Тема 15.2. Строение и кристал­лизация стекол

Стеклом называют твёрдые, прозрачные, аморфные материалы. Стекла делятся на органические и неорганические.

Органическое стекло является одной из разновидностей пластмасс. Основой его является органический полимер (полиметилметакрилат). Отличительной особенностью оргстекла является его лёгкость, высокая удельная прочность, хорошая стойкость по отношению к ударным, хорошие диэлектрические свойства, пропускание до 90-92 % ультрафиолетового излучения (неорганические стёкла пропускают лишь 1-3 %). Используется о.с. при изготовлении ограждений осветительной аппаратуры, защитных щитков на станках и т.п. В автомобильной промышленности применяют для изготовления безосколочного стекла триплекс, когда два слоя неорганического стекла склеиваются со слоем оргстекла.

Неорганическое стекло – химически сложные аморфные изотропные материалы, которые обладают свойствами хрупкого твёрдого тела. Основой неорганических стёкол являются затвердевшие расплавы смесей различных оксидов. Оксиды делятся на стеклообразующие (SiO₂, GeO₂, B2O₃) и модифицирующие, т.е. меняющие свойства (Na₂O, K₂O,CaO, BaO и др.). Стеклообразователи (основа) позволяют получить: а) SiO₂ – силикатное стекло, если SiO₂ > 99%, то это кварцевое стекло; б) Al₂O₃ + SiO₂ – алюмосиликатное стекло; в) B₂O₃ + SiO₂ – боросиликатное стекло; г) Al₂O₃ + B₂O₃ + SiO₂ – алюмоборосиликатное стекло. В зависимости от соотношения концентраций тех или иных оксидов, меняются свойства различных марок стёкол. Введение оксидов щелочных и щелочно-земелных металлов уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определённые цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. По количеству модификаторов стёкла бывают трёх типов: щёлочные – стёкла, в которых содержится модификаторов до 20-30%, бесщёлочные – до 5% модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов  нет. Компенсаторы подавляют негативное воздействие модификаторов.

Стекла отличаются высокой хрупкостью. Для повышения механических свойств используют различные способы их поверхностного упрочнения путём химической, термической и термомеханической обработок.

По назначению неорганические стекла делятся на: 1) ходовые (бутылки, банки, бытовые зеркала и др.), 2) строительное (оконное, витринное, стеклоблоки), 3) техническое (оптическое, электротехническое, химико-лабораторное, приборное, трубное) и др. Помимо вышеописанных марок стекол, широко используется пеностекло, получаемое путем введения в неорганические стекла вспенивающих добавок (мела, кокса и др.). Пеностекло имеет малую плотность, хорошую тепло- и звукоизолирующую способность, высокую химическую стойкость.

Структура ситаллов. Ситаллы изготавливают на основе неорганических стекол, путем их полной, или частичной кристаллизации путём введения специальных добавок. В отличие от неорганических стекол, свойства которых определяются химическим составом, для ситаллов главным фактором, регулирующим свойства, является структура, определяемая количеством и дисперсностью добавляемой кристаллической фазы. При изготовлении ситаллов добавляют либо оксиды (SiO₂, Al₂O₃, P₂O₅, NaF, и др.), либо чистые металлы (Ag, Au, Pt).

Доля кристаллической фазы в ситаллах может меняться от 60 до 95 %, а размер кристаллов близок к 1-2 мкм. По типу вводимых кристаллизаторов ситаллы делятся на термоситаллы (вводят оксиды) и фотоситаллы (указанные чистые элементы). Причем, кристаллизацию термоситаллов проводят путем нагрева стёкол до температур 400-600 С, а кристаллизацию фотоситаллов – путем освещения их ультрафиолетовыми лучами.

Термоситаллы обладают достаточной прочностью, невысокой плотностью, хорошей химической устойчивостью, низкими коэффициентами трения, высокой термостойкостью.

Термоситаллы используют для изготовления подшипников, допускающих непосредственный контакт с пищевыми продуктами, цилиндров и поршней в различных термообменных аппаратах. Их целесообразно использовать для футеровки трасс при расфасовке сыпучих продуктов.

Фотоситаллы используют при изготовлении различных фотоэлементов, различных деталей в радиоприборах, для деталей контрольно-измерительной аппаратуры и т.п.