Химический состав, масс. %

Название

стекла

£ |

11 I *

X

H

so₃

0,5

0,5

i

н

Fe₂Oi

к₂о

Na,0

Si0₂

Bi0₂

Al₂0₃

CaO

MgO

о

a

С

Пистовое

Флоат

87

85

2580

0,2

13,4-

13,5

14,9

73,0

71,9

8,6-

9,0

6,7

1,0

2,0

3,2-

3,6

4,1

III

84-87

85-90

2500

0,1

ВВС

Электротех ническое Кварцевое Кинескопное

5

94

2200

0,02

14,3

0,04

3,7

99

46,3

0,04

0,1

0,6

1,5

PbO-

30,9

8,9

3,2

Сортовое Посудное Хрустальное

90-95

2500

2800

<0,05

<0,02

2,0

10,0

74.0

57.0

16,0

6,0

PbO

27,0

7,5

1,0

0,5

0,5

харак

катио

тетра

спосс

струн

посл< что > Крис

СТру]

3.4).

Тарное

Узкогорлая

тара

Широкогор- пая тара

2450

2550

0,2!

0,23

1,2

15,1

MnO

1,2

69,9

2,3

9,4

0,7

0,6

16,0

5,2

71,5

3,2

3,4

соединения. Под изменяемой -оксиды щелочных, щелочноземельных и других металлов, имеющихся в составе стека. Далее Д. И. Менделеев указывает на полимерное строение молекул, образующих главную часть стекла.

Художественное материаловедение: по видам матеишюв

Эти предположения легли в основу современных представлений о строении стекла, которые базируются на понятиях ближнего и дальнего порядка.

Для силикатных материалов ближний порядок характеризуется расположением аниона кислорода относительно _катиона кремния в координационной группе [Si0₄]*-, имеющей форму тетраэдра.

Подобные тетраэдры, соединяясь друг с другом вершинами способны образовывать непрерывную трехмерную сетку - основуструктуры как стекол, так и кристаллов.

Дальним порядком называют строго периодическое и последовательное расположение тетраэдров [Si0₄]⁴' в пространстве, что характерно для кристаллических тел. Таким образом, структуре кристаллов присущ как ближний, так и дальний порядок.

(Особенность строения стекол состоит в том, что в их структуре имеется ближний порядок, и отсутствует дальний (Рис. 3.4).

Рис. 3.5. Зависимость вязкости стекла

|ПОНИЖЕНИЕТЕМПЕРАТУРЫ

Компоненты, способные самостоятельно образовывать структурную непрерывную сетку (оксиды кремния, бора, фосфора др.) принадлежат к группе стеклообразователей. Компоненты, не способные самостоятельно образовывать структурную сетку (оксиды щелочных, щелочноземельных и других металлов), называют модификаторами.

Но 1 ряд

- вя выр ВЯЗ]

уел

сте

Tat

(ля

тве

пр<

те!

вы

СП

и

ф<

де

Bj

Yi

Д*

вз

сг

Ц

с

с

и

t

<

с

Модификаторы разрыхляют структуру стекла, она становится менее жестко связанной, менее прочной, более подвижной. Такие изменения структуры стекла влияют на его физико-химические и технологические свойства. Таким образом, химический состав стекла определяет в значительной степени его свойства, которые могут колебаться в очень широком диапазоне. Стеклу, как большинству твердых тел, присущи технологические, оптические, механические, электрические и другие физико-химические свойства.

,Ю три из них, объединенные в одном материале, выводят стекло в

_рЯд уникальных твердых тел^? ^v

Одним из них является важнейшее технологическое свойство . вязкость. Она задает параметры всех стадий процессов варки и вьф&ботки изделий из стекла. Г1о температурному ходу кривой вязкости в процессе охлаждения стекломассы из расплава все стекла условно делят на две группы ’’длинные” и ”короткие". У коротких стекол при снижении температуры вязкость возрастает быстро (At^A)Такие составы стекол выбирают при массовом производстве изделий (листовое стекло, стеклотара), поскольку, благодаря быстрому твердению, их можно получать с высокой скоростью и высокой производительностью. У длинных стекол при уменьшении температуры вязкость нарастает медленно, поэтому из них вырабатывают сортовые и художественные изделия (At^B) . Мастеру стеклоделу необходимо время для придания изделию нужной формы и выполнения декорирования. Сложность и индивидуальность формы изделия и разнообразие использованных способов декорирования во многом определяются длиной стекла.(рис. 3.5). Влияние химического состава стекла на вязкость очень существенно. Увеличение содержания оксидов модификаторов снижает вязкость и делает стекло более длинным, а стеклообразователей - увеличивает вязкость и уменьшает длину стекла.

Наиболее удивительным свойством большинства силикатных стекол является их прозрачность.Именно прозрачность стекла так ценилась людьми на протяжении пяти тысячелетий, тем более что не слишком много твердых материалов способны пропускать более 95% солнечного света. Так почему же стекло прозрачно? Стекло прозрачно потому, что в отличие от большинства твердых тел, в нем нет никаких препятствий для прохождения фотонов видимого света. Фотоны взаимодействуют со свободными или неспаренными электронами атомов вне зависимости от их расположения. В структуре большинства силикатных стекол нет свободных электронов, поскольку они не содержат элементов переменной валентности. Другим препятствием для прохождения света могут

удожественное материаловедение: по видам материалов

быть границы фазового раздела, как у керамики или несмешивающихся жидкостей, и которые отсутствуют в стекле, поскольку оно однофазный материал. Таким образом, прозрачность стекла обусловлена его составом и особенностями структуры.

И, наконец, высокая химическая стойкость стекол, благодаря которой мы знаем насколько это древний материал. Силикатные стекла очень медленно разрушаются в водной и кислой среде, благодаря чему они практически вечны в остеклении и незаменимы для хранения агрессивных жидкостей. Существуют специальные стекла, стойкие в щелочной среде, а также растворимые в разных растворителях.

Именно эти три свойства - регулируемый интервал вязкости, открывающий практически неисчерпаемые возможности для применения разнообразных способов формования, прозрачность, недостижимая для большинства твердых материалов, и химическая стойкость, позволяющая рассчитывать на долгосрочное использование изделий из стекла, выделяют его в ряду других твердых материалов. Эти свойства обеспечивают широкое использование стекла в строительстве и автомобилестроении.

К несомненным достоинствам стекла следует так же отнести его замечательную способность к окрашиванию. Окрашивание стекол производят за счет введения в состав компонентов, рассеивающих или поглощающих часть спектра видимого света. Все красители, применяемые в стеклоделии, делят на три класса: ионные, молекулярные и коллоидные, в соответствии с природой окрашивающих частиц.

Основные красители, применяемые в стеклоделии, приведены в таблице 3.2.

Необходимо помнить, что окрашивание стекла является тонким и сложным процессом. Цвет и интенсивность окрашивания зависят не только от вида и концентрации красителя, но и от окислительно-восстановительных условий варки и состава стекла. Например, оксид меди (II)в окислительных условиях окрашивает

Цвет стекла	Краситель			Сонцентрация, масс. %		Вид сырья
	вид	наименование
фиолетовый	ионный	оксид никеля (hi) оксид марганца (IV)	>.030 о ),030-0,050 г ( I \ь		ксид никеля (II) идроксид никеля I) иролюзит, ланганат калия
Сиреневый	ионный	оксид неодима (111)	5,015-0,045 С		жсид неодима (III)
Синий	ионный	оксид кобальта (11)	0700002-0,500 с		жсид кобальта (II)
Голубой	ионныи	оксид меди (II)	Ш 0-0,020 с ||		жсид меди (II) медный купорос
Зеленый	ионный	оксид меди (II) оксид железа (II) оксид урана (IV) оксид хрома (III) оксид празеодима (III)	(дао < 0,030 I 0,020 0,001-0,015 0,030		эксид меди (II) пирит оксид урана (IV) бихромат калия оксид празеодима (III)
Розовый (розалин)	молеку­ лярный коллои дный	селен оксид эрбия (III) золото	о;оо5 0,003 0,00001		селенит натрия оксид эрбия (III) соли золота
Желтый	молеку­ лярный коллои дный ионный	сульфид кадмия сульфид железа (10 серебро оксид церия (IV)	0,015-0,0Й0 0,010 0,00001 0,015		сульфид кадмия сера\ нитрат серебра оксид церия (IV)
Оранжевый красный	молеку­ лярный	ульфид и селенид кадмия			соотношение компонентов определяет цвет
Красный (рубин) золотой Медный	коллои дный	металлическое золото металлическая медь	Ь,Ш2-0,0003 0,0001		металлическое золото металлическая медь

Красители, применяемые в стеклоделии

Ч1КИ ИЛИ

стекле,

Ъачность

У*

Штекол^

*

материал. \ и кислой :клении и шествуют творимые

вязкости,

)СТИ для рачность, (мическая осрочное у других широкое ш.

г отнести шшвание юнентов, вета. Все : ионные, фиродой

эиведены

является шшвания но и от »а стекла, рашивает

Таблица 3.2

стекло в синий цвет, а в восстановительных переходит в оксид меди (I) и окрашивание исчезает, дальнейшее восстановление оксида до металлической меди дает медный рубин.

Однако есть у стекла и уязвимые места. Это, прежде всего, прочность и склонность к кристаллизации. Одним из важнейших свойств любого материала является прочность. Невысокая прочность стекла известна всем. Когда говорят: "Прочный, как стекло" понятно, что речь идет о чем-то ненадежном. Но ведь прочность химической связи между кремнием и кислородом достаточно велика, поэтому теоретически рассчитанная прочность стекла выше прочности стали. Причиной низкой прочности стекла в реальной жизни является состояние поверхности. Как показали многочисленные исследования мельчайшие трещины на поверхности стекла, возникшие из-за абразивного воздействия частиц пыли, влаги, неправильного хранения и т.п., при наложении нагрузки могут начать рост вглубь материала, разрушая его. Из-за этого реальная прочность стекла оказывается на 3 - 4 порядка ниже теоретической. В этом слабость стекла и в этом заключен огромный потенциал, ведь уже сегодня никого не удивить небьющимся стаканом.

Еще одним важным свойством стекла является кристаллизационная способность. Как отмечалось выше кристаллическое состояние вещества энергетически более выгодно, чем стеклообразное. Только высокая вязкость не позволяет структурным элементам стекол перестроиться из аморфного неупорядоченного в более правильный кристаллический порядок. Однако при повышенных температурах при нарушении режима формования изделий, поскольку вязкость пластичного стекла значительно ниже, чем твердого, может происходить частичная кристаллизация стекла. Этот процесс приводит к помутнению, уменьшению блеска поверхности или полной потере внешнего вида и свойств стеклоизделия.

И, наконец, коэффициент термического расширения, выражающий зависимость величины удлинения материала (объемного или линейного) от температуры. Важнейшая

технологическая характеристика, позволяющая подбирать разные по составу и свойствам стекла для изготовления сложных изделий, ^апример, для изготовления телевизионной трубки используют три _с0става стекла и впаивают в одно из них металлические детали. Если_при этом разница коэффициентов расширения какой-либо пары (стекло-стекло или стекло-металл) превысит 15 % изделие "взорвется" из-за возникших напряжений. По тем же причинам разрушаются художественные изделия, в которых сосуществуют разные сочетания цветных и бесцветного стекол. По кривой, выражающей зависимость изменения удлинения стекла от температуры, кроме расчета величины коэффициента расширения, определяют такие важные в технологии стекла параметры как температура размягчения (T_g), температура начала деформации (T_f) и температурный интервал отжига (Т_{в 0}и Т_{н 0}).