Стекло это металл или неметалл

Обновлено: 22.01.2025

Стекло́ неоргани́ческое — квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок в расположении частиц. В современном понимании понятие «стекло» определяется не просто как материал, а как некоторое особое стеклообразное состояние твердого тела. Стекло — это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях.

В стеклообразное состояние можно перевести вещества различной природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы — галогенидные, нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко могут быть получены и многие органические вещества. Стекла легко образуются водными растворами многих солей и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла, полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического типа, с самыми разными видами химических связей — ковалентных, ионных, металлических и разнообразными физико-химическими свойствами.

Впервые человечество познакомилось с природным стеклообразным веществом — обсидианом — в доисторические времена. Как искусственный материал стекло впервые открыто в Египте ок. 4000 до н. э. На протяжении тысячелетий люди, используя различные добавки, добились большого разнообразия классов и разновидностей стекол. До XIX в. стекло применялось главным образом в изготовлении предметов утилитарного назначения и художественного стекла. В России становление науки о стекле и промышленного стеклоделия связано с именами М. В. Ломоносова и Д. И. Менделеева. Ломоносов первым в мировой практике стеклоделия обратил серьезное внимание на взаимосвязь свойств стекол и их химического состава. Заслугой Менделеева являются предвидение полимерного строения SiO₂ и развиваемые им представления о химической природе стекла, которое он рассматривал в общем контексте разработки таких фундаментальных понятий химической науки, как определенное-неопределенное соединение, раствор, сплав и т.д.

Структура стекла

Рентгенограммы кварцевого стекла лучше всего интерпретируются в рамках модели непрерывной беспорядочной сетки тетраэдров SiO₄ (атом кремния, окружен четырьмя атомами кислорода), и отражают ближний порядок в структуре стекла. Рентгеновские и нейтронографические исследования показали, что наличие неупорядоченной сетки подтверждается применительно к структуре однокомпонентных стекол. В бездефектном кварцевом стекле существуют только мостиковые атомы кислорода. Для стекол, содержащих два или более компонентов, характерна химическая неоднородность. При введении в SiO₂ оксида натрия в результате взаимодействия оксидов, несмотря на сохранение координации атомов кремния относительно кислорода, непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-O-Si, соединяющих тетраэдры между собой.

Состав и свойства стекол

По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO₂, В₂O₃, GeO₂, P₂O₅. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO₂) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных).

Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (~2, 3 г/см 3 ) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см 3 .

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м 2 ) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO₂ и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок.

Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры ~ 400°С, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Производство

Сырьем для изготовления стекла служат кварцевый песок SiO₂, сода Na₂CO₃, поташ K₂CO₃, известняк CaCO₃, доломит CaCO₃ . MgCO₃, сульфат натрия Na₂SO₄, бура Na₂B₄O₇, борная кислота H₃BO₃, сурик Pb₃O₄, полевой шпат Al₂O₃ . 6SiO₂ . K₂O и др. Сырьевые материалы измельчают, отвешивают в нужных соотношениях и тщательно перемешивают. Шихта, как правило, содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от целей дальнейшего использования стекла, окислители, красители, обесцвечиватели, осветлители, глушители, восстановители и окислители, ускорители варки или иные добавки. Красители придают стеклу нужный цвет. Для этого во время плавки в стеклянную массу добавляют окислы металлов. Например, железо сделает прозрачный материал голубовато-зеленым или желтым, марганец — желтым или коричневым, хром — травянисто-зеленым, уран — желтовато-зеленым (так называемое урановое стекло), кобальт — синим (кобальтовое стекло), коллоидное серебро — желтым, медь — красным. Полученную таким образом шихту загружают в стекловарочную печь. После этого шихту расплавляют при высокой температуре. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при температурах от 1200 до 1600°С в течение продолжительного времени — от 12 до 96 ч. При нагреве шихта плавится, летучие составные части (H₂O, CO₂, SO₃) из нее удаляются, а оставшиеся химически реагируют между собой, в результате чего образуется однородная стекломасса, которая идет на выработку листового стекла или стеклянных изделий. Стеклообразное состояние материала получается лишь при быстром охлаждении стекломассы. В случае медленного охлаждения начинается частичная кристаллизация, стекло теряет прозрачность из-за нарушения однородности, а отформованные изделия при этом обладают невысокой механической прочностью.

В процессе охлаждения расплава сильно изменяется вязкость стекломассы. Для любого стекла на графике температурной зависимости вязкости различают две характерные точки, соответствующие температурам текучести Т_т и стеклования Т_с. При температурах выше Т_т у стекла проявляются свойства текучести, типичные для жидкого состояния. Вязкость различных стекол при температуре Т_т примерно одинакова и равна 108 Па.с. Температуре стеклования Т_с, ниже которой проявляется хрупкость стекла, соответствует вязкость порядка 1012 Па.с. Интервал температур между Т_т и Т_с называют интервалом размягчения, в котором стекло обладает пластичными свойствами. Для большинства применяемых в технике силикатных стекол Т_с=400-600 о С, а Т_т=700-900 о С, т. е. интервал размягчения составляет несколько сотен градусов. Чем шире интервал размягчения, тем технологичнее стекло, так как в этом случае легче отформовать изделия. Изготовленные стеклянные изделия подвергают отжигу с целью устранения возникшего при неравномерном остывании напряжения.

Если в древности варка стекла осуществлялась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5–7 см, то в настоящее время для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава применяют шамотные горшки больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков, горшковые печи применяют для получения относительно небольшого количества стекла с точно выдержанным составом. В крупном производстве применяют ванные печи. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца. В таком режиме некоторые стекловаренные печи работают до пяти лет. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливают к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагревают сжиганием природного газа или мазута.

Силикатное стекло

Силикатные стекла по составу, а в связи с этим и по электрическим, оптическим, механическим свойствам можно разделить на:

бесщелочные стекла (отсутствуют окислы натрия и калия). В эту группу входит чистое кварцевое стекло. Стекла данной группы обладают высокой устойчивостью к нагреву, высокими электрическими свойствами, но из них трудно изготавливать изделия, особенно сложной конфигурации;
щелочные стекла без тяжелых окислов или с незначительным их содержанием. Эта группа состоит из двух подгрупп: натриевые и калиевые или калиево-натриевые. В эту группу входит большинство обычных стекол. Они отличаются пониженной устойчивостью к нагреву, легко обрабатываются при нагреве, но имеют пониженные электрические свойства: снижается удельное сопротивление, возрастают диэлектрические потери;
щелочные стекла с высоким содержанием тяжелых оксидов (например, силикатно-свинцовые или бариевые).

Электропроводящие прозрачные покрытия

Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Электропроводящая пленка (толщиной 0, 5 мкм), например, может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла до температуры 500-700 °С. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см 2 . После покрытия пленки тонким слоем люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося элемента (с голубым, зеленым, желтым свечением). При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких — боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели — хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда. Кроме того, в качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла.

Электротехнические изделия

Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0, 025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.

Устойчивость к радиоактивности

Стекло, устойчивое к радиоактивному излучению, получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских лучей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы улучшить устойчивость стекла к излучению, в шихту добавляют 0, 25-1, 5% окиси церия. Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по их плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с объемной массой 6200 кг/м 3 , содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и др. Стекло, устойчивое к действию радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.

Светочувствительные стекла

В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Например, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см 2 . Стекла этого типа используются для изготовления световых табло и элементов светового декора, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

Пористые стекла

Варьирование химического состава стекол, режимов отжига и последующей обработки разными растворителями позволило получать стекла с размером пор от нескольких десятков до 1000 ангстрем. Пористые стекла широко применяются как адсорбенты и как «молекулярные сита», которые пропускают мелкие молекулы и не пропускают более крупные. Молекулярные сита были использованы, например, при получении противогриппозных вакцин. При введении в поры каких-либо неорганических соединений и последующей термообработке при 1000 – 1200 о С получаются разнообразнейшие материалы, называемые импрегнированными кварцоидами. Они представляют собой массивное, во многих случаях совершенно прозрачное стекло, в котором уже нет пор. Это стекло обладает особыми свойствами, определяемыми составом введенных в поры веществ.

Оптические стекла

Значительную долю в производстве оптического стекла составляет оптическое стекло со специальными свойствами:

лазерное стекло на силикатной и фосфатной основе с различными концентрациями активатора, позволяющее создавать твердотельные квантовые генераторы, которые используются в научных исследованиях, медицине, специальных дальномерах и прицелах;
бескислородные или халькогенидные стекла для инфракрасной области спектра, применяются в оптических и полупроводниковых системах. Созданы особо чистые высокооднородные стекла, которые применяются в рентгеновских установках для защиты от излучения, используются в создании оптических систем для микролитографии, и позволяют получить микросхемы с разрешающей способностью менее микрона и обеспечить цветопередачу ТВ-систем;
на основе стекловолокна изготавливают волоконно-оптические элементы для передачи света и изображения. Применяются в космических аппаратах, военной технике, цветном телевидении, медицине, приборах ночного видения.

Фотохромные стекла

Фотохромными называются стекла, изменяющие окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами-«хамелеонами», которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B₂O₃, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди Cu₂O. При освещении в результате химической реакции выделяется атомарное серебро, что приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди играет роль своеобразного катализатора. При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) г-лучами нейтронами и в меньшей мере б-, и в-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образованием ионов, которые играют роль «цветовых центров». При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.

Халькогенидные стекла

Считаются весьма интересной и перспективной в практическом отношении группой веществ, сочетающих в себе свойства стекол и кристаллических тел полупроводников. Известны они очень давно. Например, одно из первых упоминаний о такого рода стеклах относится еще к 19 в. (стекло состава As₂S₃). Однако как определенный класс стекол они стали изучаться лишь в 1970-х гг., когда было установлено, что сплавы халькогенидов — сурьмы, мышьяка и таллия — образуют обширную область стеклообразного состояния. Халькогенидные стекла могут быть получены на основе самых различных сочетаний. В совокупности они представляют весьма обширную группу стекол, обладающих весьма разнообразными физико-химическими, физическими, электрическими и оптическими свойствами. Электропроводность халькогенидных стекол в зависимости от состава может находиться в границах 10-14-10 -1 ом -1 ·см- 1 , т. е. быть выше электропроводности многих известных кристаллических проводников. Изучение электрических свойств этой группы веществ показало, что по ряду признаков (температурная проводимость, большое значение термоэлектродвижущей силы, и особенно внутренний фотоэлектрический эффект) они являются типичными электронными полупроводниками с дырочным механизмом проводимости. Соединения такого типа в последние годы стали применять в переключающих устройствах, нелинейной оптике и в качестве стеклообразующих полупроводников.

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

стекло

твёрдый, прозрачный (бесцветный или окрашенный), хрупкий материал, получающийся при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды Si, B, Al, P, Ti, Zr и др.) и оксиды металлов (Li, K, Na, Ca, Mg, Pb). По внутренней структуре стекло аморфно, в нём нет упорядоченного атомного строения. Не имеет оно и определённой температуры затвердевания или плавления; при охлаждении расплава переходит из жидкого состояния сначала в пластичное, а затем в твёрдое (процесс стеклования). Нагревать и охлаждать стекло без видимых изменений его свойств можно неоднократно.

Наибольшее распространение получили оксидные стёкла, которые различают по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные, германатные. Стёкла могут быть одно – и многокомпонентными. Однокомпонентное кварцевое стекло, состоящее практически из одного оксида кремния, термостойко, огнеупорно при 1000–1100 °C, стойко в любых агрессивных средах (кроме плавиковой кислоты); обладает высокой прозрачностью, низким коэффициентом преломления. Двухкомпонентное стекло, содержащее Nа₂О (K₂О)-SiО₂, называют растворимым (силикат-глыба, силикат-гранулят); при растворении в горячей воде под давлением превращается в жидкое стекло, используемое в качестве уплотняющих замазок огнеупорных материалов, для изготовления силикатных красок, клея для бумаги, картона, стекла, дерева. Существуют также безоксидные, галогенидные, халькогенидные стёкла.

Прозрачность – наиболее характерное свойство стекла. Для разных областей спектра (видимой, УФ, ИК или рентгеновской) она неодинакова и зависит от химического состава стекла. Напр., ИК-лучи лучше пропускают алюмофосфатные и халькогенидные стёкла; УФ-лучи интенсивно поглощают стёкла, содержащие оксиды Pb, Fe, Ti; рентгеновские – стёкла с высоким содержанием оксидов Ba и Pb; жёсткое излучение не пропускают галогенидные стёкла на основе BeF2. Плотность стёкол колеблется от 2200 до 8000 кг/мі; наименьшая плотность у боратных, боросиликатных и кварцевых стёкол, наибольшая – у стёкол, содержащих оксиды свинца и бария. Стекло – хрупкий материал, не обладающий пластической деформацией, у него очень низкая ударная прочность. Повышают прочность стёкол отжигом, термической закалкой; прочность стекла можно увеличить обработкой поверхности газовыми реагентами, поверхностной кристаллизацией, нанесением полимерных покрытий, армированием стекла, склеиванием стёкол в стеклопакеты. Стёкла могут быть диэлектриками, полупроводниками и проводниками. Силикатные и другие оксидные стёкла, как правило, хорошие изоляторы (лучший из них – кварцевое стекло). С увеличением содержания оксидов тяжёлых металлов повышается диэлектрическая проницаемость стёкол. Халькогенидные стёкла обладают электронной проводимостью. Получают стекло сплавлением шихты, состоящей из кварцевого песка, известняка и соды, для производства пеностекла в шихту добавляют порообразователи. Процесс осуществляют в электрических или газопламенных печах непрерывного действия при 1100–1600 °C; образующуюся стекломассу постепенно охлаждают, равномерно снижая температуру. Формуют изделия из неостывшей стекломассы с определённой вязкостью методами прессования, прокатки, выдувания или вытягивания на специальных формующих машинах. Окрашивают стёкла введением в шихту оксидов металлов, напр. Cr₂O₃ придаёт стеклу зелёную окраску, CuO или CoO – синюю, Sb₂O₃ – жёлтую, коллоидные растворы Cu и Au – рубиново-красную. Белое («молочное») стекло получается добавлением в шихту порошка полевого или плавикового шпата.

Впервые изделия из стекла появились в Древнем Египте и Месопотамии ок. 4 тыс. лет до н. э. Первые стёкла были цветными и непрозрачными. Из них делали украшения, амулеты. В Древнем Риме умели получать довольно прозрачное листовое стекло для окон. В 1-м тыс. до н. э. была изобретена стеклодувная трубка. Из стекла стали выдувать кувшины, кубки, флаконы и другие сосуды; их украшали росписью, эмалью, гравировкой. Центром стеклоделия в течение многих столетий был остров Мурано близ Венеции (венецианское стекло).

Стекло́ как материал известный и используемый с древнейших времён. Существует в природной форме, в виде минералов (например, технологии — одной из древнейших в материальной культуре. Структурно — аморное вещество, агрегатно относящееся к разряду — прочность, неорганических и органических изучаются физической химией в интитутах и лабораториях во всём мире.

Происхождение и история возникновения стекла позволяет это название применять:

В общем обиходе — твёрдое, ломкое, прозрачное аморфное тело, используемого для окон, бутылок, защитных очков и как неограниченный набор боросиликатных, алюминиевых оксинитридов.
В техническом смысле cтекло применяется как материал, относящйся к неорганическим веществам и рассматривается как неорганическое стекло расплава, охлаждённого при определённых условиях до твёрдого, аморфного, с высокой вязкостью состояния без кристаллизации. [4]
В научном смысле это понятме рассматривается в плане историческом происхождения стекла , в области материаловедения — как все вещества с характеристиками аморфных, твёрдых образований (полученных при определённых условиях из расплавленных материалов , охлажденных с определённой скоростью затведевания без кристаллизации или получения расплавов с исходными свойствами (т.е. с обратимомтью процессов образования)), включая пластмассы, смолы, или другие аморфные твёрдые вещества органического происхождения (не минералы). Также, помимо традиционных методов получения расплавов, наука включает любые другие средства изготовления, типа внедрения ионов, метода солей геля. Однако, в науке название стекло пока принято рассматривать только в разделе неорганических аморфных твёрдых частиц как (неорганическое стекло), в то время как некоторые органические материалы незаслуженно выделяют из класса стекол в отдельный класс полимерных материалов (полиметилметакрилат (ПММА) — пластмас) и рассматривются под общим названием органические стёкла, которые изучаются, производятся: в лабораториях полимеров, пластмасс, на специализированных предприятиях их изготовления, в биологии, медицыне и др..
Термин стекло также употребляется в названиях оптическое стекло, имеющих свойства, стекла — светопропускание (прозрачность), светопреломление (дисперсия), изотропность и др.

Содержание

Классификация стекла (стекломатериалов)

Согласно общим физическим свойствами и разнообразным химическим составам и происхождением стекло или стекломатериал можно классифицировать:

Стекло природное (вулканического или естественного происхождения);
Стекло искусственное:
- Неорганическое стекло; [5]
- Оптическое стекло.
Этимология слова стекло

Стекло́ (лат. glesum , из Римской империи с корнями германского слова из Трире, Германия glassmaking ) — в переводе — прозрачное, блестящее вещество (en-wiki). Хотя по данным специализированной секции Общие сведения о стекле

Изделие из стекла

Аморфные вещества, в том числе оптические материалы, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T_g (при температурах свыше T_g аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии).

Виды стекол

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества и классификации стекла можно разделить на:
- Неорганическое стекло;
- Оптическое стекло.
Неорганическое стекло

Неорганические стёкла в зависимости от состава классифицируются в основном как:
- Оксидные — кварцевое, германатные, фосфатные, боратные);
- Фторидные;
- Сульфидные; .
Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относятся:
Оксиды:

Оптическое стекло

Оптическое стекло — стекло на базе неорганических и органических стекломатериалов, отличающееся особыми оптическими характеристиками: высокая прозрачность, изотропность, твёрдость, эластичность и т.д

Основные свойства стекла

Все вещества в стеклообразном состоянии обладают общими физико-химическими характеристиками:
- Вещества изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;
- При нагревании они не плавятся как кристаллы, они постепенно размягчаются при переходе из хрупкого в высоковязкое и в конце — в капельно-жидкое состояние, при этом не только вязкость, но и другие свойства изменяются непрерывно;
- Расплавляются и отвердевают обратимо. Т.е. выдерживают
неоднократный разогрев до расплавленного состояния, после охлаждения вновь приобретают первоначальные свойства при одинаковых режимах перехода (если не произойдет кристаллизация или ликвация). Обратимость прессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются растворами в чистом виде. Обратимость — признак настоящего раствора.
- Определение стекла как переохлаждённой жидкости вытекает из способа получения стекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние его необходимо расплавить и затем переохладить снова. Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры происходит двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает в виде стекла. По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако кристаллизация присутствует только в тех веществах, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, почти до момента
кристаллизации. К таким веществам относится и оксид висмута, который в чистом состоянии практически не образует стекол.

Свойства стекла сопоставимы с понятием “свойство-состав” стеклообразных систем и показывыает, что свойства можно разделить на две группы в зависимости от молярного состава — на простые и сложные.
- Первая группа — стеклообразные системы с простой зависимостью от молярного состава и могут оцениваться по:
  - Молярный объём;
  - Показатель преломления;
  - Дисперсия;
  - Теримческий коэффициент линейного расширения;
  - Диэлектрическая проницаемость;
  - Модуль упругости;
  - Удельная теплоемкость,
  - Коэффициент теплопроводности.
  Ко второй группе относятся свойства, которые более чувствительные к изменению состава. Зависимость их от состава сложна и часто не поддается количественным обобщениям. Например: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твёрдость, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность и др. Расчёт этих свойств возможен лишь в конкретных случаях.
  
  Химическая устойчивость
  
  Химическая устойчивость стекла видна по устойчивому отношению его к различным агрессивным средам. Это одно из важных свойсттв стекол. Но весь диапазон возможных стеклообразных систем, их химическая устойчивость различаться - от предельно устойчивого кварцевого стекла, оргстекла до растворимого (жидкого) стекла.
  
  Цвет стекла
  
  Основная статья:
  
  Мюнхенская Чашка Клетки из Кёльна, 4-ое столетие нашей эры
  
  Стеклу более четырёх тысяч лет, открыли его случайно, в Египте. Египетские стеклоделы плавили стекло на открытых кострах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду. Там они растрескивались, и эти обломки, так называемые Художественное стекло
  
  Выдувание стекла
  
  Художественное цветное стекло (Венеция)
  
  ‎Важнейший рабочий инструмент стеклодува, его выдувальная трубка. Это полая металлическая палка длинной 1 — 1,5 м, на одну треть обшитая деревом и снабжённая на конце латунным мундштуком. Пользуясь трубкой, стеклодув набирает из печи расплавленное стекло, выдувает его в форме и формует. Для этого ему нужны ещё одни инструменты, а именно металлические ножницы для отрезания стеклянной массы и прикрепления её к трубке, длинные пинцетообразные клещи из металла для вытягивания и формования стеклянной массы, для образования тиснёных украшений и т. д., сечка для отсекания всего изделия от трубки и деревянная ложка (скалка, долок — в форме коклюшки) для разравнивания набранной стекломассы. Предварительно отформованное с помощью этих инструментов стекло («баночку») стеклодув вкладывает в форму из дерева или железа. Готовое изделие выбивают от трубки на вилы и помещают для отжига в печь. Оставшийся после отшиба следы (насадок, колпачок) удаляют абразивной обработкой (шлифовкой).
  
  Резка стекла
  
  Красивые и необычные окна – результат кропотливой ручной работы. Например, так выглядит процесс создания витражей на нашем производстве. [9]
  
  Стекло (неорганическое стекло) — твердое аморфное вещество, прозрачное в той или иной части оптического диапазона (в зависимости от состава).
  
  Под стеклом понимают сплавы различных силикатов с избытком диоксида кремния.
  
  Расплавленное стекло не сразу затвердевает при охлаждении, а постепенно увеличивает свою вязкость, пока не превратится в однородное твердое вещество. Стекло при твердении не кристаллизуется, поэтому оно не имеет резко выраженной точки плавления.
  
  В отличие от кристаллических материалов стекло, при нагревании в соответствующем температурном интервале, размягчается постепенно, переходя из твердого хрупкого состояния в тягучее высоковязкое и далее — в текучее состояние — стекломассу. [1]
  
  Технологии изготовления стекла впервые начали использовать около 2500-3000 гг. до н. э. в Междуречье и Египте. Археология Междуречья, особенно периода Древних Шумера и Аккада, склоняет исследователей к тому, что набиолее старым образцом производства стекла следует считать памятник, найденный в Междуречье в районе Ашнунаку — цилиндрическую печать из прозрачного стекла, датируется периодом династий аккадского государства, возраст которой — около четырех с половиной тысяч лет. Бусина зеленоватого цвета диаметром около 9 мм, хранящаяся в Египетском музее в Берлине, считается одним из древнейших образцов стекла. Найдена она была египтологом Флиндерсом Питри у Фив, по некоторым допущениями ей пять с половиной тысяч лет. Ученый Н. Качалов утверждает, что на территории старовавилонского царства археологи постоянно находят сосудах для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Ученый утверждает — есть все основания считать, «что в Египте и в странах Передней Азии источники стеклоделия… отделяются от наших дней промежутком примерно в шесть тысяч лет» [2] .
  
  Около 1500 г. до н. э. в Египте начали изготавливать первые предметы домашнего обихода. Это в основном были чаши, кухонная утварь и бутылки. Центрами производства стеклянных изделий были столице Египта, сначала Фивы, а затем Александрия. Из Египта стеклоделие проникло на территорию современной Италии (I в. до н. э.). Рим в I в. н. э. становится значительным центром производства стекла. Здесь был основан несколько стекольных мастерских и привлечено значительное количество египетских стеклоделов. Масштабы производства были настолько велики, что римских стеклоделов в 220 г. обложили налогом, а их мастерские сведены в одну из главных улиц Рима. Из Рима стеклоделие распространяется в римские провинции (Великобритания, Галлия и др), а также в III—IV вв. на северное побережье Черного моря и в Киевской Руси [3] .
  
  Первым крупным технологическим прорывом в стекольном производстве можно считать технологию выдувания стекла, которая возникла в 100 году на территории современных Палестины и Сирии. Эта технология заключалась в захвате расплавленного стекла на конце трубки, в которую человек должен был дуть для придания формы стеклянной изделия. Основное назначение этих изделий касалось домашнего бытового использования (бутылки, вазы).
  
  Следующим по значению после Рима центром стекольного производства в IX в. становится Венеция, сильная морская держава Средиземного моря. Падение Восточной Римской империи (1204) и переселение константинопольских стеклоделов в Венецию дало сильный толчок производству венецианского стекла начиная с XI века и вплоть до XVI—XVII вв. Благодаря хорошему качеству продукции Венеция становится в то время европейской столицей по изготовлению художественного стекла. Именно производство с 1291 было сосредоточено на острове Мурано для уменьшения риска вражеского нападения и защиты производственных секретов. Уже тогда стекловаров Венеции использовали стеклобой.
  
  К XIV веку производство стекла появилось в Нормандии и Лотарингии. В это время в Нормандии возникла технология изготовления плоского стекла для окон. Она заключалась в выдувании стеклянного шара, которую с помощью надреза разворачивали в диск. Следующее достижение в развитии технологий стекла во Франции сделано Кольберт. Именно он основал в 1665 году «Королевскую мануфактуру стекла». Первый завод был открыт в городке Сен-Гобен в департаменте Эна, на севере Франции.
  
  В XVIII в. производство стекла постепенно перешло от индивидуального до промышленного масштаба. Уже тогда отдельные фабрики производили более миллиона бутылок в год. В числе важнейших изобретений того времени следует назвать регенеративную стекловаренную печь Сименса (1870). Такие печи способны перерабатывать большие количества стекломассы. Это создало предпосылки механизации производства стекла.
  
  Примерно в 1880 году у Клода Бушера возникла идея использовать сжатый воздух для придания стеклу конечной формы, что сразу привело к росту производительности труда на 150 %. Промышленная революция существенно повлияла на процесс изготовления стекла:
  - печи разогревались с помощью угля вместо дерева;
  - началось применение полностью автоматических линий;
  - формирование осуществлялось сжатым воздухом и с использованием металлических форм.
  Следующим этапом развития в производстве листового стекла был метод машинной вытяжки стекла, разработанный Эмиль Фурко в 1902 году. При этом способе стекло вытягивается из стекловаренной печи через прокатные вальцы в виде непрерывной ленты наружу, поступая в шахту охлаждения, в верхней части которой оно режется на отдельные листы. Машинный способ производства стекла был усовершенствован в дальнейшем в первой половине двадцатого века. Из самых современных способов следует отметить так называемый метод Либбея-Оуэнса и Питтсбургский метод [4] .
  
  Последним этапом в развитии технологий производства листового стекла было патентования в 1959 году английской компанией «Пилкингтон» флоат-метода. При этом процессе, который можно приравнять к открытию, стекло поступает из плавильной печи в горизонтальной плоскости в виде плоской ленты через ванну с расплавленным оловом на дальнейшее охлаждение и отжиг.
  
  В природе стекло встречается в составе вулканических пород, которые быстро охладели из жидкой магмы при взаимодействии с холодным воздухом или водой. Иногда стекло встречается в составе метеоритов, расплавленных при прохождении атмосферы.
  
  Когда установили идентичность строения, состава и свойств обычного силикатного стекла ряду минералов, последние стали квалифицироваться как разновидности его природные аналоги.
  
  Стекло, используемое в промышленных масштабах — материал искусственного происхождения, которому присущи такие основные характеристики, как прозрачность, твердость, химическая стойкость, термостойкость. Кроме того, стекло имеет свойства, которые оговариваются его прозрачностью, электрическими и термомеханическими параметрами. Благодаря этому стекло широко используется почти во всех отраслях техники, медицине, в научных исследованиях и в быту.
  
  Из стекла производят волокно, вату, ткани и тому подобное. Эти материалы отличаются значительной механической прочностью, негорючестью, кислотоустойчивостью и высокими тепло- и электроизоляционными свойствами. Они имеют широкое применение в различных отраслях техники и строительном деле.
  
  В связи с его упомянутыми электрофизическими свойствами, стекло применяют для изготовления низко- и высоковольтных изоляторов, баллонов и ножек осветительных и электронных ламп, газоразрядных приборов, тонко- и толстостенных газонепроницаемых оболочек, различных электровакуумных приборов, рентгеновских трубок, компонентов электрических цепей, имеющие специфические электрофизические свойства.
  
  При производстве стекла используют:
  - главные материалы, к которым относятся кварцевый песок, сода, известняк, доломит, поташ, бура, каолин, пегматит, свинцовый сурик и тому подобное;
  - вспомогательные материалы, к которым относятся сульфат натрия, селитра, триоксиды мышьяка и сурьмы (для просветления стекла), фториды, перекись марганца, селена и другие вещества (для обесцвечивания стекла), оксиды хрома, меди, кобальта, железа (красители).
  По виду основных склотвирних материалов различают следующие классы стекла: элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные, металлические, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.
  - стекло элементарное — способны образовывать лишь небольшое число элементов: сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Стекловидные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк — методом сублимации в вакууме; фосфор — при нагревании до 250 °C под давлением более 100 МПа; углерод — в результате длительного пиролиза органических смол. Промышленное применение находит стеклоуглерода, который обладает уникальными свойствами, которые превосходят свойства кристаллических модификаций углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700 °C, имеет низкую плотность, имеет высокую механическую прочность, электропроводность и химическую устойчивость.
  - стекло оксидное (например, стекло силикатное и его разновидности), представляют собой обширный класс соединений.
  - халькогенидное стекло имеет высокую прозрачность в инфракрасной области спектра, имеет электронную проводимость, проявляет внутренний фотоэффект.
  - Виды стекла, полученные на основе нитратных, сульфатных и карбонатных соединений представляют научный интерес, но практического применения пока не нашли.
  Каждый из оксидов может образовывать стекло в сочетании с промежуточными или модифицирующие оксидами. Стекло получает название по названию оксида. Практическое значение имеют виды стекла простых и сложных составов, относящихся к силикатной, боратной, боросиликатной, фосфатной, германатной, алюминатной, молибдатной, вольфраматной и других системам.
  
  Производство стекла состоит в подготовке сырьевых материалов, плавлении их в стекловаренных печах с получением стекломассы, формировании из нее стекла, отжиге их (при нагревании до температуры 450—600 °C и постепенном охлаждении), чтобы предотвратить растрескивание, а также в механической, химической, термической или термохимической обработке. Стекло бывает прозрачным и непрозрачным, окрашенным и бесцветным.
  
  За прошедшие тысячелетия методы изготовления стекла почти не изменились, ранние образцы практически ничем не отличаются от современного, всем известного стекла для изготовления бутылок (исключением является только современное стекло с заданными свойствами). В естественном состоянии оно существует как минерал обсидиан — вулканическое стекло. Огромное количество модификаций стекла позволяет разного утилитарного использования, обусловленного его составом и химико-физическими свойствами.
  
  Обычное оконное стекло и стекло представляют собой сплав оксида натрия, оксида кальция и диоксида кремния. Его примерный состав можно выразить формулой: Na₂O • CaO • 6SiO₂. Исходными материалами для изготовления стекла служит белый кварцевый песок SiO₂, сода Na₂CO₃ и известняк или мел CaCO₃. Смесь этих веществ в соответствующих соотношениях сплавляют в специальных печах. Сначала при 700—800 ° С в результате взаимодействия карбонатов натрия и кальция с диоксидом кремния образуются силикаты натрия и кальция:
  
  При 1200—1300 °C силикаты натрия и кальция с избытком диоксида кремния образуют сплав:
  
  Стеклянную массу в расплавленном состоянии выдерживают до полного удаления газов. Вместе с тем проводят обесцвечивание стекла добавлением незначительных количеств диоксида марганца. Обычное стекло бывает окрашено в зеленый цвет примесями оксидов железа, которые попадают вместе с песком. Диоксид марганца придает стеклу розовую окраску, а зеленый и розовый цвета в совокупности дают белый цвет. После этого стеклянную массу охлаждают до определенной степени вязкости и изготавливают различные изделия.
  
  Вещества в твердом состоянии при обычных температуре и давлении могут иметь кристаллическую или аморфную структуру. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц (атомов, ионов) в трехмерном пространстве. Кристаллическое состояние является стабильным при обычных условиях и характеризуется наименьшей внутренней энергией. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления, в большинстве случаев проявляют анизотропию свойств.
  
  Стекловидное состояние вещества является аморфной разновидностью твердого состояния. Стекловидное состояние является метастабильным, то есть характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц вещества, находящегося в стекловидном состоянии, является неурегулированным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных исследований.
  
  Стекло может быть получено путем охлаждения расплавов без кристаллизации путем переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазы, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T_G (при температурах превышающих T_G аморфные вещества находятся в расплавленном состоянии).
  
  Стекло может быть получено также путем аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.
  
  Большая группа оксидных видов стекла (силикатные, боратный, фосфатные и др.) Относится к классу изоляторов, что обусловлено высокими значениями ширины запрещенной зоны . При комнатной температуре удельная объемная электропроводность силикатного стекла лежит в пределах 10 −7 −10 −15 Ом −1 м −1 .
  
  Установлено, что носителями тока в оксидных видах стекла является катионы щелочных или щелочно-земельных металлов. Низкая электропроводность оксидного стекла обусловлена малой подвижностью катионов. Повышение температуры сопровождается снижением вязкости, увеличением подвижности носителей тока, в результате чего электропроводность возрастает на несколько порядков.
  
  Кварцевое стекло является почти идеальным изолятором среди силикатных видов стекла. Его электропроводность при комнатной температуре составляет 10 −18 Ом −1 · м −1 , а при 800° C 10 −4 Ом −1 · м −1 .
  
  В результате адсорбции влаги, а также продуктов химического взаимодействия поверхности с влагой воздуха на поверхности изделий создается электропроводящий слой. Во многих случаях этот процесс является нежелательным, поскольку негативно сказывается на изоляционных свойствах стекла. Повышение содержания в стекле оксидов щелочных металлов ускоряет реакцию гидролиза поверхностного слоя стекла. Введение в состав стекла оксидов BaO, MgO, ZnO, PbO до 10-15 % вместо SiO₂ или специальная обработка поверхности парой кремнийорганических соединений способствует снижению поверхностной проводимости.
  
  Силикатные виды стекла при температурах ниже температуры стеклования (T_G) относится к классу диэлектриков.
  
  Диэлектрическая проницаемость стекла зависит от его состава, изменяясь для силикатного стекла от 3,8 (для кварцевого) до 16,2 (для стекла с высоким содержанием оксидов тяжелых металлов) и мало зависит от температуры до 400—500° С.
  
  С повышением частоты поля диэлектрическая проницаемость уменьшается. Наиболее интенсивно этот эффект наблюдается в области низких частот от 0 до 10 3 Гц, в то время как в интервале 10 3 −10 10 Гц это уменьшение (при нормальной температуре) не превышает 10 %. С повышением температуры диэлектрические потери интенсивно увеличиваются и, как следствие, диэлектрик разогревается.
  
  Электрическая прочность стекла при тепловом пробое уменьшается с увеличением толщины образца вследствие ухудшения отвода тепла от внутренних слоев изделия.
  
  В переменном электрическом поле разогрева диэлектрика осуществляется интенсивнее (прилагаются диэлектрические потери), в результате чего электрическая прочность стекла в переменном поле ниже, чем в постоянном. Тепловой механизм пробоя характерен как для диэлектриков, имеющих при обычных условиях достаточно высокое значение электропроводности. Электрическая прочность стекла при тепловом пробое составляет 10 −4 −10 5 кВ · м −1 .
  
  Стекло не выделяет вредных веществ, не имеет запаха, обеспечивает длительное хранение продуктов, хорошо моется и дезинфицируется, легко утилизируется, имеет хорошие декоративные возможности. Кроме того стекольная промышленность обеспечена богатыми сырьевыми ресурсами.
  
  Природные свойства стекла и его аморфность наделяют этот материал хрупкостью, но в то же самое время отсутствие кристаллической решетки предоставляет уникальную возможность использовать стекло в медицине.
  
  Стекло чрезвычайно устойчивое к различным реагентам (за исключением плавиковой кислоты), а также к действиям атмосферных явлений. Очень высокие санитарно-гигиенические свойства стекла дают возможность использовать его не только для приготовления пищи, но и для долгосрочного хранения продуктов — соленья, маринады, компоты, варенья, джемы, пряности и т. Закупоренные в стеклянных бутылках вина хранятся много лет, даже века, не теряя своих свойств. Духи же изготавливают исключительно в стеклянной посуде, так как стекло нейтральное химически и энергетически, что дает возможность сохранить полный букет ароматов, заложенный производителем, а человеку — воспользоваться изысканным парфюмом без каких-либо посторонних примесей. Кстати, найденные археологами приятную стеклянных бутылочках также сохранили свои свойства, несмотря на тысячелетия проведены в основном под землей. Стеклянная посуда используется многократно, ведь он хорошо моется, его можно мыть как жидкими, так и абразивными моющими средствами, обрабатывать паром, кипятить (соблюдая осторожность) для полного уничтожения бактерий и любых нежелательных запахов.
  
  Читайте также: