§ 1. Химический состав стекла и его свойства
«Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым». Это общее определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР, охватывает наиболее характерные свойства, присущие любой стекловидной системе.
Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.
Строительное стекло содержит (%): 75 — 80% SiOl2, 10 — 15% СаО, около 15% Nal20.
Химическая стойкость стекла зависит от его состава, более стойкими из силикатных стекол являются такие, в которых содержится мало щелочных окислов. При замене Na20 на двух-, трех- и четырехвалентные окислы химическая стойкость стекла повышается.
Основными оптическими свойствами стекла является: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Изменяя химический состав стекла и его окраску, можно регулировать светопропускание стекла (см. увиолевое, отражательное, теплозащитное стекло). Показатель преломления строительного стекла (1,46 — 1,53) определяет светопропускание при разных углах падения света. Так, при изменении угла падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.
Плотность обычного стекла 2500 кг/м3, наибольшую плотность имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца (тяжелые флинты) — до 6000 кг/м3. Модуль упругости стекол изменяется от 48 000 до 83 000 МПа, для кварцевого стекла — 71 400 МПа. Присутствие окислов СаО и ВОз (до 12%) повышает модуль упругости.
Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700 — 1000 МПа и малой прочностью при растяжении — 35 — 85 МПа. Прочность закаленного стекла в 3 — 4, иногда в 10 — 15 раз больше, чем отожженного.
Твердость обычных силикатных стекол 5 — 7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло, а также боросиликатные малощелочные стекла обладают большой твердостью.
Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно хрупко: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. У закаленных образцов она в 5 — 7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие в стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивление стекла удару.
Теплоемкость стекол определяется их химическим составом. При комнатной температуре значения теплоемкости находятся в пределах от 0,63 до 1,05 кДж/ (кг • °С).
На термическое расширение стекол также влияет химический состав. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения у кварцевого стекла — 5,8-10~7 1/°С, у обычных строительных стекол — 9- 10~6 — 15- Ю-6 1/°С.
Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4 — 0,82 Вт/(м.°С). Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло — 1,340 Вт/(м.°С). Малой теплопроводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных окислов. Боросиликатные стекла имеют высокую термостойкость, наиболее термостойко кварцевое стекло.
Электропроводность стекол изменяется с изменением температуры. Наибольшее влияние на электропроводность оказывает содержание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем выше электропроводность. Понижают электропроводность окислы двухвалентных металлов (больше всего ВаО), а также SiO и В2О3. Следует учитывать поверхностную проводимость стекла, которую обусловливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное количество влаги и вызывает повышенную активность стекла.
Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии, при температуре 800 — 1000°С, стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.