством НС1, пошедшим на титрование.

Гидролитические классы (расход НС1, мл): I — не изменяемые водой стекла 0 — 0,32; II — устойчивые стекла 0,32—0,65; III — твердые аппаратные стекла 0,65 — 2,8; IV — мягкие аппаратные стекла 2,8 — 6,5; V неудовлетворительные стекла 6,5 и больше

Наибольшую химическую стойкость имеет кварцевое стекло, оно относится к I гидролитическому классу, химико-лабораторные стекла, как правило, ко II. Большинство промышленных стекол принадлежит к самому обширному — III гидролитическому классу, а наиболее устойчивые из них оконное и полированное — к первой половине этого класса.

Химическая стойкость силикатных стекол в основном зависит от химического состава и определяется содержанием в них кремнезема. SiO2 значительно увеличивает химическую стойкость стекла.

Щелочные же окислы, как правило, понижают ее. Другие компоненты стекла ведут себя по-разному по отношению к различным реагентам. Поэтому при подборе химических составов стекол руководствуются тем, в каких условиях они будут использоваться.

Газопроницаемость

Газопроницаемость, св-во материалов пропускать воздух и др. газы при наличии перепада давления. Зависит от типа материала, его хим. природы и структурных характеристик, а также от природы газа и т-ры. Газопроницаемость присуща в большей или меньшей степени всем материалам. Коэф. газопроницаемости выражается кол-вом газа, прошедшего при нормальных условиях в единицу времени и перепаде давления, равном единице, через единицу пов-сти материала единичной толщины.

Газопроницаемость пористых керамич. материалов зависит от величины и формы пор, а также от характера их расположения. При одинаковом значении открытой пористости газопроницаемость пропорциональна квадрату среднего диаметра пор. Открытые поры, ответственные за пропускание газа, наз. проницаемыми. Обычно определяют объемную газопроницаемость. При малых перепадах давления объем газа, прошедшего через образец материала при стационарном потоке, определяют по ур-нию:

где К-коэф. газопроницаемости, h и s-соотв. толщина и площадь изделия, -динамич. вязкость газа, t-время, - разность давлений газа по обе стороны образца материала. Определение газопроницаемости имеет большое значение, особенно для изделий строит. керамики и керамич.фильтров.

Газопроницаемость присуща также беспористым материалам, в частности полимерам, металлам и стеклам. Наиб. высокой газопроницаемостью обладают каучукоподобные полимеры, а из них-кремнийорг. каучуки, пониженной-орг. стекла, кристаллич. и структури-ров. полимеры. Коэф. газопроницаемости полимеров увеличивается с повышением гибкости макромолекул и уменьшением межмол. взаимодействия, а также при введении в линейные полимеры пластификаторов. Газопроницаемость сетчатых полимеров уменьшается с увеличением числа поперечных хим. связей между макромолекулами (т.е. степени сшивания). При определении Q полимерных материалов не учитывают динамич. вязкость газа:

Газопроницаемость-одна из важных характеристик изделий из полимерных материалов, напр. шин, прокладок, надувных конструкций, разделит,мембран, одежды, обуви, упаковок и др. С газопроницаемостью связаны защитные св-ва полимерных покрытий, скорость окисления полимеров, обмен в-в в живых организмах.

Для металлов в большей степени характерна водородо-проницаемость, к-рая зависит от типа кристаллич. решетки, парциального давления газа и т-ры. Большой водородо-проницаемостью характеризуются Pd и его сплавы; их используют для получения сверхчистого Н₂. Стекло в условиях глубокого вакуума становится проницаемым для Н₂ и Не.

Газопроницаемость определяют след. методами: манометрическим-регистрируются показания манометра, соединенного с разреженным объемом, куда поступает газ, прошедший через образец; объемометрическим-замеряется объем газа, прошедшего через образец за определ. время, при постоянном его давлении с противоположной стороны; измерением скорости изменения концентрации газа с той или другой стороны образца, для чего м. б. использованы хроматогра-фич., масс-спектрометрич., хим. и др. методы. В СССР методы определения газопроницаемости полимеров не стандартизованы. Для оценки газопроницаемости керамич. изделий рекомендован объемометрич. метод.

Табл. 1. — Неорганические конструкционные материалы

Табл. 2.—Органические конструкционные материалы

Табл. 3.—Вакуумны е смазки, замазки, лаки и цементы

Металлы идут на изготовление корпусов, насосов, вентилей, оболочек, электродов, газопоглотителей. Стекло — основной материал для колб, трубок, ламп и т.п. Из синтетических материалов (полиэтилен, политерафторэтилен, полиамид и др.) и резины изготовляют трубки, прокладки и т.п. Вакуумные смазки и замазки служат для уплотнения разъёмных и постоянных соединений. Лаки применяют для заделки царапин, покрытия поверхностей, цементы — для цоколёвки ламп.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: