Физические свойства стекла

Изменяя химический состав стекла, можно придать готовым изделиям те или иные свойства.

1.1 Физико-механические свойства. Основными из них являются вязкость, поверхностное натяжение, плотность, упругость, прочность при растяжении и сжатии, хрупкость, твердость.

Вязкость и поверхностное натяжение характеризуют стекло в жидком состоянии, остальные свойства — в твердом.

а) Вязкость характеризует способность частиц перемещаться внутри данного вещества в зависимости от температуры. Она имеет важное значение для_варки, формования и отжига стекол и на отдельных этапах этих процессов должна быть строго определенной.

б) Поверхностное натяжение. В поверхностных слоях стекла между отдельными молекулами или частицами возникают большие натяжения, превышающие натяжения во внутренних слоях. Поэтому на поверхности стекла образуется как бы пленка с уплотненным расположением частиц, стремящихся сократить эту поверхность. Это явление и называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение стекла определяется работой, которую необходимо совершить для образования единицы новой поверхности, и равняется для стекла 0,22—0,36 Н/м². Поверхностное натяжение расплавленного стекла в 3--4 раза выше, чем воды.

На этом свойстве стекла основаны получение при формовании стеклоизделий с гладкой и блестящей поверхностью, а также огневая полировка поверхности.

Поверхностное натяжение существенно влияет на удаление различных газовых и воздушных включений из стекломассы в процессе варки. Наилучшее осветление стекломассы достигается при понижении поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение натриево-силикатных стекол с увеличением содержания оксида кремния снижается, свинцово-силикатных — возрастает. Двухвалентные оксиды металлов не оказывают заметного влияния на него. К₂О, РЬО, В₂О₃, Сг₂О₃ способствуют понижению поверхностного натяжения натриево-известкового стекла.

в)Плотностьстекла как массы в единице объема зависит от плотности входящих в него компонентов и колеблется от 2,2 до 6,0 г/см³. По плотности можно примерно определить природу стекла. Например, плотность чисто кварцевого стекла равна 2,2 г/см³, натриево-известкового — 2,5, хрустального — 2,5-2,9 г/см³ и более.

г)Упругость стекла характеризуется модулем упругости (Юнга) Е, который определяют по стреле прогиба для образца прямоугольного сечения, размерность МПа.

С помощью модуля упругости можно характеризовать термические и прочностные свойства изделий. Чем больше модуль упругости стекла, тем выше его прочность, меньше деформация, которую способен выдержать образец за счет возникающих в нем больших напряжений, и выше термическая стойкость.

д) Прочность — один из важнейших показателей механических свойств, определяющий возможность использования стекла при механических нагрузках.

Различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, ударе и т. д. Стекло неодинаково ведет себя при различных видах нагрузки. Так оно хорошо сопротивляется сжатию и намного хуже растяжению и изгибу.

е)Хрупкость - способность стекла разрушаться под действием ударной нагрузки, превышающей разрушающее напряжение, без обнаружения явлений течения. Хрупкость является важным показателем, характеризующим долговечность изделий. Она выражается работой (Дж/м³), которая затрачивается на разрушение образца.

Хрупкость стекла во многом зависит от толщины образца, степени его однородности и термической обработки. С увеличением толщины и однородности сопротивление образца удару возрастает. Прочность на удар закаленных стекол повышается в 5-7 раз. Эту особенность используют при выработке изделий бытового назначения и листового стекла для автотранспорта.

ж)Твердость — способность стекла сопротивляться внедрению в него другого тела под определенной нагрузкой. Она имеет важное значение для определения видов и средств механической обработки изделий и их использования. Самыми твердыми являются кварцевые, высокоглиноземистые (от 18 до 30% Al₂O₃) и боросиликатные (до 12 % В₂О₃) стекла, самыми мягкими — хрустальные и богатые щелочными оксидами. Чем выше: твердость стекла, тем меньше царапин и повреждений образуется на поверхности изделий, дольше сохраняется блеск и выше механическая прочность.

1.2 Термические свойства стекла имеют важное значение при оценке качества готовых изделий и определении условий их использования. Основными являются теплоемкость, теплопроводность, термическое линейное и объемное расширение и термическая стойкость.

а)Теплоемкость стекла зависит от химического, состава и природы молекулярных связей. Под теплоемкостью понимают количество теплоты, необходимое для повышения температуры материала на 1 ^оС.

б) Теплопроводность-это способность материалов проводить тепло при разнице температур между отдельными участками. Теплопроводность стекла весьма невелика и составляет 0,7-1,34 Вт (м×°С), что в 400 раз меньше теплопроводности меди. Она зависит от химического состава стекла.

Теплопроводность стекла положительно влияет на его термическую стойкость, которая с увеличением теплопроводности повышается.

в) Термическое расширение – это способность материалов и изделий изменять размеры при изменении температуры, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения, которые показывают, как изменяется по длине или объему образец стекла при нагревании на 1 °С.

Термическое расширение отрицательно влияет на термическую стойкость стекла: чем оно выше, тем хуже стекло переносит колебания температуры.

г)Термическая стойкость — способность стеклоизделий выдерживать резкие колебания температуры не разрушаясь. Она имеет большое значение для оценки качества бытовых и технических изделий, влияет на их долговечность. Характеризуется количеством теплосмен, которое выдерживает изделие при соответствующих перепадах температур.

1.3 Оптические свойства стекла — преломление, поглощение, отражение и светопропускание падающего на него светового потока.

а)Преломление.

Показатель преломления во многом зависит от химического состава, по его величине можно судить о природе стекла. Для натриево-кальциево-силикатных стекол он колеблется в пределах от 1,48 до 1,52, а для хрустального — от 1,65 до 1,9.

Игра света, характерная для изделий из хрустального стекла, объясняется высоким показателем преломления. Для лучшего выявления этой особенности хрустальные изделия изготовляют более толстостенными и украшают глубокими алмазными гранями.

б) Поглощение света стеклом является существенным его недостатком. Так, например, оконное стекло поглощает до 2 % проходящего через него светового потока, и прежде всего его ультрафиолетовую часть, наиболее важную для жизнедеятельности организма.

в)Отражение света стеклом зависит от его природы и характера поверхности. Больший световой поток отражается от ровной блестящей поверхности и меньший — от матовой: это свойство стекла используют для нанесения на изделия рисунка — матовой лекты.

Отношение отраженного света к падающему световому потоку, выраженное в процентах, называется коэффициентом отражения.