Стекло. Свойства, состав, область применения

Введение.

Темой данной работы является: «Стекло. Свойства, состав и область применения». В рамках данной темы считаю необходимым изучить понятие «стекло», свойства и его состав, а также область применения.

Данную работу считаю необходимой разделить на две главы:

Глава 1. Стекло: состав и свойства.

Глава 2. Применение стекла.

Твердые тела могут иметь кристаллическую или аморфную структуру. Частный случай аморфного состояния  - стеклообразное. Комиссия по терминологии АН СССР дала такое определение стеклу: «Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающее в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратным».

С точки зрения современных понятий различают термины «стекло» и «стеклообразное состояние». Так, М.М. Шульц и О.В. Мазурин дают следующее определение «стеклообразного состояния»: «Вещество в стеклообразном состоянии (стеклообразным веществом) называется твердое некристаллическое вещество, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения».

Стекло – материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества. В составе стекла могут оказаться пузыри, мелкие кристаллики. В материале, в основном состоящем из стеклообразного вещества, может быть даже специально образовано очень большим числом мельчайших кристалликов, делающих материал непрозрачным или придающим ему ту или иную окраску. Такой материал называют «молочным» стеклом, окрашенным стеклом и т.д.

 

Глава 1.

Стекло: состав и свойства.

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, металлические, оксидные, галогенидные, халькогенидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др.

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов – сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фосфор (P), углерод (C). Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк – методом сублимации в вакууме; фосфор – при нагревании под давлением более 100 МПа; углерод – в результате длительного пиролиза органических смол.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария. Фторбериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой стойкости к действию жестких излучений, включая рентгеновские и γ-лучи, агрессивных сред – фтор, фтористый водород.

Халькогенидные стекла получаю в бескислородных системах типа Ge-As-X, Ge-Sb-X, Ge-P-X, где X-S, Se, Te. Они прозрачны в ИК - области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обнаруживают внутренний фотоэффект.

Оксидные стекла. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO2, Ge O2, B2O3, As2O3. Большая группа оксидов – TeO2, TiO2, SeO2, MoO3, WO3, BiO3, Al2O3, Ga2O3, V2O3 – образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов. Например, легко образуются стекла в системах CaO- Al2O- B2O3; CaO- Al2O; P2O5- V2O5; MemOn-P2O5- V2O5.

В зависимости от основных стеклообразующих компонентов (стеклообразователей) различают оксидные стекла: силикатные; алюмосиликатные; боросиликатные; бороалюмосиликатные; алюмосиликофосфатные; фософорванадатные; силикотитанатные; силикоцирконатные.

Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Важно отметить, что физико-химические свойства стекла зависят от входящих в него оксидов. В общем виде можно отметить влияние главных составляющих стекла.

Кремнезем SiO2 – главная составляющая всех силикатных стекол; в обычных стеклах его концентрация составляет 70…73% по массе. Он повышает вязкость и тугоплавкость стекломассы, улучшает химические и физические свойства стекла, повышает прочность, химическую и термическую стойкость, снижает плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показатель светопреломления.

Оксид алюминия Al2O3 повышает тугоплавкость, вязкость и температуру размягчения, поверхностное натяжение расплава стекла, улучшает механические свойства, теплопроводность, химическую стойкость, снижает ТКЛР.

Оксид бора B2O3 снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо- и химическую стойкость, улучшает химические свойства.

Оксиды щелочных металлов (Na2O, Li2O, K2O) играют роль плавлений, снижают температуру плавления стекольной шихты и вязкость расплава. В обычных стеклах концентрация их не превышает 14…15%. Они повышают плотность, ТКЛР, диэлектрическую проницаемость и снижают химическую стойкость, электросопротивление стекла.

Поташ K2CO3 придает стеклу чистоту, блеск, прозрачность, увеличивая его светопреломление, и применяется для производства лучших сортов стекла, в частности хрусталя – одного из видов стекла, используемого для высокохудожественных светильников.

Оксиды CaO, MgO, ZnO и PbO повышают механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшает внешний вид стеклоизделий.

Физические свойства. Плотность – масса вещества в единице объема, кг/м3; d=M/V. Плотность зависит от химического состава. При повышении температуры от 20 до 1300оС плотность большинства стекол уменьшается на 6…12%, т.е. в среднем на каждые 100оС плотность уменьшается на 15 кг/м3.

Упругость – свойство материалов восстанавливать форму и объем после прекращения действия деформирующих сил. Коэффициент пропорциональности между напряжениями и деформациями называется модулем упругости. Упругость стекол в зависимости от их химического состава изменяется в пределах 48*103…12*104 МПа.

Механическая прочность характеризует свойство материалов сопротивляться разрушению при воздействии внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности – максимальное напряжение, вызывающее разрушение материала под действием статической нагрузки или удара.

Твердость стекла зависит от химического состава. Стекла имеют различную твердость в пределах от 4000…10000 МПа. Наиболее твердыми являются кварцевое или малощелочное боросиликатное стекло (до 10…12% B2O3). С увеличением содержания щелочных оксидов твердость стекол снижается. Наиболее мягкие многосвинцовые стекла.

Хрупкость. В области низких температур (ниже tg – температуры стеклования) стекло наряду с алмазом и кварцем является идеально хрупким материалом, т.е. способно разрушаться под действием механических напряжений без заметной пластической деформации. Поскольку хрупкость четче всего проявляется при ударе, ее характеризуют прочностью на удар, которую определяют работой удара, отнесенной к единице объема разрушаемого образца, называемой удельной ударной вязкостью. Прочность стекла на удар зависит от многих факторов. Введение B2O3 (до 12%) повышает прочность на удар почти вдвое, введение MgO, Fe2O3, увеличение содержания SiO2 – на 5…20%. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5…2 кН/м, что на 2порядка ниже, чем у металлов.

Теплоемкость стекол различного химического состава колеблется от 0,3 до 1,05 кДж/(кг*К). С повышением температуры до tg теплоемкость увеличивается незначительно, в интервале tg – tf быстро возрастает. С увеличением содержания PbO и BaO – уменьшается.

Теплопроводность характеризует способность вещества проводить тепло в градиентном температурном поле. Стекло малотеплопроводно. С повышением температуры теплопроводность увеличивается и при нагревании выше tg примерно удваивается.

Термическое расширение тел. Нагревание тела при постоянном объеме вызывает увеличение линейных размеров и объемов. Термическое расширение характеризуется объемным и линейным коэффициентами температурного расширения. Истинные значения определяют как дифференциальные величины, учитывающие приращение размеров тела при повышении температуры:

β =  α=,

где V0 и l0 – начальные объем и длин тела.

На практике пользуются средними величинами, вычисленными в некотором интервале температур Δt = 0…100; 100…200оС и т.д.

Оптические свойства. Пропускание, поглощение, преломление, рассеяние и отражение света является результатом взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Луч «белого» света разлагается стеклом на спектр, что носит название «дисперсии» света. Показатель преломления и дисперсию относят в определенным длинам волн.

Стекла с определенными заданными коэффициентами преломления и дисперсий называется оптическими. Они  должны обладать особенно высокой прозрачностью.

Для строительного листового стекла (оконного, витринного) необходимо учитывать, что коэффициент светопропускания прямо зависит от отражающей способности поверхности стекла и от его поглощающей способности. Теоретически даже идеальное, непоглощающее свет стекло не может пропускать света более 92%, так как обе его поверхности отразят не менее 8% световых лучей.

Коэффициент отражения света от поверхности стекла может быть снижен (это просветление оптики) или увеличен путем нанесения тонкой пленки некоторых материалов, имеющих меньший коэффициент преломления, чем стекло.

Электрофизические свойства. Стекло относится к диэлектрикам, в которых проявляется преимущественно ионная проводимость. При температуре ниже 200оС объемная электропроводимость стекол незначительно: 10-11…10-12 Ом-1м-1, в связи с чем стеклянные изоляторы используются в высоковольтных линиях электропередач. С увеличением содержания щелочных оксидов электропроводность возрастает. Пленка SnO2 обусловливает поверхностную проводимость. Фосфорванадатные и халькогенидные стекла обладают полупроводниковой проводимостью           10-5Ом-1м-1. Важным свойством является диэлектрическая проницаемость, которая колеблется от 3,75 (кварцевое стекло) до 16,20 (свинцовое стекло).

Электрическая прочность стекла в однородном электрическом поле достигает высоких значений – 100…300 кВ/мм. В неоднородном электрическом поле с ростом температуры и увеличением толщины образца пробивное напряжение сильно снижается за счет теплового пробоя, вызванного диэлектрическими потерями.

Химическая стойкость стекол. По характеру действия на стекло реагенты можно разделить на две группы. К первой группе относятся вода, влажная атмосфера, растворы кислот (кроме фосфорной и плавиковой), нейтральные или кислые растворы солей, т.е. реагенты с рН ≤ 7; ко второй – реагенты с рН>7, т.е. растворы щелочей, карбонатов и т.п. По механизму воздействия сюда же относятся фосфорная и плавиковая кислоты.

Повышение температуры способствует разрушению стекла любым реагентом. С повышением температуры на каждые 10оС в области до 100 оС скорость растворения растет в 1,5…2 раза. В автоклавах в условиях повышенных температур и давлений удается полностью растворить большинство силикатных стекол.

Большое влияние на скорость химического разрушения стекол оказывает качество их отжига. Закаленные стекла разрушаются в 1,5…2 раза быстрее, чем стекла, хорошо отожженные.

Глава 2.

Применение стекла.

Строительное листовое стекло, стеклянные изделия различной номенклатуры и стекломатериалы широко применяются для остекления различных проемов, в ограждающих конструкциях, отделке и декорирования зданий, теплоизоляции и других изделий.

Виды стекол, их ассортимент и области применения приведем в таблице:

 

Стекла и изделия из них

Ассортимент стекла

Область применения

Листовое строительное

Стекло листовое

Остекление окон

Витринное неполированное

Остекление витрин, окон, дверей, фонарей верхнего света

Витринное полированное

Остекление витрин, окон, дверей, мебели

Мебельные

Изготовление мебели

Зеркальное

Изготовление зеркал

Листовое безопасное и упрочненное стекло

Армированное

Остекление фонарей, промышленных зданий, остекление помещений с повышенными требованиями безопасности

Закаленное строительное

Крупногабаритные панели, двери, перегородки, ограждения, полы, потолки

Безосколочное многослойное

Изготовление дверей, перегородок, смотровых окон

Листовое со специальными свойствами

Увиолевое-пропускающее ультрафиолетовые лучи

Остекление лечебных учреждений, детских садов, инкубаторов, парников, оранжерей

Поглощающее ультрафиолетовые лучи

Остекление перегородок архивных и других помещений с архивными книжными и художественными материалами

Теплозащитное (теплопоглощающее)

Для остекления зданий, сооружений, автомобильного транспорта

Теплоотражающее (с пленочным покрытием)

Остекление зданий в районах Крайнего Севера; остекление специальных зданий, использование в стеклопакетах

Стекло с низкоэмиссионным твердым покрытием

Устройства специального назначения

Токопроводящие

Бесцветные полупрозрачные зеркала

Архитектурная отделка зданий

Листовое цветное декоративное стекло

Окрашенное в массе

Для облицовки, как декоративное

Накладное

Для облицовки зданий в световых проемов, витражах

Марблит

Для облицовки внутренних стен, перегородок,  жилых и общественных зданий; для отделки мебели

Стемалит

Для наружной и внутренней облицовки зданий и для изготовления многослойных навесных панелей

 

Узорчатое. Декоративное - «мороз» и «метелица»

Остекление дверей, перегородок, мебели; декоративная отделка интерьеров

Архитектурно-строительные и облицовочные изделия из стекла

Строительное профильное - стеклопрофилит

Для строительства стен, перегородок, промышленных и торговых зданий, выставочных залов, предприятий общественного питания и на транспорте

Стеклопакеты

Для остекления промышленных, жилых, гражданских зданий, холодильных установок

Стеклянные блоки, прессованные линзы, призмы

В вертикальных стенах, перегородках, фонарях, в стекложелезобетонных покрытиях

Облицовочные изделия из стекла

Для облицовки бетонных панелей

Плитки: облицовочные – способом проката: прессованные эмалированные

Для облицовки стеновых панелей и кирпичных стен

Стеклянные трубки

Для сооружения напорных, безнапорных и вакуумных трубопроводов для транспортирования агрессивных жидкостей и газов (за исключением плавиковой кислоты) пищевых продуктов, воды и др. при температурах от -50оС до 120 оС

 

Шлакоситаллы

Наружная облицовка цоколей, стеновых панелей зданий, внутренняя защитно-декоративная облицовка стен, перегородок; покрытие полов в промышленных зданиях и сооружениях; защита конструкций и оборудования от агрессивных сред

Теплоизоляционные и звукоизоляционные стекломатериалы

Пеностекло

В качестве тепло- и звукоизоляционного материала в строительстве, а также как декоративно-акустическое, фильтрующее, влагозащитное

Теплозвукоизоляционные материалы на основе супертонких штапельных стекловолокон (СВ):

 

АТМ – 1 (стекломаты)

Для тепловой и звуковой изоляции строительных конструкций и трубопроводов, газовых плит, холодильных аппаратов

Стекловата теплозвукоизоляционная

Для теплоизоляции строительных конструкций

АТМ (вата или маты)

В качестве утеплителя любой формы

Теплоизоляционный материал М-15

Для теплоизоляции элементов конструкций жилых и общественных зданий, а также в звукоизолирующих и звукопоглощающих конструкциях

 

Прокладки теплоизоляционные строительные

Для изоляции строительных конструкций

Художественное стекло в строительстве и архитектуре

Декоративное стекло в архитектурной отделке

Декоративные детали из стекла; хрустальные колонны метро; хрустальный фонтан; хрустальный иконостас

Архитектурные элементы из стекла: монументальная скульптура, витражное стекло, мозаичная живопись.

Осветительная арматура, светильники, люстры, бюсты из стекла, художественные изделия, витражи, портретные мозаики, картины из смальт, мозаичные картины станций метро.

 

 

Заключение.

Стекло – материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества. Вещество в стеклообразном состоянии (стеклообразным веществом) называется твердое некристаллическое вещество, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения. По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, металлические, оксидные, галогенидные, халькогенидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др. Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов – сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фосфор (P), углерод (C). Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2.

Физические свойства. Плотность – масса вещества в единице объема, кг/м3; d=M/V. Упругость – свойство материалов восстанавливать форму и объем после прекращения действия деформирующих сил. Хрупкость. В области низких температур (ниже tg – температуры стеклования) стекло наряду с алмазом и кварцем является идеально хрупким материалом, т.е. способно разрушаться под действием механических напряжений без заметной пластической деформации.

Оптические свойства. Пропускание, поглощение, преломление, рассеяние и отражение света является результатом взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Электрофизические свойства. Стекло относится к диэлектрикам, в которых проявляется преимущественно ионная проводимость.

Химическая стойкость стекол. По характеру действия на стекло реагенты можно разделить на две группы. К первой группе относятся вода, влажная атмосфера, растворы кислот (кроме фосфорной и плавиковой), нейтральные или кислые растворы солей, т.е. реагенты с рН ≤ 7; ко второй – реагенты с рН>7, т.е. растворы щелочей, карбонатов и т.п.

Строительное листовое стекло, стеклянные изделия различной номенклатуры и стекломатериалы широко применяются для остекления различных проемов, в ограждающих конструкциях, отделке и декорирования зданий, теплоизоляции и других изделий.

 

Список использованных источников и литературы.

Литература.

1. Под ред. Несветаева Г.В. Строительные материалы: учебно-справочное пособие/ Г.В. Несветаева. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – ростов н/Д: Феликс, 2007. – 620 с.

2. http://nasio.ru/5/

3. http://www.zavodstekla.ru/prosostav.htm

4.http://window.edu.ru/window/library?p_rid=21299

5.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE

6. http://www.silicat.net/index.php?option=com_content&task=view&id=47&Item...