Классификация стекол по назначению

Неорганические стекла классифицируются по виду стеклообразующего вещества, виду модификаторов, технологии изготовления и назначению.

По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (А1₂0₃–SiO₂), боросиликатные (В₂0₃–SiO₂), алюмоборосиликатные (А1₂0₃–В₂0₅–SiO₂), алюмофосфатные (А1₂0₃–Р₂0₅), халъкогенидные (например, Аs₃₁Gе₃₀Sе₂₁Те₁₈₀), галогенидные и другие стекла.

По виду модификаторов различают щелочные, бесщелочные и кварцевые неорганические стекла. Прочность щелочных стекол под действием влаги уменьшается вдвое, так как вода выщелачивает стекло. При этом, образуются щелочные растворы, которые расклинивают стекло, вызывая появление микротрещин в поверхностном слое.

По технологии изготовления неорганическое стекло может быть получено выдуванием, литьем, штамповкой, вытягиванием в листы, трубки, волокна и др. Стекло выпускается промышленностью в виде готовых изделий, заготовок и отдельных деталей.

По назначению неорганические стекла делятся на техническое, строительное и бытовое (стеклотара, посудное, бытовое и др.).

Техническое стекло по области применения делится на электротехническое, транспортное; оптическое, светотехническое, термостойкое, тугоплавкое, легкоплавкое, химико-лабораторное и др.

Электротехническое стекло. Высокие значения удельного электросопротивления, большая электрическая прочность (16–50 кВ/мм), низкие значения диэлектрических потерь (tgδ=0,0018–0,0175) и сравнительно высокая диэлектрическая проницаемость (ε=3,5–16), которая повышается при увеличении концентрации РbО или ВаО. При нагреве в интервале температур 200–400 °С удельное электросопротивление уменьшается в 10⁸–10¹⁰ раз, что связано с увеличением подвижности щелочных ионов, и стекло теряет свои изолирующие свойства. Оксиды тяжелых металлов – свинца и бария уменьшают подвижность ионов и снижают потери.

При впаивании металла в стекло, при сваривании стекол разного состава в стекле появляются термические напряжения из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения. Если температурные коэффициенты обоих материалов близки, то спаи стекла с материалом называются согласованными спаями, а если различны – несогласованными спаями.

Как диэлектрик используют для колб осветительных ламп и радиоламп, в электровакуумных устройствах, для изоляторов, для герметизации интегральных схем. Так, в виде тонкой (до 3–4 мкм) пленки стекло используют в качестве прочной, нетрескающейся и теплостойкой изоляции на металлических проводах и термопарах. Халькогенидное стекло используется для герметизации полупроводниковых приборов. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые – находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.

Электротехнические стекла в зависимости от величины температурного коэффициента линейного расширения разделяются на платиновые (С89-2), молибденовые (С49-1) и вольфрамовые (С38-1). Каждая группа стекол используется для согласованных спаев с Мо, W и сплавами Fe-N. В марке электротехнического стекла указывается значение температурного коэффициента линейного расширения.

Транспортное стекло. В машиностроении эффективно применяется как конструкционный материал при условии нейтрализации хрупкости, что достигается его закалкой, как правило, в воздушном потоке.

Специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Коэффициент преломления таких стекол составляет 1,47–1,96, коэффициент рассеяния находится в интервале 20–71.

Разновидностями транспортного стекла являются триплексы и термопан, применяемые для остекления в транспортных средствах, скафандрах.

Триплексы – композиционный материал, получаемый из двух листов закаленного силикатного (или органического) стекла толщиной 2–3 мм, склеенных прозрачной эластичной полимерной (обычно из поливинилбутираля) пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке.

Термопан – трехслойное стекло, состоящее из двух листов закаленных стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Оптическое и светотехническое стекло. Оптические свойства стекол зависят от их окраски, которая определяется химическим составом стекол, а также от состояния поверхности изделий. Оптические изделия должны иметь изотропную, свободную от напряжений структуру, которую получают отжигом, и гладкие полированные поверхности.

Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%, отражает примерно 8%и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор. Стекло с большим содержанием РbО поглощает рентгеновские лучи.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением (n_д=1,50), и флинты (n_д=1,67) – с высоким содержанием оксида свинца.

Термостойкое и тугоплавкое стекло.

«Пирекс» – термостойкое стекло на основе SiO₂ (80,5%) с повышенным содержанием В₂0₃ (12%), Na₂0 (4%), а также оксидами алюминия, калия и магния.

«Мазда» – тугоплавкое стекло на основе SiO₂ (57,6%) с оксидами алюминия (25%), кальция (7,4%), магния (8%) и калия. «Пирекс» и «Мазда» используются для изготовления изделий, использующихся при повышенных температурах эксплуатации: оболочки термометров, смотровые стекла и др.

Легкоплавкое стекло. Эти стекла изготовляют на основе РbО (70%) с добавлением В₂О₃ (20%) или В₂0₃(68,8%) с добавлением ZnО (28,6%) и Na₂O (2,6%); используются для изготовления эмалей, глазури и припоев для спаивания стекла.

Строительное стекло выпускают следующих видов: листовое, облицовочное и изделия и конструкции из стекла.

Листовое стекло изготавливают из стеклянной массы, в состав которой входят 71–73% SiO₂, 13,5–15% Na₂O, до 10% СаО, до 4% МgО и до 2% А1₂0₃. Масса 1 м² листового стекла 2–5 кг. Светопропускание – не менее 87%.

Листовое стекло вырабатывают трех сортов и в зависимости от толщины шести размеров (марок): 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Сорт листового стекла определяется наличием дефектов, к которым относятся: полосность – неровность на поверхности; свиль – узкие нитевидные полоски; пузыри – газовые включения и др. Ширина листов стекла 250–1600 мм, длина 250–2200 мм.

Промышленностью вырабатываются также специальные виды листового стекла: витринное (полированное), теплопоглощающее, увиолевое (пропускающее 25–75% ультрафиолетовых лучей), закаленное, архитектурно-строительное и др.

Листовое стекло – основной вид стекла, используемый для остекления оконных и дверных проемов, витрин, наружной и внутренней отделки зданий.

Облицовочное стекло применяют для отделки фасадов и внутренних помещений здания. К потребительским свойствам такого стекла относятся высокая декоративность (яркие цвета, блестящая поверхность), большая атмосферостойкость и долговечность. К группе облицовочных стекол относятся:

стемалит – листовой строительный материл из закаленного полированного (толщиной 6–12 мм) стекла, покрытого с внутренней стороны непрозрачной (глухой) керамической краской. Покрытие защищается со стороны помещения тонким слоем алюминия, нанесенным в вакууме. Применяется для внутренней и наружной облицовки зданий;

марблит – листовой строительный материал толщиной 12 мм из цветного глушеного стекла с полированной лицевой поверхностью и рифленой тыльной, может имитировать мрамор;

стеклянная эмалированная плитка – изготавливается из отходов листового стекла (стеклянная эмаль), наплавляемых на поверхность стекла, нарезанного на требуемые размеры (150x150, 150x70 мм при толщине 3–5 мм);

стеклянная мозаика – ковровая мозаика в виде мелких квадратных плиток (20x20 или 25x25 мм) из непрозрачного (глушеного) цветного стекла, выложенных в однотонные или мозаичные ковры;

смальта – кубики или пластинки толщиной 10 мм из цветной глушеной стекломассы, полученные отливкой или прессованием; применяется для изготовления мозаик.

Изделия и конструкции из стекла. К наиболее распространенным изделиям и конструкциям из стекла в строительной промышленности относятся:

стеклоблоки – полые блоки из двух отформованных половинок, сваренных между собой. Светопропускание–не менее 65%, светорассеяние–около 25% (светорассеяние повышают рифлением внутренней стороны блоков), теплопроводность – 0,4 Вт/(м·К). Применяются для заполнения световых проемов в наружных стенах и устройства светопрозрачных покрытий и перегородок;

стеклопакеты – два-три листа стекла, соединенных по периметру металлической рамкой (обоймой), между которыми создана герметически замкнутая воздушная полость. Применяются для остекления зданий;

стеклопрофилит – крупногабаритные строительные панели из профильного стекла, изготовляемые методом непрерывного проката коробчатого, таврового, швеллерного и полукруглого профилей. Стеклопрофилит может быть армированным и неармированным, бесцветным и цветным. Применяется для устройства светопрозрачных ограждений зданий и сооружений.

Стекловолокно – волокнистый материал, получаемый из расплавленной стекломассы. Наиболее широко применяются бесщелочное алюмо-боросиликатное Е-стекло, а также высокопрочное стекло на основе оксидов: SiO₂, А1₂0₃, МgO. Диаметр стекловолокна колеблется от 0,1 до 300 мкм. Форма сечения может быть в виде крута, квадрата, прямоугольника, треугольника, шестиугольника. Выпускаются и полые волокна. По длине волокно делится на штапельное (от 0,05 до 2–3 м) и непрерывное. Плотность стекловолокна 2400–2600 кг/м³. Прочность элементарных стеклянных волокон в несколько десятков раз выше объемных образцов стекла: прочность на растяжение достигает 1500–3000 МПа для непрерывных волокон диаметром 6–10 мкм. Стекловолокно имеет высокие тепло-, электро- и звукоизоляционные свойства, оно термо- и химически стойко, негорюче, не гниет.

Поверхность стеклянных волокон при транспортировке и различных видах переработки замасливают для предотвращения истирания, так как от состояния поверхности волокон зависит их прочность. Из стекловолокна изготавливают стекловату, ткани и сетки, а также нетканые материалы в виде жгутов и холстов, стекломатов.

Стекловата – материал из стеклянных волокон, диаметр которых для изготовления теплоизоляционных изделий не должен превышать 21 мкм. Структура ваты должна быть рыхлой – количество прядей, состоящих из параллельно расположенных волокон, не более 20% по массе. Плотность в рыхлом состоянии не должна быть более 130 кг/м³. Теплопроводность – 0,05 Вт/(м·К) при 25 °С. Стеклянную вату из непрерывного волокна применяют для изготовления теплоизоляционных материалов и изделий при температурах изолируемых поверхностей от -200 до +450°С.

Стекловата из супертонкого волокна имеет плотность 25 кг/м³, теплопроводность 0,03 Вт/(м·К), температурах эксплуатации от -60 до +450°С, звукопоглощение 0,65–0,95 в диапазоне частот 400–2000 Гц. Стекловата из супертонкого волокна, а также изделия на ее основе используются в строительстве в качестве звукоизоляционного материала.

Стекломаты (АСИМ, АТИМС, АТМ-3) – материалы, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются при температурах 60–600°С в качестве армирующих элементов в композиционных материалах.

Стеклорубероид и стекловойлок – рулонные материалы, получаемые путем двухстороннего нанесения битумного (битумно-резинового или битумно-полимерного) вяжущего вещества, соответственно, на стеклово-локнистый холст или стекловойлок и покрытия с одной или двух сторон сплошным слоем посыпки. Сочетание биостойкой основы и пропитки с повышенными физико-механическими свойствами позволяет достичь долговечности для стеклорубероида около 30 лет.

В зависимости от вида посыпки, предотвращающей слипание при хранении в рулонах, и назначения стеклорубероид выпускают следующих марок: С-РК (с крупнозернистой посыпкой), С-РЧ (с чешуйчатой посыпкой) С-РМ (с пылевидной или мелкозернистой посыпкой). Применяют стеклорубероид для верхнего и нижнего слоев кровельного ковра и для оклеенной гидроизоляции.

Гидростеклоизол – гидроизоляционный рулонный материал, предназначенный для гидроизоляции железобетонных обделок туннелей (марка Т), пролетных строений мостов, путепроводов и других инженерных сооружений (марка М).

Гидростеклоизол состоит из стеклоосновы (тканой или нетканой сетчатки, дублированной стеклохолстом), покрытой с обеих сторон слоем битумной массы, в которую входят битум, минеральный наполнитель (около 20%) с молотым тальком, магнезитом, а также пластификатором. Отличается помимо высокой водонепроницаемости хорошими прочностными показателями при растяжении в продольном направлении. Он выдерживает разрывную нагрузку при высшей категории качества 735 Н. Теплостойкость – 60–65 °С, температура хрупкости – от -20 до -10°С.

Гидростеклоизол наклеивают без применения мастик – равномерным плавлением (например, используя пламя газовой горелки) его поверхности.

Пеностекло (ячеистое стекло) – ячеистый материал, получаемый спеканием тонко измельченного стекольного порошка и порообразователя. Вырабатывают из стекольного боя либо используют те же сырьевые материалы, что и для производства других видов стекла: кварцевый песок, известняк, соду и сульфат натрия. Порообразователями могут быть кокс и известняк, антрацит и мел, а также карбиды кальция и кремния, выделяющие при спекании углекислый газ, образующий поры.

Пеностекло имеет специфическое строение – в материале стенок крупных пор (0,25–0,5 мм) содержатся мельчайшие микропоры, что обусловливает малую теплопроводность (0,058–0,12 Вт/(м·К)) при достаточно большой прочности, водостойкости и морозостойкости. Пористость различных видов пеностекла составляет 80–95%; плотность 150–250 кг/м³; прочность 2–6 МПа. Обладает высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Пеностекло – несгораемый материал с высокой (до 600 °С) теплостойкостью. Легко обрабатывается (пилится, шлифуется); оно хорошо склеивается, например, с цементными материалами.

Щиты из пеностекла применяют для теплоизоляции ограждающих конструкций зданий (стен, перекрытий, кровель и др.), в конструкциях холодильников (изоляция поверхностей с температурой эксплуатации до 180 °С), для декоративной отделки интерьеров. Из пеностекла с открытыми порами изготовляют фильтры для кислот и щелочей.

Стеклопор получают путем фануляции и вспучивания жидкого стекла с минеральными добавками (мелом, молотым песком, золой ТЭС и др.). Выпускается трех марок: СЛ ρ₀=15–40 кг/м³, λ=0,028–0,035 Вт/(м·К); Л ρ₀=40–80 кг/м³, λ=0,032–0,04 Вт/(м·К); ρ₀=80–120 кг/м³, λ=0,038–0,05Вт/(м·К).

В сочетании с различными связующими веществами стеклопор используют для изготовления штучной, мастичной и заливочной теплоизоляции. Наиболее эффективно применение стеклопора в ненаполненных пенопластах, так как введение его в пенопласт позволяет снизить расход полимера и значительно повысить огнестойкость теплоизоляционных изделий.

Армированное стекло – конструкционное изделие, получаемое методом непрерывного проката неорганического стекла с одновременным закатыванием внутрь листа металлической сетки из отожженной хромированной или никелированной стальной проволоки. Это стекло имеет предел прочности при сжатии 600 МПа, повышенную огнестойкость, безосколочно при разрушении, светопропускаемость – более 60%. Может иметь гладкую, кованую или узорчатую поверхность, быть бесцветным или цветным.

Армированное стекло применяют для остекления фонарей верхнего света, оконных переплетов, устройства перегородок, лестничных маршей и др.

Ситаллы

Ситаллы(стеклокристаллические материалы) – искусственный материал на основе неорганического стекла, получаемый путем полной или частично управляемой кристаллизации в них.

Термин «ситаллы» образован от слов: «стекло» и «кристаллы». По структуре и технологии получения ситаллы занимают промежуточное положение между обычным стеклом и керамикой. От неорганического стекла они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов – более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

В состав ситаллов входят:

• оксиды – Li₂0, А1₂О₃, SiO₂, Мg0, СаО и др.;

• нуклеаторы (катализаторы кристаллизации) – соли светочувствительных металлов –Аu, Аg, Сu, являющиеся коллоидными красителями и присутствующие в стекле в виде тонкодисперсных частиц. Нуклеаторы являются дополнительными центрами кристаллизации (рис. 13). Они должны иметь кристаллическую решетку, подобную вьщеляющимся из стекла кристаллическим фазам, и способствовать равномерной кристаллизации всей массы;

• глушители (плохо растворимые частицы) – фтористые и фосфатные соединения, ТiO₂ и др.

Структура ситаллов мелкокристаллическая, однородная, характеризуется отсутствием пористости. Средний размер кристаллитов в ситаллах 1–2 мкм. Содержание кристаллической фазы – не менее 40–50%. Кристаллиты срастаются между собой или связаны прослойками остаточного аморфного стекла. Количество стеклофазы не превышает нескольких процентов. Беспорядочная ориентация кристаллитов приводит к отсутствию в ситаллах анизотропии.

Регулируя режимы термообработки, можно изменять степень кристаллизации и размеры кристаллов, что отражается на свойствах изделия. Свойства ситаллов изотропны и в основном определяются фазовым составом и их структурой. Основными свойствами ситаллов являются:

• плотность 2400–2950 кг/м³;

• температура размягчения 1250–1350 °С;

• низкая теплопроводность 2–7 Вт/(м·К);

• температурный коэффициент линейного расширения (7–300)·10^-7 °C^-1.

• σсж=7–2000 МПа, σв=112–160 МПа, σизг=7–350 МПа;

• модуль Юнга 84–141 ГПа;

• хрупкость (при ударной вязкости 4,5–10,5 кДж/м²);

• микротвердость – 7000– 10500 МПа;

• высокая износостойкость;

• термостойкость – 200–700°С (до 1100°С);

• диэлектрические свойства;

• химическая стойкость;

• газонепроницаемость и нулевое водопоглощение.

Рис. 13. Схема кристаллизации стекла при образовании ситаллов

с помощью нуклеаторов

По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными (глухими), прозрачными, а также окрашенными (темного, коричневого, серого, кремового и светлого цветов). Прочность их зависит от температуры: до 700–780 °С она снижается незначительно, а при более высоких температурах быстро падает. Жаропрочность ситаллов составляет 800–1200 °С.

Причина особо ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости и почти идеальной поликристаллической структуре. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Детали из ситаллов соединяют друг с другом и другими материалами с помощью стеклокристаллического цемента с последующей термической обработкой при 400–600°С, клеев и замазок на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла, металлизацией с последующей пайкой.

Ситаллы классифицируют в зависимости от способа производства, от характера исходных материалов и по назначению.

Ситалловые изделия получают, как правило, путем плавления стекольной шихты специального состава, охлаждения расплава до пластического состояния и последующего формования методами стекольной или керамической технологии (вытягивание, выдувание, прокатка, прессование), а затем ситаллизацией. Такие изделия получают также порошковым методом спекания.

По характеру исходных материалов и свойств выделяют: петроситаллы, шлакоситалаы и технические ситаллы. Разновидностью ситаллов являются ситаллопласты – композиционные материалы, получаемые на базе пластических масс (фторопластов) и ситаллов.

Петроситаллы получают на основе габбро-норитовых, диабазовых и других горных пород, шлакоситаллы – из металлургических или топливных шлаков. Технические ситаллы изготавливают на основе искусственных композиций из различных химических соединений – оксидов, солей.

По назначению ситаллы делятся на конструкционные (строительные и машиностроительные), технические, радио-, электро- и фототехнические. На основе ситаллов получают различные клеи для склеивания металла, стекла, керамики. Наиболее широкое распространение в строительстве получили шлакоситаллы и пеношлакоситаллы.

Шлакоситаллы – ситаллы из огненно-жидких металлургических шлаков. Плотность – 600–2700 кг/м³; σсж=250–550 МПа, σизг=65–130 МПа, модуль упругости Е= 11·10⁴ МПа, рабочие температуры – до 750 °С, водопоглощение практическй равно нулю; высокие кислото- и щелочестойкость.

Изделия из шлакоситалла дешевы и отличаются высокой долговечностью. Эти изделия используются для лестничных ступеней, плиток полов, внутренних перегородок, как кровельный и стеновой материал, дл облицовки ответственных частей гидросооружений, а также в дорожном строительстве в качестве плит для тротуаров, дорожных покрытий. Листовой шлакоситалл (можно получать любого цвета) используется как декоративно-отделочный материал для наружной и внутренней облицовки сооружений. Шлакоситаллы могут быть получены любы цветов, а по долговечности они конкурируют с базальтами и гранитами.

Пеношлакоситалл – вспененный шлакоситалл с ячеистой структурой. Эффективный теплоизоляционный материал с незначительным водопогло щением и малой гигроскопичностью. Рабочие температуры – до 750 °С Пеношлакоситаллы используют для утепления стен и звукоизоляции помещений, а также для изоляции трубопроводов теплотрассы и промышленны печей.

В машиностроении ситаллы применяют для изготовления подшипников, деталей двигателей, труб, жаростойких покрытий, лопастей компрессоров, точных калибров металлорежущих станков, метрологических мер длины, фильер для вытягивания синтетического волокна, абразивов для шлифования; в химическом машиностроении – пар трения плунжеров, деталей химических насосов, реакторов, мешалок, запорных клапанов. Радио- и электротехнические ситаллы используются для изготовления подложек, оболочек, плато, сетчатых экранов, антенны обтекателей и др., а также как жаростойкие покрытия для зашиты металлов от действия высоких температур. Фототехнические ситаллы применяются для изготовления сетчатых экранов телевизоров, дорожных знаков, зеркал телескопов, для замены фото эмульсий диапозитивов, на шкалах приборов и др. Разрешающая способность и качество изображения у фотоситаллов выше, чем у обычных фотоэмульсий.

4.4. Вопросы по теме «Стекла»:

1. Какое строение имеет стекло? Что входит в состав стекла?

2. Как классифицируют стекло по химическому составу и назначению?

3. Какими свойствами обладает стекло?

4. Что такое ситалл, триплекс?

КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамика – неорганические поликристаллические материалы, получаемые из сформованных минеральных масс (глины и их смеси с минеральными добавками) в процессе высокотемпературного (1200–2500 °С) спекания.