Термический коэффициент линейного расширения

Термическое расширение играет значительную роль в большинстве процессов получения стеклянных изделий, их обработки и использования: производство армированного стекла, накладных изделий, электролампового стекла, эмалирование металлов, спайка металла со стеклом, стекла с керамикой и другие. Во всех случаях требуется согласование коэффициентов термического расширения (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Термические коэффициенты линейного расширения

различных материалов

ТКЛР эмалевого расплава должен быть несколько ниже ТКЛР металла. В этом случае при охлаждении изделия поверхностный оксидный слой сокращает свои размеры медленнее, чем металлическая основа. В эмали возникают напряжения сжатия, что исключает образование трещин.

ТКЛР определяют по дилатометрическим кривым. Коэффициент термического расширения зависит от состава стекла (рис. 4.9, рис. 4.10).

Рис. 4.9. Влияние состава на коэффициент

термического расширения бинарных стёкол Ме₂О-SiО₂

Рис. 4.10. Изменение коэффициента термического расширения стёкол Na₂O∙0,5CaO∙6SiO₂ при добавлении оксидов МеО

сверх 100%

В боратных стёклах Ме₂О-В₂О₃ на ход концентрационной зависимости влияет структурный переход ВО₃ на ВО₄ (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Влияние состава бинарных боратных стёкол

на коэффициент термического расширения

При малых содержаниях модификаторов (до 10-20%) растёт концентрация бора в тетраэдрической координации. Структура уплотняется, снижается коэффициент термического расширения. После минимума происходят разрывы сетки стекла, ковалентные связи заменяются на ионные.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость – это количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы вещества на 1 градус.

;

Экспериментально теплоемкость измеряют на дифференциально-сканирующем калориметре – ДСК.

С повышением температуры силикатных стекол теплоемкость возрастает. Аномалии возникают при характеристических температурах – температуре стеклования, при выделении кристаллической фазы, при температуре плавления (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Влияние температуры на теплоёмкость

силикатных стёкол

Теплоёмкость необходима для расчёта термодинамических свойств стекла. Теплоемкость силикатного стекла зависит от состава. Самая высокая теплоемкость характерна для кварцевого стекла.

Кварцевое стекло: С_р = 0,7–1,2 (0–600ºС)

Силикатное стекло: С_р = 0,3–1,0 – при комнатной температуре

Теплоёмкость возрастает по мере увеличения содержания лёгких элементов. Для сравнения приведём теплоёмкости некоторых материалов (табл. 4.5).

Таблица 4.5

Теплоёмкости материалов

Теплопроводность

Теплопроводность характеризует плотность теплового потока. Коэффициент теплопроводности вводится как коэффициент пропорциональности в законе Фурье:

.

Теплопроводность λ – это количества тепла Q, которое переносится за время τ = 1 с через образец с поверхностью s = 1 см² и толщиной l = 1 см под действием разности температур ΔT = 1^оС.

.

λ – коэффициент теплопроводности или теплопроводность.

В металлах тепло переносится электронами проводимости. В диэлектриках, в том числе и в стёклах, перенос энергии теплового движения осуществляется фононами.

Оконное стекло : λ = 0,7–1,3 ;

Лабораторное стекло: λ = 0,8–1,0 ;

Металлы: λ = 40–480 .

Наибольшей теплопроводностью обладает кварцевое стекло. При замене диоксида кремния любым другим оксидом теплопроводность понижается. В порядке убывания влияния на теплопроводность оксиды образуют ряд:

K₂O, Na₂O, PbO, BaO, CaO, ZnO, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO, B₂O₃.

С повышением температуры теплопроводность возрастает.