СДЕЛАЙТЕ СВОИ УРОКИ ЕЩЁ ЭФФЕКТИВНЕЕ, А ЖИЗНЬ СВОБОДНЕЕ

Благодаря готовым учебным материалам для работы в классе и дистанционно

Скидки до 50 % на комплекты
только до 10.07.2025

Готовые ключевые этапы урока всегда будут у вас под рукой

Организационный момент

Проверка знаний

Объяснение материала

Закрепление изученного

Итоги урока

Строение, свойства, виды стекол. Область применения

Категория: Прочее

Нажмите, чтобы узнать подробности

Стекло, строение и свойства стекла, тматериаловехнологические характеристики изделий из него. Область применения неметаллических материалов в транспортном машиностроении.

Просмотр содержимого документа
«Строение, свойства, виды стекол. Область применения»

Строение, свойства, виды стекол. Область применения

Стекло − аморфное вещество, получаемое при сплавлении оксидов. Стекло термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость, поэтому обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела и сверхвязкой жидкости. Плавление происходит в определенном температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования (Тс) стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Тс = 425−600°С. Прозрачность не является общим свойством для всех видов стёкол. Плотность стекла составляет 2,2−8,0 г/см3. Стекло высокой плотности содержит оксиды свинца и бария. Пористость и водопоглощение стекла практически равны нулю (абсолютная морозостойкость) и при этом стекло способно окрашиваться в различные цвета красками, не теряющими яркости от атмосферных воздействий.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разного перепада температур и определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде (0°С). Термостойкость стекол 90—170°С, кварцевого стекла 800—1000°С.

Механические свойства стекла: высокое сопротивление сжатию (σсж = 400 − 600 МПа), низкий предел прочности при растяжении (30 − 90 МПа) и изгибе (50 − 150 МПа). Твердость стекла по шкале Мооса равна 5—7 единицам (10 единиц — твердость алмаза). Ударная вязкость стекла очень низкая, т. е. стекло хрупкое.

Оптические свойства стекла: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание, поглощение света. Большинство стекол пропускают всю видимую часть спектра (до 88…92%) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла: n =1,47…1,96. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Стекло с большим содержанием оксида свинца (РbО) поглощает рентгеновские лучи.

Химическая стойкость стекла – одно из самых уникальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной).

Стекло широко используется в разных областях техники и народного хозяйства. Это объясняется благоприятным сочетанием физико-химических и механических свойств, возможностью изменять эти свойства в широких пределах в зависимости от состава стекла и способов термической обработке воздействия.

По качеству поверхности стекло бывает неполированное и полированное.

По профилю обработки выпускают стекло плоское, волнистое, гнутое и профильное.

По назначению различают строительное (оконное, стеклобло­ки), бытовое (стеклотара, посуда), техническое (оптическое, электротехническое, химическое и др.) и др.

По способу упрочения — обычное, отожженное, закаленное, армированное и упрочненное химическим или другим способом.

Способы упрочнения стёкол:

1) травление с целью удаления дефектного поверхностного слоя. Предел прочности увеличивается до 3000 МПа;

2) закалка стекла создает на поверхности сжимающие напряжения. При закалке стекло нагревается до температуры выше Tс и быстро равномерно охлаждается в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление стекла статическим нагрузкам увеличивается в 3—6 раз, ударная вязкость — в 5—7 раз, повышается термостойкость стекла;

3) нанесение на поверхность стёкол полимерных материалов, что склеивает микротрещины на поверхности стекла;

4) полировка  сглаживание поверхностных дефектов механически, огнем или химически;

5) армирование проволокой, что служит для удержания крупных осколков стекла и попутно для декоративных целей.


В составе стекла входят оксиды трех типов:

  • стеклообразующие (оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка);

  • модифицирующие оксиды (щелочных и щелочноземельных металлов); понижают температуру плавления и определяют свойства стекла

  • промежуточные оксиды (алюминия, свинца, титана, железа) определяют свойства стекла

Базовый метод получения стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na2O·CaO·6SiO2. Температура варки стёкол от 300 до 2500°C, Для придания стеклу различных свойств и цвета применяют различные добавки, а также обеспечивают особые условия варки, охлаждения и обработки стекла.


Разновидности стекол

Силикатные стекла по составу можно разделить на:

  • щелочные стекла  группа обычных стекол: натриевые, калиевые или калиево-натриевые. Они отличаются пониженной устойчивостью к нагреву, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства;

  • бесщелочные стекла (соединения бора 12-13%, отсутствуют оксиды натрия и калия). В эту группу входит кварцевое стекло. Они обладают высокой устойчивостью к нагреву (жаростойкие) и резким перепадам температур, коэффициент температурного расширения практически равен нулю, прозрачны для ультрафиолетовых лучей, имеют высокие электрические свойства, но из них трудно изготавливать изделия сложной конфигурации;

  • щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых оксидов (хрусталь свинцовый и бессвинцовый (оксид бария более 18%)). Эти стекла мягкие и плавкие, но весьма тяжёлые, отличаются сильным блеском и высоким показателем преломления.

Химико-лабораторное стекло (бороалюмосиликатное стекло с добавлением оксида циркония) имеет химическую стойкость и используют при транспортировке агрессивных веществ (кислот, щелочей, растворов солей).

Теплозащитные (солнцезащитные) стекла отражают часть падающей на них лучистой энергии, не пропуская ее в помещение. Это достигается двумя методами:

  • на поверхность наносится тончайший металлический слой, работающий как зеркало;

  • на поверхности создается слой из оксидов металла, задерживающий часть солнечных лучей и придающий стеклу серый, зеленоватый или бронзовый оттенок.

Защитные стекластекла с повышенными прочностными свойствами, не раскалывающиеся на опасные остроугольные осколки. Для получения стекол, более прочных и безопасных по сравнению с обычным листовым стеклом, существует несколько способов.

  • Закаленное стекло получают специальной термической обработкой стекла. При этом в нем создаются сжимающие напряжения, за счет чего повышается прочность на изгиб в 5…8 раз и прочность на удар в 4…6 раз. При разрушении такое стекло распадается на мелкие (5…10 мм) кусочки кубической формы, безопасные для человека. Такие стекла применяют для устройства прозрачных дверей, перегородок и т.п.

  • Армированное стекло получают путем запрессовки в расплавленную стекломассу сетки из хромированной стальной проволоки, которая удерживает осколки стекла при его повреждении.

  • Ламинированное стекло упрочнено с помощью эластичной полимерной пленки, запрессованной между слоями стекла. При уларе по стеклу в нем возникает трещина, идущая в глубь стекла. Когда трещина встречает на своем пути полимерную пленку, последняя, деформируясь, поглощает энергию развития трещины и останавливает ее. При этом внутренняя часть стекла остается целой. Такие стекла получили название «триплекс». Подобный композиционный листовой материал из трех слоев стекла и двух слоев полимерной пленки делает стекло пуленепробиваемым. На полимерную пленку можно наносить функциональные слои (светоотражающие, теплозащитные и т.п.), и они оказываются внутри слоистой конструкции, защищающей их от повреждения.

Листовое декоративное стекло  применяется при возведении общественных зданий с большой степенью остекления (металлизированные зеркальные стекла различных оттенков  золотистые, голубые, серые и т.п.).

Оптоволокно  обеспечивает дальность передачи информации в сотни и тысячи километров без промежуточных усилительных станций. Оптоволокно производится из кварца, что обеспечивает: высокую оптическая проницаемость, минимальную потерю сигнала, температурную устойчивость; гибкость. Оно используется в телекоммуникациях линии связи, составляющие основу Интернета, телефонных и локальных телевизионных сетей, в видеонаблюдении и системах безопасности.

Стекловолокно получают путем продавливания стекольного расплава через тончайшие фильеры с последующей вытяжкой и намоткой на бобины. Диаметр волокна – 3…100 мкм, длина непрерывного волокна от 1 см до 20 км. Прочность на разрыв стекловолокна сравнима со сталью, упругость— с твердыми алюминиевыми сплавами, обладает химической стойкостью и тугоплавкостью. Из стекловолокна получают стеклянные ткани, нити и волокно для производства композиционных, электроизолирующих и теплоизолирующих материалов (стекловата), фибергласовой арматуры для бетона, рулонных кровельных и гидроизоляционных материалах.

Стекло широко используется для изготовления электротехнических изделий. Стеклянные колбы широко используются в качестве проволочных резисторов, конденсаторов, реле и переключателей. Кроме этого выводами электрических цепей этих устройств выполняют через стеклянные изоляторы.

Электровакуумное стекло применяют для оболочек электрических ламп накаливания, в радиолампах, фотоэлементах, люминесцентных и генераторных лампах, ионных выпрямителях. Требования к электровакуумному стеклу заданное значение коэффициента теплового линейного расширения и термостойкость (от 100 до 1000 °С).

Светотехническое стекло (силикатное или боросиликатное с добавлением специальных компонентов, которые придают матовость или цвет). Для получения рассеивающих (молочных или опаловых) стекол вводят 3—4 % фтористых соединений, красных 1—2 % сернистого кадмия и 0,5—1 % селена, зеленые — 1,2—1,5 % оксида меди и 0,2—0,7 % хрома, желтые — 1,5 % сернистого кадмия.

Стекло, устойчивое к радиоактивному излучению применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов. Эти стекла могут поглощать:

  • рентгеновские лучи (стекла с высоким содержанием свинца и бора);

  • медленные нейтроны (окись бора, окись лития, окись кадмия и др.).

Оптические стекла обладают высокой прозрачностью, чистотой, бесцветностью, однородностью. В них строго нормированы дисперсия и преломляющая способность, в необходимых случаях — цвет. Они используются для изготовления различных деталей оптических приборов: линз, призм, кювет, абсорбционных светофильтров.

Лазерное стекло на силикатной и фосфатной основе с различными концентрациями активатора, позволяющее создавать твердотельные квантовые генераторы, которые используются медицине, специальных дальномерах и прицелах.

Фото-, термохромные стекла изменяют прозрачность и/или окраску под действием излучения. Эти стекла используют для защиты от солнца сильно остекленных зданий, для поддержания постоянной освещенности помещений, на транспорте и для очков со стеклами-«хамелеонами», которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Фотохромные стекла содержат оксид бора B2O3, светочувствительный компонент  хлорид серебра AgCl совместно с оксидом меди Cu2O в роли катализатора. При освещении в результате химической реакции выделяется атомарное серебро, что приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении.

Электрохромное стекло («смарт-стекло», «стекло с изменяющимися свойствами») композитный материал из слоев стекла и различных химических материалов. Это стекло используется в архитектуре для изготовления светопрозрачных конструкций, изменяющий свои оптические свойства с контролируемым изменением прозрачности. При подаче напряжения на электроды изменяются оптические свойства стекла: матовость, коэффициент светопропускания, коэффициент поглощения тепла и т. д.

Строение и назначение композиционных материалов

На основе стекол также получают: стеклокерамический материал — ситалл, ячеистый материал пеностекло, триплекс и другие.

Ситалл - это стекло со свойствами металла (пирокерам, стеклокерам). Они обладают малой плотностью (легче алюминия), термической стойкостью (до 1100°C), малым термическим расширением, химической устойчивостью, газонепроницаемостью и влагонепроницаемостью. Ситалл можно ковать. Из него можно делать отливки. По прочности он превосходит чугун, твердость некоторых ситаллов приближаются к твердости закаленной стали и почти в 25 раз больше твердости оконного стекла.

По назначению подразделяются на технические, строительные, ювелирные.

По основному свойству и назначению подразделяются на высокопрочные, радиопрозрачные, химически стойкие, прозрачные, термостойкие, износостойкие и химически стойкие, фотоситаллы, слюдоситаллы, биоситаллы, ситаллоцементы, ситаллоэмали, ситаллы со специальными электрическими свойствами, магнитные, полупроводниковые, радиопрозрачные и другие.

Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (корпуса приборов, шкалы, калибры, образцовые меры, подложки микросхем оболочек, плат, сетчатых экранов телевизоров; дорожные знаки, зеркала телескопов, для производства клея для металла, стекла, керамики). Являются перспективными строительными и конструкционными материалами (жаростойкие покрытия, лопасти компрессоров, обтекатели ракет, сверхзвуковых управляемых снарядов, химически стойкая аппаратура, мостостроительные конструкции, фильеры для вытягивания синтетического волокна; пары трения плунжеров, деталей химических насосов, реакторов, мешалок, запорных клапанов и другое). Широкое применение ситалл нашёл в астрономической оптике благодаря низкому коэффициенту температурного расширения.

Пористые стекла получают изменением химического состава, режимов отжига и последующей обработки. Такие стекла имеют поры с размером от нескольких десятков до 1000 ангстрем и используются как адсорбенты и «молекулярные сита». Они пропускают мелкие молекулы и не пропускают более крупные. Молекулярные сита используются при получении противогриппозных вакцин.

Пеностекло – блоки из вспученного в момент нахождения в расплавленном состоянии стекла. По структуре и свойствам пеностекло напоминает вулканическую пемзу и используется как теплоизоляционный материал, так как оно обладает хорошей тепло- и огнестойкостью, достаточной химической и биологической инертностью, не впитывает воду.

Электропроводящие прозрачные покрытия получают напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла, для создания поверхностной проводимости. Из такого стекла изготавливают панели лучистого нагрева (до 350°С)  источники инфракрасного излучения (настольные стеклянные излучатели, нагреватели для помещений, стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла). Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда.

Триплекс многослойное стекло (два или более органических или силикатных стекла, склеенные между собой специальной полимерной плёнкой или фотоотверждаемой композицией, способной при ударе удерживать осколки). Как правило, изготавливается прессованием при нагреве. Применяется при остеклении транспортных средств (лобовых стекол автомобилей, железнодорожного подвижного состава, самолётов, судов и тому подобное), окон и фасадов зданий, бронетехники (приборы наблюдения и защитные стекла прицелов). Существуют специальные триплексы с повышенными шумопоглощающими свойствами, с электрообогревом, цветные, зеркальные, электрохромные и т. д.




Скачать

Рекомендуем курсы ПК и ППК для учителей

Вебинар для учителей

Свидетельство об участии БЕСПЛАТНО!