Свойства стекла

Категория:
Шлифование и полирование стекла


Свойства стекла

Физико-механические свойства. Физические свойства характеризуют состояние материала и его способность реагировать на воздействия внешней среды, не влияющие на химический состав материала. Механические свойства — это способность материала сопротивляться разрушению и деформациям под действием внешних приложенных сил. Рассмотрим основные физико-механические свойства стекла.

Прочность — способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Напряжение, при котором материал разрушается, называется пределом прочности.

В зависимости от характера прилагаемой нагрузки различают прочность на сжатие и растяжение.

Предел прочности стекла при сжатии R характеризуется разрушающей силой сжатия F, действующей на поперечное сечение 5 образца, R—F/S, Па. Предел прочности при сжатии для стекол различных видов от 500 до 2000 МПа, например хрустального 700 …800 МПа, чугуна 600… 1200, некоторых видов стали 2000 МПа. На прочность стекла влияет его химический состав: оксиды кальция и бора СаО и В203 повышают прочность в большей степени, чем оксиды свинца и алюминия РЬО и А1203; такие оксиды, как MgO, ZnO и Fe203, практически не изменяют прочности стекла.

Стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие: прочность стекла на растяжение 35… 100 МПа, т. е. в 15… 20 раз меньше, чем на сжатие. Поэтому области применения стекла при различных механических нагрузках определяют в зависимости от предела прочности при растяжении.

Прочность на растяжение больше зависит от состояния поверхности, чем от химического состава: наличие на поверхности повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4… 5 раз. Поэтому поверхность стекла при необходимости защищают кремнийорганическими пленками.

Хрупкость — способность твердых тел разрушаться при механическом воздействии. Хрупкость зависит от структурного состояния тела и условий испытаний. Химический состав стекла незначительно влияет на хрупкость. Например, при увеличении в составе стекол В20з, Si02, АЬ03 и MgO их хрупкость несколько понижается. Гораздо больше на хрупкость стекол влияют однородность (чем менее в стекле посторонних включений, тем более оно однородно и тем ниже его хрупкость), конфигурация и толщина стенок изделий.

Твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала. Это величина относительная, так как твердость одного материала оценивается по отношению к другому.

Самый простой метод определения твердости — это сопоставление ее с твердостью минералов, включенных в шкалу твердости. В этой шкале 10 минералов расположены по возрастающей твердости, начиная от талька (твердость 1) и кончая алмазом (твердость 10). Твердость исследуемого материала определяют, последовательно царапая его минералами, входящими в шкалу.

Однако этЬт метод не позволяет оценивать твердость такого хрупкого материала, как стекло, которое растрескивается во время испытания. Поэтому твердость стекла характеризуют микротвердостью.

Микротвердость определяют путем вдавливания при заданной нагрузке алмазной пирамиды в стекло и рассчитывают по формуле Н= 1,854 P/D2, где Н — микротвердость, МПа; Р — нагрузка, МН; D — диагональ отпечатка пирамиды на стекле, мм. Микротвердость стекол 480… 10 000 МПа. К более твердым относятся малощелочные боросиликатные стекла с содержанием В2О3 до 10… 12%. Стекла с большим содержанием щелочных оксидов имеют значительно меньшую твердость.

Одним из методов испытания твердости стекла является метод шлифования, или абразивной твердости. Твердость по этому методу определяют в зависимости от скорости сошлифо-вывания единицы поверхности образца CTeiyia при определенных условиях шлифования. Используя этот метод, можно подобрать соответствующий абразивный материал, обеспечивающий наивысшую производительность процесса шлифования и полирования, и установить влияние различных факторов на скорость сошлифовывания.

Твердость стекол, а значит, и способность к механической обработке зависят от химического состава стекла. Наиболее легко обрабатываются свинцовые силикатные стекла, т. е. хрустальные. И чем выше содержание оксида свинца в составе стекла, тем меньше усилий надо приложить при шлифовании такого стекла, обеспечивая при этом высокое качество поверхности.

Теплоемкость — отношение количества теплоты, сообщаемой телу при бесконечно малом изменении его состояния в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры этого тела. Количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы тела на 1°, называется удельной теплоемкостью. Выражатся она в джоулях на килограмм-кельвин: Дж/(кг-К).

Теплоемкость стекла определяется его химическим составом. Для стекол различных составов удельная теплоемкость при комнатной температуре составляет 0,33… 1,05 Дж/(кг-К). Для сравнения можно отметить, что удельная теплоемкость меди 0,38 Дж/(кг-К), серебра —0,21, свинца —0,12 Дж/(кг-К). Тяжелые оксиды типа РЬО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, легкие Li20 повышают ее.

Стекла, обладающие пониженной теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем стекла с повышенной теплоемкостью. С повышением температуры теплоемкость увеличивается, причем до температуры начала размягчения стекла незначительно, а при пластичном состоянии стекла начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости с повышением температуры наблюдается у стекол и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность — способность материала пропускать теплоту сквозь свою толщу от одной поверхности к другой, если у этих поверхностей разная температура.

Теплопроводность вещества характеризуется коэффициентом теплопроводности X, который показывает, какое количество теплоты в джоулях способен пропустить материал через 1 м2 поверхности при толщине материала 1 м и разности температур на поверхности 1 К в течение 1 с. Коэффициент теплопроводности выражается в ваттах на метр-кельвин [1 ккал/(ч-м-К) = = 1-163 Вт/(м-К)]. Стекло плохо проводит теплоту, коэффициент теплопроводности стекла 0,95 …0,98 Вт/(м-К). Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло. При замене Si02 любыми другими оксидами теплопроводность понижается.

С повышением температуры теплопроводность стекол увеличивается; так, при нагревании стекла до температуры начала его размягчения коэффициент теплопроводности повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения — это температура, при которой изделие из стекла начинает деформироваться. Температуру начала размягчения необходимо знать при обработке стекла — оплавлении края изделий, термическом полировании, стеклодувных работах. Наивысшей температурой размягчения обладает кварцевое стекло— 1200 … 1500 °С; сортовые стекла начинают размягчаться при 550 … 650 °С.

Температура начала размягчения определяется химическим составом стекла: тугоплавкие оксиды (ЭЮг, AI2O3) повышают ее, легкоплавкие (NajO, К2О) понижают.

Термическое расширение — изменение размеров тела в процессе его нагревания. Термическое расширение характеризуется термическими коэффициентами объемного р и линейного а расширения. Для характеристики расширения твердых тел чаще пользуются термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).

Тепловое расширение стекол имеет большое значение при изготовлении сортовых накладных изделий. Соединяемые стекла нужно подбирать так, чтобы они имели близкие ТКЛР, иначе в шве возникнут напряжения и изделие может разрушиться.

ТКЛР стекла в значительной степени зависит от его химического состава: щелочные оксиды увеличивают его; тугоплавкие типа Si02, AI2O3, а также В203, как правило, понижают.

Термостойкостью называется способность стекла выдерживать резкие перепады температур без разрушения.

В отличие от других тепловых свойств термостойкость является свойством изделия и зависит не только от свойств материала, из которого оно сделано, но и от интенсивности теплоотдачи на поверхности образца, качества этой поверхности, а также геометрических размеров образца.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности и теплоемкости и главным образом от коэффициента теплового расширения. Чтобы уяснить эти зависимости, проанализируем причины разрушения стекла при резком охлаждении и нагревании. Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся сжаться. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно в силу малой теплопроводности стекла. Напряжения, образующиеся между наружными и внутренними слоями, приводят к разрушению стекла. То же происходит и при резком нагревании стекла. Только при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше возникает напряжений и тем меньше его термостойкость.

Химический состав стекла в значительной степени определяет ого термостойкость: оксиды, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

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

Оптические свойства. Оптические свойства характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его молекулярного строения. Блеск хрустального стекла, игра света на его гранях объясняются совместным проявлением различных оптических свойств.

Преломление света — это изменение направления распространения луча света при прохождении через границу раздела двух прозрачных сред.

Отражение света — возвращение световой волны при ее падении на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления в первую среду. Отношение потока излучения, отраженного данным телом, к потоку, упавшему на него, называется коэффициентом отражения. Коэффициент отражения возрастает с увеличением показателя преломления, поэтому стекла, имеющие высокий показатель преломления (содержащие оксиды тяжелых элементов), имеют и повышенный коэффициент отражения.

Дисперсия света представляет собой разложение света в спектр при преломлении. Вследствие различного преломления пучок света, проходя через стеклянную призму, разлагается на Цветные лучи: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Чем больше различие в показателях преломления для разных Длин волн, тем шире получается спектр, на который раскладывается падающий световой луч, а следовательно, шире и заметнее полосы отдельных цветов.

Дисперсия зависит от химического состава стекла; она возрастает при увеличении в стекле тяжелых оксидов, например РЬО, чем и объясняется игра света в хрустальных изделиях.

Поглощение света — уменьшение интенсивности света проходящего через среду, вследствие взаимодействия его с частицами среды. При падении светового пучка на поверхность прозрачного тела часть света отражается, часть проходит через него, преломляясь, а небольшая часть поглощается стеклом Как правило, поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений — красителей, вызывающих избирательное поглощение лучей определенной длины волны. Вследствие этого стекло выглядит окрашенным. Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%). Чтобы стекло было прозрачным, в сырьевых материалах не должно быть примесей, которые вызывают поглощение света.

Рассеяние света — отклонения распространяющегося в среде светового пучка во всевозможных направлениях. Рассеяние света зависит в основном от состояния поверхности стекла и однородности его массы. Если поверхность стекла шероховата или в его массе содержатся инородные включения, то луч света, падая на них, частично рассеивается. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным. Рассеивающими стеклами пользуются при изготовлении светотехнической арматуры (абажуры, колпаки, плафоны).

Игра света на гранях хрустального изделия основана на совместном проявлении преломления, дисперсии, отражения. Рисунок, который наносят при гравировании на изделия из хрусталя, составляется из ряда полных и усеченных призм с наклонными стенками. Эти призмы разлагают падающий свет на цвета, составляющие спектр. Наличие на поверхности изделий клинообразных прорезов, являющихся в сечении правильными треугольными призмами, способствует дисперсии света. Призмы, образуемые прорезами клиновидного профиля, разлагают белый свет на составляющие цвета, и чем выше показатель преломления хрусталя, т. е. чем больше оксида свинца содержится в таком стекле, тем сильнее радужная игра света на поверхности грани. Именно этот эффект используется при производстве хрустальных подвесок, имеющих четкую геометрическую огранку и используемых при изготовлении люстр.

Расстояние между соседними прорезями, которые необходимо сделать для большей игры света, устанавливают в зависимости от радиуса кривизны изделия в местах нанесения линий резьбы, толщины стенок изделия, глубины прорезаемых линий, угла падения света на грани рисунка, показателя преломления стекла.

Участки изделия между двумя соседними линиями резьбы можно рассматривать как призму, преломляющую свет. В результате на плоскостях нанесенного рисунка дисперсия света появляется в виде разноцветных огоньков-искорок в стекле. Максимальный блеск можно получить при однократном полном внутреннем отражении в стекле. Многократное внутреннее отражение света не способствует игре света на гранях рисунка, так как при этом происходит частичное поглощение света.

Если несколько клинообразных прорезов расположены параллельно друг другу, то при наличии острого угла между плоскостями клинообразного прореза они являются плоскостями полного внутреннего отражения. Клинообразные прорези с тупым углом не отражают света, и грани, образованные такими плоскостями, не производят никакого оптического эффекта.

Химические свойства материала характеризуют его способность к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми он соприкасается. Для изделий из стекла, которые в процессе эксплуатации испытывают воздействие различных химических веществ, очень важно такое свойство, как химическая стойкость.

Химической стойкостью стекла называют его способность противостоять разрушающему (агрессивному) действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы, а также действию растворов различных химических реагентов (агрессивных сред).

Стойкость стекла зависит от его химического состава и природы действующего агента. Так, стекло, стойкое к действию воды или растворов кислот, может разрушаться от действия щелочных растворов или растворов некоторых солей.

При воздействии воды или влаги воздуха на силикатное стекло находящиеся на поверхности силикаты металлов гидро-лизуются. Силикаты щелочных металлов при этом распадаются на едкую щелочь и гель кремниевой кислоты. Далее гидроксиды щелочных металлов реагируют с углекислым газом, содержащимся в воздухе. Продукты реакции, в свою очередь, растворяются в действующей на стекло влаге и образуют щелочной раствор. Если поверхность изделий открыта и свободно омывается водой, то щелочной раствор с нее стекает. Вследствие этого поверхностный слой стекла выщелачивается. На нем создается пленка из геля кремнекислоты, которая со временем утолщается и уплотняется, защищая стекло от дальнейшего гидролиза. В таких условиях выщелачивание стекла постепенно замедляется.

Иначе разрушаются боратные или фосфатные стекла, не содержащие кремнезема. Стойкость таких стекол во много раз уступает стойкости силикатных и определяется скоростью их растворения в том или ином реагенте. Как правило, никакой защитной пленки, замедляющей дальнейший процесс разрушения стекла, не образуется.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после опыта. Для этого приготовляют порошок из испытываемого стекла или массивный образец стекла. Сначала образец или порошок взвешивают, затем подвергают кипячению в агрессивной среде. Чаще всего испытания проводят в растворах NaOH, Na2C03, H2S04 и в дистиллированной воде. После опыта образец высушивают и взвешивают на аналитических весах. Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.

Химическую стойкость определяют также количеством кислоты (НС1), пошедшей на титрование раствора, которым было обработано испытуемое стекло: чем больше израсходовано кислоты, тем меньше химическая стойкость стекла. В зависимости от количества кислоты (л), расходуемой на титрование навески стекла 5 г, различают следующие пять гидролитических классов: I — 0… 0,32, II — 0,32—0,65, III —0,65 …2,8, IV — 2,8 …6,5, V — 6,5 и более. К I гидролитическому классу относится кварцевое стекло, к III — большинство стекол.

Известно, что существует определенная связь между механической прочностью и химической стойкостью. Хрустальные стекла, являясь относительно «мягкими», имеют более низкую химическую стойкость. А это значит, что потери массы хрустального стекла при химической обработке будут тем больше, чем выше содержание оксида свинца.

Хотя и существует непосредственная -зависимость между уменьшением массы при химической кислотной обработке и химической стойкостью стекла, большее влияние на убыль массы оказывает структура стекла, т. е. его химический состав. Таким образом, главная причина того, что стекло с повышенным содержанием оксида свинца полируется лучше, заключается в следующем: при большем содержании оксида свинца снятие поверхностного слоя определенной толщины обеспечивает более быстрое выравнивание поверхностных неровностей. На этих стеклах достаточно снять очень небольшой слой стекла, чтобы обеспечить высокое качество химического полирования изделия.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум