Стекло

Файл:Lampotska +.jpg

Люминесцентная лампа в виде изогнутой стеклянной трубки (лампа мощностью 13 вт «дневного света» заменяет лампу накаливания 60 вт)

Молдавит. Стекловидный минерал-тектит, образовавшийся из земной горной породы в результате падения метеорита. Беседнице. Чехия

Стекло — универсальный материал, обладающий специфическими свойствами. Стеклообразное состояние может быть реализовано в различных природных и синтетических материалах. Физически стекло обладает многими свойствами твёрдых тел, хотя неорганические стёкла могут рассматриваться, как переохлаждённая жидкость с очень высокой вязкостью. Близки к стёклам материалы с мелкокристаллической структурой (например, фотоситаллы) или органические высокомолекулярные полимеры. Стёкла обычно аморфны, в разной степени прозрачны, изотропны. Как оптические материалы, стёкла характеризуются определённой дисперсией света и светопропусканием. Шаблон:TOC left Стекло́ - продукт одной из древнейших в материальной культуре технологии. Cтекловидные минералы существует и в природной форме, например, тектиты, обсидиан — вулканическое стекло, а также в виде включений в горных породах. Структурно — аморное вещество, агрегатно относящееся к разряду — твёрдое тело. В настоящее время существует множество модификаций, с массой разнообразных утилитарных возможностей, определяющихся составом, структурой и свойствами. Разработаны стекломатериалы с чрезвычайно широким диапазоном применения и специальными свойствми которыми ранее стекла не обладали (например, повышенная прозрачность в определённой области спектра, пластичность, противоударная стойкость, отражательная способность и др., а также высокие эстетические свойства - красота окраски и структуры). Такие качества, как жаростойкость, прочность, биоактивность и др. позволяют всё шире использовать стекломатериалы в разных областях науки и техники. Все виды стёкол и стекловидных материалов, неорганические, металлические стёкла, органическое стекло и др. активно используются в современной технике.

Стёкла и стекловидное состояние изучаются методами физики и физической химией.

Основные смыслы понятия «стекло»

• Слово стекло используют очень часто; но во многих случаях подразумевают достаточно различные материалы:
• В общем обиходе под стеклом понимают твёрдый, ломкий, прозрачный аморфнный материал, используемый для окон, бутылок, очков и т. д. (силикатное стекло).
• В техническом смысле слово cтекло применяется для обозначения материалов, относящихся чаще всего к неорганическим веществам (неорганическое стекло) — изотропное аморфное вещество. Как материал, используемый с древнейших времён как продукт охлаждения силикатного расплава до твёрдого, аморфного, с высокой вязкостью состояния без кристаллизации.
• В научном смысле понятие «стекло» можно рассматривать в историческом плане, как все вещества с характеристиками аморфных, твёрдые тела, полученные при определённых условиях из расплавленных материалов, охлажденных с определённой скоростью затведевания без кристаллизации (то есть с обратимостью процессов образования), включая пластмассы, смолы, или другие аморфные твёрдые вещества органического происхождения (не минералы). Также, помимо традиционных методов получения расплавов, могут быть использованы другие методы — внедрение ионов, метод высаливания гелей. Однако, в науке 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) и рассматривют под общим названием органические стёкла. Органическое стекло исследуют в лабораториях по синтезу полимеров, пластмасс, на специализированных предприятиях, в биологии, медицыне и др.
• Термин стекло также употребляется в названиях оптических материалов как оптическое стекло, имеющих свойства стекла — светопропускание, то есть прозрачность, светопреломление — дисперсия, изотропность и др.

Классификация типов стекла

Стёкла можно классифицировать по физическим свойствам, составу, назначению и происхождению:

По происхождению

• Стекло природное (вулканического или естественного происхождения);
• Стекло искуственное

По составу

• Неорганическое стекло; в зависимости от состава классифицирутся на: оксидные — кроны и флинты. Выделяют также силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные); фторидные; сульфидные стёкла; а также ситаллы, например:
  • Силикатные стёкла
  • Фосфатные стёкла
  • Свинцовое стекло
• Органическое стекло

По назначению

• Художественное стекло и декоративное стекло
• Техническое стекло
  • Оптическое стекло
  • Строительное стекло
  • Листовое стекло

Общие сведения о стекле

Изделие из стекла

Оптическое стекло

Аморфные вещества 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). Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов, так чтобы избежать кристаллизации. Практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (такие как стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как расплавы металлов) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 100000 — 1000000 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки. Как правило стекло получают из переохлаждённого расплава. К стеклообразующим относят неорганические вещества, которые при охлаждении расплава не кристаллизуются, а затвердевают, сохраняя аморфное строение. Органическое стекло не содержит компоненты веществ, вызывающих кристаллизацию. Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.

Состав стёкол

Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относится ряд оксидов, галогенидов и халькогенидов; на их основе создают стёкла и связки:
Оксиды:

• SiO₂ - силикатное стекло - силикатные связки
• B₂O₃ - боратное стекло - боратные связки
• P₂O₅ - фосфатное стекло - фосфатные связки
• ТeO₂ -
• Оксид германия(IV)-GeO₂ - германатное стекло - германатные связки
• Оксид свинца - свинцовое стекло

Фториды:

• AlF₃

и др.

Силикатное стекло — наиболее распространённый вид

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O*CaO*6SiO₂.

• Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO₂. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения, образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка.
• Оптическое стекло или крон — группа прозрачных стёкол специального состава и характеристик, используемых для изготовления различных оптических устройств.
• Стеклокристаллический материал — оптический Ситалл, получаемый направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке и обладающий мелкодисперсной структурой, высокой прочностью, он — радиопрозрачный, химически стойкий, прозрачный, изотропный, термостойкий, износостойкий и др.
• Химико-лабораторное стекло — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.

Оптическое стекло

Оптическое стекло — стекло на базе нерганических и органических стекломатериалов, отличающееся особыми оптическими характеристиками: высокая прозрачнось, изотропность, твёрдость, элластичность и т.д

Основные свойства стекла

Физические свойства стекла

Вещество в стеклообразном состоянии можно характеризовать рядом физико-химических показателей:

• Вещества изотропны, то есть 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. То есть 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;
  • Коэффициент преломления;
  • Изотропия;
  • Дисперсия;
  • Теримческий коэффициент линейного расширения;
  • Диэлектрическая проницаемость;
  • Модуль упругости;
  • Удельная теплоемкость,
  • Коэффициент теплопроводности.
• Вторая группа:

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

Стекло - это сплавленная из обычных сырых материалов стеклянная масса бесцветна, с лёгким желтовато-зелёным или голубовато-зелёным отливом, вызываемым различными минеральными примесями. Для того, чтобы эту массу внутри стекла окрасить, чаще всего применяют окислы металлов, добавляя их в шихту до или после плавки. Железистые соединения окрашивают стекло в голубовато-зелёный и жёлтый до красно-бурого цвет, окись марганца — в жёлтый и коричневый до фиолетового, окись хрома — в травянисто-зелёный, окись урана — в желтовато-зелёный (урановое стекло), окись кобальта — в синий (кобальтовое стекло), окись никеля в фиолетовый до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия — в жёлтый (в самый же красивый жёлтый окрашивает, однако, коллоидное серебро), окись меди — в красный (так называемый медный рубин в отличие от золотого рубина, получаемого прибавкой коллоидного золота). Цвет слоновой кости стекло получается замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное — прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками заполнив (создав помутнение) стекломассу в очень слабой степени, получим опальный цвет стекла.

Обработка стекла

Стекло и изделия из него подвергают самым различным способам обработки.

После выработки стекла из него можно выдувать различные изделия, формовать под вакуумом, производить листы, трубки, стержни и др. виды заготовок.

Готовые изделия подвергают огранке, полировке, травлению или матированию, кракелированию; иногда на них наносят рисунок.

История

Мюнхенская Чашка Клетки из Кёльна, 4-ое столетие нашей эры

Первые технологии производства стекла

Стеклу более четырёх тысяч лет, считается, что 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 фритты, размалывались в пыль жерновами и снова плавили. Фриттование удерживалось ещё долго по истечении средневековья, почему на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи — одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт. Температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура — 1100—1200 °С. Средневековая плавильная печь («гуть»- по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не стояла, а также на долго не хватало и запаса дров, потому, после вырубки леса кругом, гуту переводили на новое место, где леса было в достатке. Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, чтобы тем заменить напряжения в стекле. Конструкция стеклоплавильной печи продержалась до конца XVII века, однако недостача дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь; а так как улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет, англичане начали плавить стекло в замкнутых, так называемых крытых горшках. Этим плавильный процесс затруднялся и замедлялся, так что приходилось составлять шихту не такой твёрдой. Однако, уже в конце XVIII века преобладающей делается топка углем.

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 Д. И. Митрохина, слово стекло созвучно с русским корнем «течь», притом секреты получения прозрачного стекла до средневековья были утеряны . Стекло долгое время было непрозрачным.

Художественное стекло

Художественное цветное стекло (Венеция)

Художественное стекло — изделия из стекла, в существенной степени выполняющее художественно-декоративные функции.

Использование стекла для создания декоративно-прикладных целей — очень давний промысел. Из стекла делали не только посуду, оконное стекло, линзы и другие утилитарные предметы, но и самые разные художественные изделия.

Стекловолокно и стеклоткань

Из обычного стекла можно получить тонкие весьма гибкие нити, пригодные для изготовления ткани. В современной технике стекловолокно из специальных марок стекла наиболее широко используется в волоконной оптике, для изготовления композиционных (фиберглас) и изолирующих материалов (напр., стеклолента, стеклотекстолит).

См. также

• Листовое стекло
• Стеклообразное состояние
• Сортовое стекло
• Оптическое стекло
• Художественное стекло
• Оптические материалы
• Органическое стекло
• Неорганическое стекло
• Ситаллы
• Кремний
• Глина
• Керамика
• Кварц
• Аэрогель
• Жидкое стекло и Силикат-глыба
• Урановое стекло
• Пористое стекло
• Сотовый поликарбонат

Источники

• A.K. Varshneya. Fundamentals of inorganic glasses. Society of Glass Technology, Sheffield, 682 pp. (2006).

• М. И. Ожован. Топологические характеристики связей в окисных системах SiO₂ и GeO₂ при переходе стекло-жидкость. ЖЭТФ, 130 (5) 944—956 (2006).

Литература

• Михаил Васильевич Ломоносов. Письмо о пользе стекла. — М. В. Ломоносов. Избранные произведения. Т. 2. История. Филология. Поэзия. «Наука». Москва. 1986. С.234-244

• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959.

• Шульц М. М., Мазурин О. В., Порай-Кошиц Е. А. Стекло: природа и строение. «Знание». Ленинград. 1985

• Шульц М. М. О природе стекла. «Природа» № 9. 1986

• Рагин В. Ч., Хиггинс М. К,. Искусство витража. От истоков к современности. «Белый город». Москва. 2003 ISBN 5-7793-0796-9

• Рожанковский В. Ф. Стекло и художник. «Наука». Москва. 1971

Ссылки

• Черняк Людмила Менделевна. Из истории стекла
• Разновидность строительного стекла