Хрустальное стекло

Хрустальные стекла (хрусталь) — высокосортные стекла, обладающие особым блеском и способностью сильно преломлять свет. Различают свинцовосодержащие и бессвинцовые хрустальные стекла.

свинцовосодержащие хрустальные стекла — свинцово-калиевые стекла, вырабатывают с добавлением окис­лов свинца, бора и цинка. Характеризуются повышен­ным весом, красивой игрой света, мелодичным звуком при ударе; применяют для производства высококачест­венной посуды и декоративных изделий. Наибольшее применение имеет хрусталь с содержанием от 18 до 24% окислов свинца и 14—16,5% окиси калия (лег­кий).

к бессвинцовым хрустальным стеклам относятся баритовое, лантановое и др.

Баритовое стекло содержит повышенное количество окиси бария. Обладает лучшим блеском, более высо­кой светопреломляемостью и удельным весом по срав­нению с обычными стеклами, применяют как опти­ческое и специальное стекло.

Лантановое стекло содержит окись лантана La2О3 и лантаниды (соединения лантана с алюминием, медью и др.). La2О3 повышает светопреломление. Отличается высоким качеством; применяется как оптическое.

4. Свойства стеклянных изделий.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему, измеряется в кг/м куб. Плотность стекол зависит от химического состава, значительно повышают плотность оксиды тяжелых металлов. В состав самых тяжелых стекол (так называемых флинтов) входит много свинца, в состав легких стекол – окислы элементов с малым атомным весом – лития, бериллия, бора. Плотность технических стекол в зависимости от их химического состава колеблется в пределах от 2200 до 6300 кг/м куб. Плотность стекол, применяемых для производства сортовой посуды и декоративных изделий из стекла: цветных и бесцветных натрий-кальций-силикатных 2490-2520 кг/м куб, свинцовых хрусталей 2400-3200 кг/м куб, бариевых хрусталей 2700-2900 кг/м куб. Плотность стекол в некоторой степени зависит от температуры: с повышением температуры плотность стекол уменьшается и соответственно увеличивается удельный объем. Плотность отожженных стекол больше, чем закаленных, т.к. закаленное стекло имеет более рыхлую структуру из-за того, что при закалке в стекле замораживается высокотемпературная структура. При отжиге же стекла структура уплотняется. Плотность хорошо и плохо отожженных стекол различается на 20-30 кг/м куб. Степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделия характеризует однородность стекла. Однородность определяют методом разделения порошка стекла по плотности и оценивают температурным интервалом между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании: чем меньше этот интервал, тем выше однородность стекла. Для сортовых и художественных стекол однородность характеризуется интервалом до 3 градусов C.

Прочность. Прочностью называется свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия: нагрузки, температурные, магнитные, электрические поля, неравномерное протекание физико-химических процессов и т. д. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от разрушающих усилий различают прочность на удар, разрыв, сжатие, изгиб и вдавливание. Стекло обладает сравнительно высокой прочностью на сжатие и относительно низкой на удар. Прочность стекла зависит от состояния его поверхности (наличие на поверхности стекла каких либо повреждений – трещин, царапин – снижает прочность стекла в 4-5 раз), в меньшей степени от химического состава, степени отжига, однородности, размера, состояния окружающей среды и температуры. Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер, минимальная прочность стекла – в интервале 150-200 градусов С. Увеличение прочности при белее высоких температурах связано с уменьшением поверхностного поглощения влаги и опасных перенапряжений у микротрещин.

Хрупкость. Хрупкостью называют материалы, которые при небольшом превышении их прочности внезапно разрушаются. Хрупкость стекол определяется их прочностью на удар. Хрупкость материала при ударных нагрузках называется ударной вязкостью. Хрупкость стекла зависит от состояния поверхности, толщины образца, однородности, конфигурации изделия. Разрушение стекла обычно начинается с поверхности вследствие образования и роста микротрещин. Чем меньше в стекле посторонних включений, чем оно более однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекла зависит от состава в незначительной степени.

Твердость. Под твердостью понимают способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость стекла зависит от его химического состава. Наиболее твердые – кварцевые стекла, а также некоторые боросиликатные стекла, наиболее мягкие – многосвинцовые силикатные стекла. Повышенная твердость стекла затрудняет его механическую обработку. Преодолевают этот недостаток введением в состав стекла щелочных оксидов и оксидов свинца. Твердость стекла оценивают его микротвердостью, которая определяется на приборе путем вдавливания в стекло под нагрузкой алмазной пирамиды: размер отпечатка пирамиды в стекле тем меньше, чем выше его твердость.

Химическая устойчивость. Химической устойчивостью называют способность материала противостоять разрушающему действию воды, газов, растворов солей и иных химических реагентов. Это одно из важнейших свойств стекла, так как на стекло, находящееся в эксплуатации, постоянно воздействует какой-нибудь реагент. Стекло по сравнению с другими материалами обладает высокой химической устойчивостью. Слабое взаимодействие со стеклом химических реагентов, кроме плавиковой кислоты, объясняется наличием на его поверхности защитной кремнеземной пленки. Изделия из стекла при эксплуатации в основном подвергаются воздействию воды, поэтому определяют водостойкость стекол методом выщелачивания поверхности зерен стекла под воздействием воды.

Оптические свойства. Оптические свойства стекол связаны с особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Благодаря декоративной обработке стекла создаются разнообразные оптические эффекты, при которых изделие приобретает ему одному свойственный вид.

Преломление – это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения. Преломление света характеризуется относительным показателем преломления – отношением скорости света в среде, из которой падает свет на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления пропорционален плотности прозрачной среды, т.е. чем больше плотность, тем выше значение показателя преломления. Так как плотность стекол выше, чем удельный вес входящих в него окислов, то наибольшим показателем будут обладать стекла, содержащие окислы тяжелых элементов, соответственно наименьшим – содержащие окислы легких элементов. Относительный показатель преломления не имеет размерности и для прозрачных сред «воздух-стекло» всегда больше единцы. К примеру, относительные показатели преломления по отношению к воздуху у воды 1,33, хрустального стекла 1,6, алмаза – 2,47.

Дисперсия. Дисперсией называется зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны). Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны. Вследствие преломления лучей с разной длиной волны пучок белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на цветные лучи и образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу – призматический (дисперсионный) спектр. Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наименьшей частотой и наибольшей длиной волны обладают красные лучи, а наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, следовательно красные лучи преломляются меньше, чем фиолетовые. Дисперсия зависит от состава стекла и возрастает при увеличении содержания в стекле тяжелых окислов, например, PbO. Показатель преломления и дисперсия напрямую зависят от состава стекла, а показатель преломления и от плотности: чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, BaO, PbO и некоторые другие и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO – снижает. BaO и CaO сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30% PbO, так как он наибелее значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света. Отражение света – это явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему. От поверхности стекла отражается около 4% света. Коэффициент отражения возрастает с увеличением показателя преломления, поэтому стекла, имеющие высокий показатель преломления (содержащие окислы тяжелых элементов), имеют повышенный коэффициент отражения. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей. Этой закономерностью широко пользуются при изготовлении хрустальных изделий с алмазной гранью. Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, а если неровности больше длины волны – диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных материалов.

Рассеяние света. Рассеяние света происходит при распространении световых волн в среде с беспорядочно расположенными неоднородностями и состоит в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям. Рассеяние света таким образом зависит от состояния поверхности стекла и однородности его массы. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в его массе равномерно распределены инородные включения, то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным. Оно распределяет свет более равномерно. Рассеивающими стеклами широко пользуются при изготовлении всевозможных изделий светотехнической арматуры: абажуры, колпаки, плафоны.

Пропускание и поглощение света. При прохождении пучка света через поверхность прозрачного вещества интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий пучок света окажется меньше. Если сложить свет отраженный и преломленный при прохождении через среду, то не получится всего количества света, которое падает на стекло: ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды. Поглощение света вызвано присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т.е. поглощение лучей только определенной длины волны. Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для, например, бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла равняется 93%. Для получения стекол с высокой степенью светопрозрачности необходимо свести к минимуму содержание в сырьевых материалах нежелательных примесей. Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла, который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной. Цвет стекла является дополнительным к цвету поглощенного излучения. К примеру, стекло, которое поглощает зелено-синюю часть спектра, имеет оранжевый цвет. Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в ультрафиолетовой – для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные наоборот задерживать), в инфрокрасной области – для технологической варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол).

Двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление – это раздвоение света при прохождении через оптически анизотропную среду, т.е. через среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча, скорости распространения которых различны. Двойное лучепреломление характеризуется разностью хода лучей. При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникает внутреннее напряжение, вызывающее двойное лучепреломление, т.е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.