Как повысить механические свойства стекла кратко

Обновлено: 30.06.2024

Чудеса современной технологии включают в себя изобретение пивной банки, которая, будучи выброшенной, пролежит в земле вечно, и дорогого автомобиля, который при надлежащей эксплуатации заржавеет через два-три года. Законы Мерфи (еще. )

Механическая прочность - стекло

Механическая прочность стекла может быть заметно увеличена по сравнению с приведенными данными с помощью специальной обработки поверхности стекла ( стр. [1]

Механическая прочность стекла , как известно, крайне мала. Стекло хрупко и легко лопается от давления. Работать со стеклянными аппаратами можно поэтому лишь при небольших давлениях и при наличии защитного кожуха, в который устанавливается аппарат. [2]

Механическая прочность стекол характеризуется их малой ударной вязкостью, которая у большинства типов стекол не превышает 1 - 1 5 сгм. [3]

Механическая прочность стекла во много раз меньше теоретической, которая рассчитана по силам взаимодействия отдельных молекул и атомов в стекле. Разница прочностей, по мнению ряда исследователей, вызывается наличием в стекле участков с пониженной механической прочностью, а именно: дефектами структуры пространственной решетки, внутренней негомогенностью, наличием пузырей, трещин, царапин. Преобладающее значение имеют поверхностные трещины, особенно в тех случаях, когда на стекло действует окружающая среда, содействуя разрыву междуатомных связей. Известно, что прочность стекла обусловлена главным образом прочностью поверхностных слоев стекла, которая в свою очередь зависит от характера и количества трещин и других дефектов. [4]

Механическая прочность стекла зависит не столько от его химического состава, сколько от состояния поверхности. Теоретическая прочность стекла, рассчитанная исходя из прочности связи Si-О, составляет 100 - 200 МПа, реальная прочность технических стекол при растяжении чрезвычайно низка - 0 2 - 0 5 МПа. Подобное снижение прочности стекла обусловлено наличием на его поверхности большого количества микродефектов ( трещин Гриффитса), являющихся концентраторами напряжений. Удаление дефектного поверхностного слоя ( путем травления в HF) приводит к увеличению прочности стекла - до 5 МПа. Другим методом упрочнения стекла ( в 4 - 5 раз) является его закалка - создание с помощью специальной термообработки напряжений сжатия в поверхностном слое стекла. [5]

Механическая прочность стекла зависит не столько от его химического состава, сколько от состояния поверхности. Теоретическая прочность стекла, рассчитанная исходя иэ прочности связи Si-О, составляет 10000 - 20 000 МПа, реальная прочность технических стекол при растяжении чрезвычайно низка - 20 - 50 МПа. Подобное снижение прочности стекла обусловлено наличием на его поверхности большого количества микродефектов ( трещин Гриффитса), являющихся концентраторами напряжений. [7]

Механическая прочность стекла значительно повышается при закалке в результате искусственного создания в массе стекла равномерно распределенных остаточных термоупругих напряжений. В Советском Союзе разработан следующий метод закалки стекла в кремнийорганических жидкостях: образцы стекла нагревают в печи до температуры начала размягчения, а затем быстро погружают в ванну с кремнийорганической жидкостью. При этом прочность стекла значительно повышается, что обусловлено одновременным воздействием как закалочных напряжений, так и образованием в момент закалки пленки кремнийорганического полимера на поверхности стекла. [10]

Некоторые данные относительно механической прочности стекол указаны в табл. 1 - 1 и 1 - 2, но они характеризуют лишь порядок величин, наблюдаемых при определенных условиях. [11]

Окись алюминия повышает механическую прочность стекла , термическую и химическую стойкость его и снижает склонность к кристаллизации. [12]

В связи с этим увеличение механической прочности стекла , особенно его стойкости к воздействию ударных и растягивающих ( изгибающих) нагрузок, а также его термической стойкости составляет одну из самых важных проблем современной науки о стекле. [13]

Для практики большой интерес представляет увеличение механической прочности стекла при травлении плавиковой кислотой. [14]

Высокая механическая прочность стекловолокон по сравнению с механической прочностью блочных стекол объясняется линейной структурой волокна со слабыми боковыми связями. При уменьшении диаметра стекловолокна увеличивается линейная ориентация структурных цепей и уменьшается число наиболее опасных поверхностных трещин, что способствует повышению прочности. [15]

Механические свойства стекла оцениваются следующими показателями: прочность, твёрдость, хрупкость, упругость.

Прочность определяет предельное напряжение, вызывающее его разрушение. Специфической особенностью стекла является сравнительно высокая прочность при сжатии и низкая при растяжении . Главным фактором, снижающим прочность стекла является нарушенный слой, образующийся на поверхности заготовок в результате их механической обработки и взаимодействия с водой. Прочность стёкол можно повысить глубоким шлифованием и полированием, при котором удаляют поверхностный трещиноватый слой и сохраняют высокое качество поверхности. Удаление дефектного поверхностного слоя травлением повышает прочность стекла в 2-4 раза, но снижает качество поверхности.

Твёрдость – это способность его сопротивляться проникновению в него другого тела. Различают твёрдость:

1) Склерометрическая – определяется по царапанью;

2) Абразивную – по скорости сошлифовывания;

3) Микротвёрдость – по отпечатку вдавливаемого инденторатора в виде пирамиды.

В оптическом приборостроении пользуются относительной твёрдостью по сошлифовыванию – это соответствует отношению объёма сошлифованного стекла марки К8 к объёму сошлифованного стекла другой испытываемой марки в стандартных условиях обработки. Например, относительная твёрдость по сошлифовыванию ОФ5 составляет 0,3; для К8 – 1; для СТК12 – 3. Стёкла, имеющие твёрдость по сошлифовыванию больше 1 подвержены царапанью меньше, чем стёкла, имеющие твёрдость меньше 1.

Хрупкость стекла определяет его сопротивляемость динамическим нагрузкам, например, ударам.

Упругость стёкол обуславливает их способность восстанавливать свою первоначальную форму после снятия напряжения. Прочность контактного соединения стёкол обратнопропорциональна модулю их упругости. Так, например, модуль упругости Е стёкол ЛК6 - , для , для СТК9- .

Тепловые свойства стекла.

В оптическом производстве применяют технологические процессы, связанные с выделением или поглощением стекла стекломассой. Поэтому тепловые свойства имеют важные значения и должны учитываться при назначении режимов обработки стекла. Тепловые свойства стекла характеризуют: удельная теплоёмкость, теплопроводность, тепловое расширение, термостойкость, температура спекания .

Удельная теплоёмкость – это количество необходимое при данной температуре для нагревания единицы массы стекла на . Теплоёмкость оптических стекол имеет следующее значение для некоторых марок стёкол: для ТФ3 - С=0,407 , К8 - С=0,739 , Кварц – С=0,8895 .

Теплопроводность стекла определяется его способностью передавать тепловую энергию в направлении более низких температур. С повышением температуры теплоёмкость стёкол повышается. Повышенную теплопроводность имеют стёкла с большим содержанием . Предельным случаем является кварцевое стекло. Стёкла содержащие много имеют низкую теплопроводность. Теплопроводность стёкол характеризуется коэффициентами теплопроводности и температуропроводности.

Тепловое расширение стекла характеризуется коэффициентами линейного и объёмного расширения. Коэффициент расширения стекла зависит в первую очередь от его химического состава. У оптических стёкол он изменяется в довольно широких пределах. Так, например, для кварцевого стекла это , для ЛК5 – , для ЛК1 – .

Термостойкость стёкол – это способность стёкол выдерживать без разрушения резкие перепады температуры. Мерой термостойкости является разность температур, которую выдерживает стекло без разрушения. В отличие от других тепловых свойств, термостойкость зависит не только от химических свойств стекломассы, но и от геометрии и размеров заготовки, интенсивности теплообмена.

Температура спекания - это температура, при которой начинается спекание у образцов стекла размером 20´20´10 мм положенных один на другой полированными сторонами и нагреваемых с постоянной скоростью в минуту, что приводит к вязкости стекла . Так, например, для стёкол имеют следующие значения: ТФ7 – 460°С, К8 - 620°С, ТК14 – 680°С.

Химические свойства стекла.

Химические свойства стекла характеризуются химической устойчивостью. Установлено два показателя химической устойчивости: химическая устойчивость к действию влажной атмосферы, устойчивость к действию пятнающих реагентов. По устойчивости к действию влажной атмосферы оптические стёкла делят на:

Для силикатных стёкол: А – неналётоопасные;

Для несиликатных стёкол: а – устойчивые,

По устойчивости к действию пятнающих реагентов силикатные и несиликатные оптические стёкла делят на следующие группы:

I – не пятнающиеся;

II – средней пятнаемости;

IV – нестойкие стёкла, требующие применения защитных покрытий.

Наиболее устойчивыми (группа I) являются кроны, кронфлинты, баритовые флинты, флинты и лёгкие флинты. Пятнающимися и нестойкими (III и IV группы) являются тяжёлые и сверхтяжёлые кроны, тяжёлые баритовые флинты, тяжёлые и особые флинты. Учет химических свойств оптических стёкол необходим с одной стороны для предотвращения не желательного воздействия жидкой фазы обрабатывающих суспензий и окружающей среды на полированные поверхности оптических деталей, заготовок на всех стадиях их обработки. С другой стороны, для целенаправленного изменения поверхности при направленном травлении штрихов, меток, цифр и т.д.; образованию просветляющих, защитных и прочих покрытий определённой толщины за счёт гидролиза поверхности; интенсификации процессов полирования путём введения в состав полирующих композиций водных растворов окислителей; изменение прочностных и др. свойств оптического контакта за счёт различной толщины гидролизных плёнок.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем.

С давних пор для осветления и придания жилому помещению уюта делали окна. Атак как стекло было большой редкостью, то вместо него использовались другие материалы. К счастью, в настоящее время стекло не редкость: его используют везде и для разных целей. Причем купить можно не только обыкновенное оконнное стекло, но и цветное для изготовления витражей.

Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.

В науке (химия, физика) стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.

Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и другие.

Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.

Физические и механические свойства стекла

Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим помимо прочих материалов и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24×10 в кубе — 2,9×10 в кубе кг/м3. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 х 10 в кубе — 3,7 х 10 в кубе кг/м3.

Прочность. Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя — 700-800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600-1200 и 2000 МПа.

При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав.

Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.

Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35-100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности. Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремнийорганической пленкой.

Хрупкость — механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.

Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за единицу, и заканчивая самым твердым — алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.

Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И, напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.

Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.

Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33-1,05 Дж/(кгхК). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды, такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.

При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.

Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.

Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95-0,98 Вт/(м х К). Причем наболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его на любое другое вещество уровень теплопроводности понижается.

Температура начала размягчения — это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое —- кварцевое — стекло начинает деформироваться только при температуре 1200-1500 °С. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550-650 0С. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.

Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.

Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.

Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и, наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.

Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.

Оптические свойства стекла

Преломление света — так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломлние света стекла, всегда больше единицы.

Отражение света — это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.

Дисперсия света — разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.

Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Рассеяние света — это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Химические свойства стекла

Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.

Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и влаги атмосферы. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.

Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых строительных стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле p = m/V, где р — плотность; г/см 3 ; m — масса, г; V — объем, см 3 .

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см 3 . Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см 3 в частности оконное - стекло 2,55 г/см 3 . Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.

Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т. д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм 2 , Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм 2 ) образца перпендикулярно действующей силе: R = F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм 2 , например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм 2 . Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм 2 .

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B₂O₃ значительно повышают прочность, РbО и Al₂O₃ в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe₂O₃ почти не изменяют ее.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм 2 (Па); Р — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S —площадь шейки образца в момент разрыва, мм 2 .

Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм 2 , т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).

К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием B₂O₃ до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.

Хрупкость. Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещин, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.

На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, MgO хрупкость незначительно понижается.

Читайте также: