Структура и свойство стекла

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их хими­ческого состава и температурной области затвердевания, обладающие в результате постепенного увеличения вяз­кости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Это общее определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР, охватывает наиболее характерные свойства, при­сущие любой стекловидной системе.

Для стекловидного состояния характерно наличие не­больших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изо­тропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.

А. А. Лебедев, изучая процессы отжига и закалки стекла, впервые пришел к выводу о наличии в структуре стекла микрокристаллических образований — кристалли­тов. Кристаллиты обладают во внутренней ча­сти сравнительно нормальной кристаллической решеткой, состоящей из групп тетраэдров SiO4, но по мере прибли­жения к периферии их структура становится все менее упорядоченной, и прослойки между кристаллитами об­ладают уже аморфным строением. Кристаллитная теория структуры стекла развита в работах советских ученых, показавших «микрогетерогенность» строения стекла. На ее основе создан новый класс стеклокристаллических материалов — ситаллов, обладающих лучшими свойства­ми стекла и нехрупких материалов.
В силикатных стеклах катионы металла помещаются между отрицательно заряженными тетраэдрами SiO4, не нарушая структуры силикатного каркаса.

Стеклообразное состояние является менее устойчи­вым по сравнению с кристаллическим и обладает избы­точным запасом внутренней энергии, поэтому возможен самопроизвольный переход лишь из стеклообразного со­стояния в кристаллическое, сопровождающийся выделе­нием небольшого количества теплоты. Благодаря своей структуре стекло обладает рядом специфических свойств, к которым относятся прозрачность, хрупкость, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, чувствитель­ность к резким изменениям температуры. Этот материал непроницаем для воды и воздуха, обладает низкой элек­тропроводностью.

Светопропускание измеряют коэффициентом пропус­кания Светопропускание оконного стек­ла 90—92%, профильного 84—86%, стеклоблоков 82— 85 %.

Светопропускание зависит не только от вида стекла, но и от угла падения световых лучей. Поскольку, стекло поглощает всего лишь около 2 % световых лучей, то ос­новной причиной снижения светопропускания является отражение лучей.
Оконное стекло обладает хорошим пропусканием в инфракрасной области спектра и плохо пропускает ульт­рафиолетовые лучи; органическое стекло имеет в этом отношении преимущество (рис. 4.2).

Плотность листового стекла составляет 2,5 г/см?', ар­мированного до 2,6 г/см3.
Обладая значительной плотностью, стекло хорошо проводит звук. Окно считается самым слабым конструк­тивным элементом стены здания в отношении воздейст­вия внешней шумовой нагрузки. Усредненный коэффици­ент звукоизоляции стеклопакетов зависит как от рассто­яния между стеклами, так и от толщины стекла. Стремясь улучшить звукоизоляцию, используют стекла разной толщины, уделяя особое внимание качеству вы­полнения швов.
Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4—0,82 Вт/(м*°С). Малой тепло­проводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных оксидов. Пеностекло, являющееся теплоизоляционным материалом, имеет теплопровод­ность 0,045—0,058 Вт/(м °С).
Теплоемкость стекол определяется их химическим со­ставом. При комнатной температуре их теплоемкость составляет 0,63—1,05 кДж/(кг*°С).

На термическое расширение стекол также влияет хи­мический состав. Наиболее низкий температурный коэф­фициент линейного расширения кварцевого стекла .5,8*107ОС1   обычных   строительных   стекол    (9*106 — 15*10 6)°С~1. Термостойкость стекла зависит от темпе­ратурного коэффициента линейного расширения.

На самом деле температурный градиент изменяется в за­висимости от толщины материала и его теплопроводно­сти. Поэтому термостойкость стекла зависит и от толщи­ны изделий. Например, листовое стекло толщиной 2 мм выдерживает перепад температур в 100°С, а с увеличе­нием толщины до 5 мм термостойкость понижается и со­ставляет всего 80 °С. Для повышения термостойкости прибегают к корректированию состава стекла (например, путем введения бора); при этом температурный коэф­фициент линейного расширения резко уменьшается. Наи­более термостойко кварцевое стекло.
Силикатное стекло обладает удельным электрическим сопротивлением (при нормальной температуре) от 1010 до 10" Омсм, пробивная напряженность 450 кВ/см.
Наибольшее влияние на электропроводность оказы­вает содержание в них оксида лития: чем больше его в со­ставе стекла, тем выше электропроводность. Понижают электропроводность оксиды двухвалентных металлов (больше всего ВаО), а также SiO2 и В2О3. Следует учи­тывать поверхностную проводимость стекла, которую обусловливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное количество влаги и вызывает повышенную активность стекла.

Стекло поддается механической обработке: его мож­но пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии при 800—1000 °С стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.

Такие разнообразные механические свойства стекла позволяют выделить его среди других конструкционных материалов и использовать эти свойства при конструи­ровании изделий из стекла.

Теоретическая прочность при растяжении, рассчитан­ная по структурной сетке, весьма велика и составляет для обычного оконного стекла 6500— 8000 МПа. Однако фактическая прочность оконного стек­ла при растяжении и изгибе значительно меньше теоре­тической вследствие микродефектов в структуре и на по­верхности стекла и составляет всего 30—90 МПа.
Стекло обладает высокой прочностью на сжатие. (700—1000 МПа), иногда до 1250 МПа. Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно хрупко; прочность при ударном изгибе составляет всего около 0,2 МПа. Твер­дость его равна 5—7 по шкале твердости.
Отличительны деформативные свойства стекла. У стек­ла отсутствуют пластические деформации, стекло подчи­няется закону Гука вплоть до момента хрупкого разру­шения. Модуль упругости 70 000—75 000 МПа, модуль сдвига 20 00.0—30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.