Стекло
Эта статья о материале. Для других целей см. раздел Стекло (устранение неоднозначности). Стекло - этонекристаллическое, часто прозрачное аморфное твердоевещество , которое имеет широкое практическое, технологическое и декоративное применение, например, в оконных стеклах, посудеи оптике. Стекло чаще всего образуется путем быстрого охлаждения (закалки) расплавленной формы; некоторые стекла, такие как вулканическое стекло, встречаются в природе. Наиболее известными и исторически самыми древними видами производимого стекла являются "силикатные стекла" на основе химического соединения кремнезема (диоксида кремния или кварца), основного компонента песка. Содово-известковое стекло На долю стекла , содержащего около 70% кремнезема, приходится около 90% производимого стекла. Термин "стекло" в популярном употреблении часто используется только для обозначения этого типа материала, хотя стекла без кремнезема часто обладают желательными свойствами для применения в современных коммуникационных технологиях. Некоторые предметы, такие как стаканы для питья и очки, настолько часто изготавливаются из стекла на основе силикатов, что их просто называют по названию материала.
Несмотря на хрупкость, силикатное стекло чрезвычайно прочно, и многие примеры осколков стекла существуют в ранних культурах стеклоделия. Археологические данные свидетельствуют о том , что производство стекла в Месопотамии, Египте или Сирии началось по меньшей мере в 3600 году до нашей эры . Самыми ранними известными стеклянными предметами были бусины, возможно, случайно созданные во время обработки металла или производства фаянса. Благодаря своей легкости формования в любую форму стекло традиционно использовалось для изготовления сосудов, таких как чаши, вазы, бутылки, банки и стаканы для питья. В своих самых твердых формах он также использовался для пресс-папье и мрамора Стекло может быть окрашено добавлением солей металлов или окрашено и напечатано в виде эмалированного стекла. Преломляющие, отражающие и пропускающие свойства стекла делают его пригодным для изготовления оптических линз, призми материалов оптоэлектроники. Экструдированные стекловолокна применяются в качестве оптических волокон в коммуникационных сетях, теплоизоляционного материала при матировании в виде стекловаты для улавливания воздуха или в армированном стекловолокном пластике (стеклопластике).
Микроскопическая структура[править]
Основная статья: Структура жидкостей и стекол
Стандарт определения стекло (или стекловидное тело) - это тело, образованное быстрого таяния закалки. однако термин "стекло" часто определяется в более широком смысле для описания любого некристаллические (аморфные) твердое вещество, которое проявляет стеклования при нагревании достижения жидкого состояния.
Стекло-это аморфное твердоевещество . Хотя атомно-масштабная структура стекла разделяет характеристики структуры переохлажденной жидкости, стекло проявляет все механические свойства твердого тела.[6][7][8] Как и в других аморфных твердыхтелах , атомная структура стекла лишена дальнодействующей периодичности, наблюдаемой в кристаллических твердыхтелах . Из-за ограничений химических связей стекла действительно обладают высокой степенью ближнего порядка по отношению к локальным атомным многогранникам.] Представление о том, что стекло течет в значительной степени в течение длительных периодов времени, не подтверждается эмпирическими исследованиями или теоретическим анализом (см. Лабораторные измерения потока стекла при комнатной температуре действительно показывают движение, согласованное с вязкостью материала порядка 1017-1018 Па с.]
Образование из переохлажденной жидкости[править]
Основная статья: Стеклянный переход
Нерешенная проблема в физике:
Какова природа перехода между жидкой или обычной твердой фазой и стеклообразной? "Самой глубокой и интересной нерешенной проблемой в теории твердого тела является, вероятно, теория природы стекла и стеклования" —П. У. Андерсон
(еще несколько нерешенных задач по физике )
Для закалки расплава, если охлаждение достаточно быстрое (относительно характерного времени кристаллизации), то кристаллизация предотвращается, и вместо этого неупорядоченная атомная конфигурация переохлажденной жидкости замораживается в твердое состояние приTg . Склонность материала к образованию стекла при закалке называется стеклообразующей способностью. Эта способность может быть предсказана теорией жесткости.[12] Как правило, стекло существует в структурно метастабильном состоянии по отношению к своей кристаллической форме, хотя при определенных обстоятельствах, например, в атактическом в полимерах нет кристаллического аналога аморфной фазы.]
Стекло иногда считается жидкостью из-за отсутствия фазового перехода первого порядка, где некоторые термодинамические переменные, такие как объем, энтропия и энтальпия, прерывны в диапазоне стеклования. Стеклование можно описать как аналог фазового перехода второго порядка, где интенсивные термодинамические переменные, такие как тепловая экспансивность и теплоемкость, являются разрывными. Тем не менее, равновесная теория фазовых превращений не полностью справедлива для стекла, и поэтому стеклование не может быть классифицировано как одно из классических равновесных фазовых превращений в твердых телах.
Возникновение в природе[править]
Основные статьи: Вулканическое стекло, Импактит и фульгурит
Стекло может образовываться естественным путем из вулканической магмы. Обсидиан-это обычное вулканическое стекло с высоким содержанием кремнезема (SiO2), образующееся при быстром охлаждении полевой лавы, выдавливаемой из вулкана. Импактит-это форма стекла , образованная ударом метеорита, где заметными примерами являются молдавит (найденный в Центральной и Восточной Европе) и ливийское пустынное стекло (найденное в районах восточной Сахары, пустынях восточной Ливии и западного Египта). Остекловывание кварца может также происходить , когда молния ударяет в песок, образуя полые, ветвящиеся корневидные структуры, называемые фульгуритами. это стекловидный остаток, образовавшийся из песка на дне пустыни на Троицком испытательном полигоне атомной бомбы. Edeowie glass, найденный в Южной Австралии, предположительно возник в результате плейстоценовых пожаров на пастбищах, ударов молний или удара сверхсветовой скорости одним или несколькими астероидами или кометами.]
История[править]
Основная статья: История стекла
Естественно встречающееся обсидиановое стекло использовалось обществами каменного века, поскольку оно ломается по очень острым краям, что делает его идеальным для режущих инструментов и оружия.Стеклоделие датируется по меньшей мере 6000 годами, задолго до того, как люди научились выплавлять железо.Археологические данные свидетельствуют о том , что первое настоящее синтетическое стекло было сделано в Ливане и прибрежной северной Сирии, Месопотамии или Древнем Египте. Самыми ранними известными стеклянными предметами, относящимися к середине третьего тысячелетия до н. э., были бусины, возможно, первоначально созданные как случайные побочные продукты металлообработки (шлаки) или во время производства фаянса, предварительно стакан стекловидный материал, изготовленный, аналогично процессу остекления. в начале стакан был редко и часто содержат примеси и дефекты, и технически фаянса, а не стекло, которое не появились до 15-го века до нашей эры. тем не менее, красно-оранжевые стеклянные бусины вынутый из долины Инда цивилизации от до 1700 года до н. э. (Возможно, уже в 1900 до н. э.) сложилась устойчивая стекольного производства, которое появилось примерно в 1600 и 1500 в Месопотамии в Египет. во время позднего бронзового века произошел стремительный рост в технология изготовления стекла в Египте и Западной Азии. Археологические находки этого периода включают цветные стеклянные слитки, сосуды и бусины. Многие ранние производства стекла опирались на методы шлифования , заимствованные из обработки камня, такие как шлифование и резьба по стеклу в холодном состоянии.
Термин стекло появился в поздней Римской империи. Именно в римском центре стеклоделия в Трире (расположенном в современной Германии) возник позднелатинский термин glesum, вероятно, от германского слова , обозначающего прозрачное, блестящее вещество. Стеклянные предметы были найдены по всей Римской империи[31] в домашнем, погребальном, и промышленном контекстах. Примеры римского стекла были найдены за пределами бывшей Римской империи в Китае, Прибалтике, на Ближнем Востокеи в Индии. Римляне усовершенствовали камео-стекло, полученное путем травления и резьба по сплавленным слоям разных цветов, чтобы создать рельефный рисунок на стеклянном объекте.]
В постклассической Западной Африке Бенин был производителем стекла и стеклянных бусин.Стекло широко использовалось в Европе в Средние века . Англосаксонское стекло было найдено по всей Англии во время археологических раскопок как поселений, так и кладбищ.Начиная с 10-го века стекло использовалось в витражах церквей и соборов, с известными образцами в Шартрском соборе и базилике Сен-Дени. К xiv веку архитекторы проектировали здания с витражными стенами, такие как Сент-Шапельв Париже (1203-1248) и Ист-энд Парижа. Глостерский собор. С изменением архитектурного стиля в период Ренессанса в Европе использование больших витражей стало гораздо менее распространенным, хотя витражи имели большое возрождение с готической архитектурой возрождения в 19 веке.]
В 13 веке остров Мурано, Венеция, стал центром производства стекла, опираясь на средневековые методы производства красочных орнаментальных изделий в больших количествах. Производители муранского стекла разработали исключительно прозрачное бесцветное стекло cristallo, получившее такое название за сходство с натуральным хрусталем и широко используемое для изготовления окон, зеркал, корабельных фонарей и линз.В 13-м, 14-м и 15-м веках эмаль и позолота на стеклянных сосудах были усовершенствованы в Египте и Сирии. стал важным регионом для производства стекла, оставаясь таковым до начала 20-го века. К 17 веку в Англии также производилось стекло в венецианской традиции. Примерно в 1675 году Джордж Рейвенскрофт изобрел свинцовое хрустальное стекло, а граненое стекло стало модным в 18 веке. Декоративные стеклянные предметы стали важным средством искусства в период модерна в конце 19 века.]
На протяжении 20-го века, Нью - массового производства техник привело к широкой доступности и полезности для сыпучих стекла и его широкое использование в качестве строительного материала, а также применение новых стекла. В 1920-х в плесенитравления процесс был разработан, в которой искусство было запечатлено непосредственно в форме, таким образом, что каждая литая деталь вышла из формы с изображением уже на поверхность стекла. Это снизило производственные затраты и в сочетании с более широким использованием цветного стекла привело к появлению дешевой стеклянной посуды в 1930-х годах, которая позже стала известна как депрессионное стекло., Англия, разработала процесс флоат-стекла, производя высококачественные плоские листы стекла без искажений, плавая на расплавленном олове. Современные многоэтажные здания часто строятся с навесными стенами, сделанными почти полностью из стекла.Оптическое стекло для очков использовалось со времен средневековья. Производство линз становилось все более искусным, помогая астрономам, а также имея другое применение в медицине и науке.[ Стекло также используется в качестве крышки апертуры во многих коллекторах солнечной энергии.]
В 21 веке производители стекла разработали различные марки химически упрочненного стекла для широкого применения в сенсорных экранах смартфонов, планшетных компьютерови многих других видов информационных приборов. К ним относятся Gorilla glass, разработанный и изготовленный компанией Corning, AGC Inc. Dragontrail и Schott AGXensation.
Физические свойства[править]
Оптический[править]
Стекло широко используется в оптических системах благодаря своей способности преломлять, отражать и пропускать свет в соответствии с геометрической оптикой. Наиболее распространенными и древними применениями стекла в оптике являются линзы, окна, зеркалаи призмы. Ключевые оптические свойства показатель преломления, дисперсияи пропусканиестекла сильно зависят от химического состава и , в меньшей степени , от его термической истории. Оптическое стекло обычно имеет показатель преломления от 1,4 до 2,4 и число Аббе, характеризующее дисперсию, от 15 до 100.] Показатель преломления может быть изменен добавками высокой плотности (показатель преломления увеличивается) или низкой плотности (показатель преломления уменьшается).
Прозрачность стекла обусловлена отсутствием границ зерен, которые диффузно рассеивают свет в поликристаллических материалах.Полупрозрачность, обусловленная кристаллизацией, может быть вызвана во многих стеклах длительным поддержанием их температуры, недостаточной для того, чтобы вызвать плавление. Таким образом, получается кристаллический, девитрифицированный материал, известный как стеклянный фарфор Реомюра.Хотяочки обычно прозрачны для видимого света, они могут быть непрозрачны для других длин волн света. В то время как силикатные стекла обычно непрозрачны для инфракрасного излучения при длине волны с отсечкой пропускания 4 мкм фторид тяжелых металлов и халькогенидные стекла прозрачны для инфракрасных длин волн от 7 до 18 мкм соответственно. Добавление оксидов металлов приводит к получению различных цветных стекол, поскольку ионы металлов поглощают длины волн света, соответствующие определенным цветам.
Прочее[править]
См. также: Список физических свойств стекла, Коррозия § Коррозия стекла и Прочность стекла
В процессе производства стекла могут быть разлиты, сформованы, экструдированы и отлиты в формы, варьирующиеся от плоских листов до очень сложных форм. Готовый продукт хрупок и будет разрушаться, если только он не будет ламинирован или закален для повышения долговечности.Стекло, какправило, инертно, устойчиво к химическому воздействию и в основном выдерживает действие воды, что делает его идеальным материалом для изготовления контейнеров для пищевых продуктов и большинства химических веществ. Тем не менее, хотя обычно стекло очень устойчиво к химическому воздействию, при некоторых условиях оно корродирует или растворяется. Материалы, из которых состоит тот или иной состав стекла, оказывают влияние на то, как быстро стекло корродирует. Стекла, содержащие высокую долю щелочных или щелочноземельных элементов, более подвержены коррозии, чем другие составы стекла.
Плотность стекла варьируется в зависимости от химического состава и колеблется от 2,2 грамма на кубический сантиметр (2200 кг/м3) для плавленого кремнезема до 7,2 грамма на кубический сантиметр (7200 кг/м3) для плотного кремневого стекла. оценивается от 14 гигапаскалей (2 000 000 фунтов на квадратный дюйм) до 35 гигапаскалей (5 100 000 фунтов на квадратный дюйм) из-за его способности подвергаться обратимому сжатию без разрушения. Однако наличие царапин, пузырьков и других микроскопических дефектов приводит к типичному диапазону от 14 мегапаскалей (2000 фунтов на квадратный дюйм) до 175 мегапаскалей (25 400 фунтов на квадратный дюйм) в большинстве коммерческих стекол. Несколько процессов, таких как закалка, могут увеличить прочность стекла. Тщательно вытянутые безупречные стеклянные волокна могут быть получены с прочностью до 11,5 гигапаскалей (1 670 000 фунтов на квадратный дюйм).
Предполагаемый поток[править]
Наблюдение о том, что старые окна иногда оказываются толще внизу, чем вверху, часто предлагается в качестве подтверждающего доказательства того, что стекло течет в течение веков, предполагая, что стекло проявило жидкое свойство перетекать из одной формы в другую. Вместо этого процессы производства стекла в прошлом производили листы неоднородной толщины, приводящие к наблюдаемым провисаниям и ряби в старых окнах.]
Типы[править]
Силикат[править]
Диоксид кремния (SiO2) является общей фундаментальной составляющей стекла. Плавленый кварц-это стекло, изготовленное из химически чистого кремнезема. Он обладает очень низким тепловым расширением и отличной устойчивостью к тепловому удару, способен пережить погружение в воду, будучи раскаленным докрасна, устойчив к высоким температурам (1000-1500 °C) и химическому выветриванию, а также очень тверд. Он также прозрачен в более широком спектральном диапазоне, чем обычное стекло, простираясь от видимого дальше как в УФ, так и в ИК-диапазоне диапазонов, и иногда используется там, где требуется прозрачность для этих длин волн. Плавленый кварц используется для высокотемпературных применений, таких как печные трубы, осветительные трубы, плавильные тигли и т. Д. Однако его высокая температура плавления (1723 °C) и вязкость затрудняют работу с ним. Поэтому обычно для снижения температуры плавления и упрощения обработки стекла добавляют другие вещества (флюсы).
Сода-известь[править]
Карбонат натрия (Na2CO3, "сода") является распространенной добавкой и действует для снижения температуры стеклования. Однако силикат натрия растворим в воде, поэтому известь (CaO, оксид кальция, обычно получаемый из известняка), некоторый оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al2o3) являются другими распространенными компонентами, добавляемыми для повышения химической стойкости. Содово-известковые стекла (Na2o) + известь (CaO) + магнезия (MgO) + глинозем (Al2o3) составляют более 75% производимого стекла, содержащего от 70 до 74% кремнезема по массе. Натриево-известково-силикатное стекло прозрачно, легко формуется и наиболее подходит для оконного стекла и посуды.Однако он обладает высоким тепловым расширением и плохой устойчивостью к нагреву. натриево-кальциево-силикатное стекло обычно используется для окон, бутылок, лампыи кувшины.
Боросиликат[править]
Боросиликатного стекла (например, стекло, Дюран), как правило, содержат 5-13% Бора триоксид (в2О3). боросиликатного стекла имеют довольно низкие коэффициенты теплового расширения (КТР 7740 Пирекс составляет 3,25×10−6/°С как по сравнению с примерно 9×10−6/°С для обычного натриево-известкового стекла). Поэтому они менее подвержены напряжению, вызванному тепловым расширением, и, следовательно, менее уязвимы к растрескиванию от теплового удара. Они обычно используются , например , для лабораторного оборудования, бытовой посудыи герметичных автомобильных фар.]
Свинец[править]
Добавление оксида свинца(II) в силикатное стекло снижает температуру плавления и вязкость расплава.[75] Высокая плотность свинца стекло (диоксид кремния + оксид свинца (ПБО) + оксид калия (к2О) + сода (Н2О) + цинка оксида (ZnO) + оксид алюминия) приводит к высокой электронной плотности, и, следовательно, высокий коэффициент преломления, что делает внешний вид стекла более яркие и вызывающие заметно больше зеркального отражения и увеличенной оптической дисперсии.[65][76] Свинцовое стекло обладает высокой эластичностью, что делает стеклянную посуду более работоспособной и порождает четкий "звенящий" звук при ударе. Однако свинцовое стекло не может хорошо выдерживать высокие температуры.Оксид свинца также способствует растворимости других оксидов металлов и используется в цветном стекле. Снижение вязкости расплава свинцового стекла очень значительно (примерно в 100 раз по сравнению с содовым стеклом), что позволяет легче удалять пузырьки и работать при более низких температурах, поэтому его часто используют в качестве добавки в стекловидные эмали и стеклопаяли. Высокий ионный радиус Pb2+ ион делает его очень неподвижным и препятствует движению других ионов; поэтому свинцовые стекла обладают высоким электрическим сопротивлением, примерно на два порядка выше, чем натриево-известковое стекло (108,5 против 106,5 Ом⋅см, постоянный ток при 250 °С)
Алюмосиликат[править]
Алюмосиликатное стекло обычно содержит 5-10% глинозема (Al2o3). Алюмосиликатное стекло имеет тенденцию быть более трудным для плавления и придания формы по сравнению с боросиликатными композициями, но обладает отличной термостойкостью и долговечностью. Алюмосиликатное стекло широко используется для производства стекловолокна, используется для изготовления стеклопластиков (лодок, удочек и т. Д.), кухонной посуды и галогенных ламп.]
Другие оксидные добавки[править]
Добавление бария также увеличивает показатель преломления. Оксид тория дает стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсность и ранее использовался в производстве высококачественных линз, но благодаря своей радиоактивности был заменен оксидом лантана в современных очках.Железо может быть включено в стекло для поглощения инфракрасного излучения, например, в теплопоглощающие фильтры для кинопроекторов, в то время как оксид церия(IV) может быть использован для стекла, которое поглощает ультрафиолетовые волны. Фтор снижает диэлектрическую проницаемость стекла. Фтор обладает высокой электроотрицательностью и понижает поляризуемость материала. Фторидсиликатные стекла используются в производстве интегральных схем в качестве изолятора.
Стеклокерамика[править]
Основная статья: Стеклокерамика
Стеклокерамические материалы содержат как некристаллические стеклянные, так и кристаллические керамические фазы. Они образуются путем контролируемого зародышеобразования и частичной кристаллизации основного стекла путем термообработки.Кристаллические зерна часто внедряются в некристаллическую межзеренную фазу границ зерен . Стеклокерамика обладает превосходными тепловыми, химическими, биологическими и диэлектрическими свойствами по сравнению с металлами или органическими полимерами.
Наиболее коммерчески важным свойством стеклокерамики является ее невосприимчивость к тепловому удару. Таким образом, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления столешниц и промышленных процессов. Отрицательный коэффициент теплового расширения (CTE) кристаллической керамической фазы может быть уравновешен положительным CTE стекловидной фазы. В определенной точке (~70% кристаллической) стеклокерамика имеет чистый CTE около нуля. Этот тип стеклокерамики обладает превосходными механическими свойствами и может выдерживать многократные и быстрые изменения температуры до 1000 °C.]
Стекловолокно[править]
Основные статьи: Стекловолокно и стекловата
Стекловолокно (также называемое стеклопластиком, стеклопластиком) - это композитный материал, изготовленный путем армирования пластиковой смолы стеклянными волокнами. Он производится путем плавления стекла и растягивания стекла в волокна. Эти волокна сплетены вместе в ткань и оставлены, чтобы установить в пластиковой смоле. Стекловолокно обладает такими свойствами, как легкий вес и устойчивость к коррозии, а также является хорошим изолятором, что позволяет использовать его в качестве строительного изоляционного материала и электронного корпуса для потребительских товаров. Стекловолокно первоначально использовалось в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах во время Второй мировой войны для изготовления обтекателей. Использование стекловолокна включает в себя строительные и конструкционные материалы, корпуса лодок, детали кузовов автомобилей и аэрокосмические композитные материалы.
Стекло-волокна шерсти является отличной тепловой и звуковой изоляции материал, широко используется в зданиях (например, на чердаке и полости утепление стен), и сантехнику (например, изоляция труб), и звукоизоляция. Он производится путем продавливания расплавленного стекла через мелкое сито на центростремительную силу, и нарушение прессованное стекло волокна на короткие длины с помощью потока высокой скорости воздуха. Волокна склеиваются с помощью клеевого спрея, а полученный шерстяной коврик разрезается и упаковывается в рулоны или панели.
Несиликатный[править]
Кроме общих силикой очки многих других неорганических и органических материалов также может стать стекол, в том числе металлов, алюминаты, фосфаты, бораты, халькогенидов, фториды, германатов (очки, основанные на географическом2), tellurites (очки, основанные на Тео2), antimonates (очки, основанные на SB2О3), арсенаты (очки, основанные на А2О3), титанаты (очки на основе Тио -2), tantalates (очки, основанные на ТА2о5), нитратами, карбонатами, пластик, акрил, и многими другими веществами. Некоторые из этих очках (например, Германий диоксид (Гео2, Германия), во многих отношениях является структурным аналогом кремния, фтор, алюминатные, фосфатные, боратныеи халькогенидные стекла) обладают физико-химическими свойствами, полезными для их применения в волоконно-оптических волноводах в сетях связи и других специализированных технологических приложениях.
Стекла без кремнезема часто могут иметь плохую склонность к стеклообразованию. Новые методы, включая бесконтейнерную обработку аэродинамической левитацией (охлаждение расплава, пока он плавает в потоке газа) или закалку брызгами (прессование расплава между двумя металлическими наковальнями или роликами), могут быть использованы для увеличения скорости охлаждения или уменьшения триггеров зарождения кристаллов.
Аморфные металлы[править]
Основная статья: Аморфный металл
В прошлом небольшие партии аморфных металлов с высокой конфигурацией поверхности (ленты, проволока, пленки и т. Д.) производились путем реализации чрезвычайно высоких скоростей охлаждения. Аморфные металлические провода были получены путем распыления расплавленного металла на вращающийся металлический диск. В последнее время ряд сплавов стали изготавливать слоями толщиной более 1 миллиметра. Они известны как объемные металлические стекла (BMG). Liquidmetal Technologies продам ряд БМГ на основе циркония. Были также произведены партии аморфной стали, которые демонстрируют механические свойства, намного превосходящие свойства обычных стальных сплавов.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что система Al-Fe-Si может претерпевать переход первого порядка в аморфную форму (получившую название "q-стекло") при быстром охлаждении из расплава. Изображения просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) показывают, что q-стекло зарождается из расплава в виде дискретных частиц с равномерным сферическим ростом во всех направлениях. В то время как рентгеновская дифракция показывает изотропную природу q-стекла, существует нуклеационный барьер, подразумевающий межфазный разрыв (или внутреннюю поверхность) между фазами стекла и расплава.
Полимеры[править]
Важные полимерные стекла включают аморфные и стекловидные фармацевтические соединения. Они полезны, потому что растворимость соединения значительно увеличивается, когда оно аморфно по сравнению с тем же кристаллическим составом. Многие новые фармацевтические препараты практически нерастворимы в своих кристаллических формах.Многие полимерные термопласты, знакомые по повседневному использованию, являются стеклами. Для многих применений, таких как стеклянные бутылки или очки, полимерные стекла (акриловое стекло, поликарбонат или полиэтилентерефталат) являются более легкой альтернативой традиционному стеклу.]
Молекулярные жидкости и расплавленные соли[править]
Молекулярные жидкости, электролиты, расплавленные солии водные растворы представляют собой смеси различных молекул или ионов , которые не образуют ковалентной сети, а взаимодействуют только через слабые ван-дер-ваальсовые силы или через переходные водородные связи. В смесь из трех или более ионов различных размеров и формы, кристаллизации может быть настолько сложной, что жидкость может легко переохладиться в стакан. примеры: LiCl:рн2О (раствор хлорида лития соли и молекулами воды) в состав серии 4<Р<8. сахарное стекло, или Ка -0.4к0.6(нет3)1.4. В качестве решения проблем, связанных с органическими жидкими электролитами, используемыми в современных литий-ионных аккумуляторах, предложены стеклянные электролиты в виде легированного Ba Li-стекла и легированного Ba Na-стекла.
Производство[править]
Основные статьи: Производство стекла, Флоат-стекло и Стеклодув
После подготовки стекольной шихты и смешивания сырье транспортируется в печь. Натриево-известковое стекло для массового производства плавят в газовых установках. Печи меньшего масштаба для специальных стекол включают в себя электрические плавильные печи, горшечные печи и дневные резервуары. После плавления, гомогенизации и рафинирования (удаления пузырьков) образуется стекло . Плоское стекло для окон и аналогичных применений образуется с помощью процесса флоат-стекла, разработанного между 1953 и 1957 годами сэром Аластером Пилкингтоном и Кеннет Бикерстафф из британской компании Pilkington Brothers, который создал непрерывную ленту стекла, используя ванну с расплавленным оловом, по которой расплавленное стекло беспрепятственно течет под действием силы тяжести. Верхняя поверхность стекла подвергается воздействию азота под давлением для получения полированной поверхности. Тарное стекло для обычных бутылок и банок формуют методом выдувания и прессования.Это стекло часто слегка модифицируется химически (с большим количеством оксида алюминия и кальция) для большей водостойкости
Как только желаемая форма получена, стекло обычно отжигают для снятия напряжений и повышения твердости и долговечности стекла.[110] Обработка поверхности, покрытия или ламинирование могут последовать для повышения химической долговечности (покрытия стеклотары ,внутренняя обработкастеклотары ), прочности (закаленное стекло, пуленепробиваемое стекло, ветровыестекла [111]) или оптических свойств (изолированное остекление, антибликовое покрытие).]
Новые химические составы стекла или новые методы обработки могут быть первоначально исследованы в небольших лабораторных экспериментах. Сырье для лабораторных расплавов стекла часто отличается от материалов, используемых в массовом производстве, поскольку фактор стоимости имеет низкий приоритет. В лаборатории используются в основном чистые химические вещества. Необходимо позаботиться о том, чтобы сырье не реагировало с влагой или другими химическими веществами в окружающей среде (такими как оксиды и гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов или оксид бора) или чтобы примеси были количественно определены (потери при воспламенении). Потери испарения при плавке стекла следует учитывать при выборе сырья, например, селенит натрия может быть предпочтительнее легко испаряющегося диоксида селена (SeO2). Кроме того, более легко реагирующее сырье может быть предпочтительным по сравнению с относительно инертными, такими как гидроксид алюминия (Al(OH)3) по сравнению с глиноземом (Al2o3). Обычно расплавы проводят в платиновых тиглях, чтобы уменьшить загрязнение материала тигля. Гомогенность стекла достигается гомогенизацией сырьевой смеси (стекольной шихты), перемешивая расплав, а также дробя и переплавляя первый расплав. Полученное стекло обычно отжигают для предотвращения поломки в процессе обработки.
Цвет[править]
Основная статья: Окраска стекла и Цветная маркировка
Цвет в стекле может быть получен путем добавления однородно распределенных электрически заряженных ионов (или цветовых центров). В то время как обычное натриево-известковое стекло кажется бесцветным в тонком сечении, примеси оксида железа(II) (FeO) дают зеленый оттенок в толстых сечениях. Диоксид марганца (MnO2), придающий стеклу пурпурный цвет, может быть добавлен для удаления зеленого оттенка, придаваемого FeO. Добавки FeO и оксида хрома(III) (Cr2O3) используются при производстве зеленых бутылок.С другой стороны , оксид железа (III) образует желтое или желто-коричневое стекло. оксид кобальта (CoO) производит насыщенное темно-синее кобальтовое стекло. Хром является очень мощным красителем, дающим темно-зеленый цвет. Сера в сочетании с солями углерода и железа дает янтарное стекло от желтоватого до почти черного цвета. Расплав стекла также может приобрести янтарный цвет в восстановительной атмосфере горения.Сульфид кадмия производит имперский красныйцвет , а в сочетании с селеном может производить оттенки желтого, оранжевого и красного. Добавка оксида меди(II) (CuO) дает бирюзовый цвет стеклу, в отличие от оксида меди(I) (Cu2O) который дает тусклый коричнево-красный цвет
Использование[править]
Архитектура и окна[править]
Основные статьи: Архитектурное стекло и окна
Натриево-известковое листовое стекло обычно используется в качестве прозрачного стеклопакета, как правило, в качестве окон во внешних стенах зданий. Плавучие или рулонные изделия из листового стекла режутся по размеру либо путем забивания и защелкивания материала, лазерной резки, струй водыили алмазной пилы. Стекло может быть термически или химически закалено (упрочнено) для безопасности и согнуто или изогнуто во время нагрева. Поверхностные покрытия могут быть добавлены для определенных функций, таких как устойчивость к царапинам, блокирование определенных длин волн света (например, инфракрасного или ультрафиолетового), грязеотталкивание (например, самоочищающееся стекло) или переключение электрохромные покрытия.
Структурные системы остекления представляют собой одну из самых значительных архитектурных инноваций современности, где стеклянные здания теперь часто доминируют над небоскребами многих современных городов.[124] Эти системы используют фитинги из нержавеющей стали, утопленные в углубления в углах стеклянных панелей, что позволяет усиленным стеклам казаться неподдерживаемыми, создавая заподлицо внешний вид. Структурные системы остекления имеют свои корни в железных и стеклянных оранжереях девятнадцатого века
Посуда[править]
Основные статьи: Посуда и Перечень изделий из посуды
Стекло является важным компонентом посуды и обычно используется для питья воды, пива и вина. Бокалы для вина обычно представляют собой бокалы, то есть кубки, сформированные из чаши, ножки и ножки. Хрустальное или свинцовое хрустальное стекло можно резать и полировать, чтобы получить декоративные стаканы для питья с блестящими гранями.Другие видыиспользования стекла в посуде включают графины, кувшины, тарелки и чаши .]
Упаковка[править]
Основная статья: Контейнерное стекло
Инертная и непроницаемая природа стекла делает его стабильным и широко используемым материалом для упаковки пищевых продуктов и напитков в виде стеклянных бутылок и банок. Большая часть контейнерного стекла-это натриево-известковое стекло, получаемое методом выдувания и прессования. Контейнерное стекло имеет более низкое содержание оксида магния и оксида натрия, чем плоское стекло , и более высокое содержание кремнезема, оксида кальцияи оксида алюминия. Его более высокое содержание нерастворимых в воде оксидов придает ему несколько более высокую химическую прочность против воды, что выгодно для хранения напитков и продуктов питания. Стеклянная упаковка устойчива, легко перерабатывается, многоразова и многоразова.
Для применения в электронике стекло может быть использовано в качестве подложки при изготовлении интегральных пассивных устройств, тонкопленочных объемных акустических резонаторов, а также в качестве герметичного герметизирующего материала в упаковке устройств, включая очень тонкую исключительно стеклянную инкапсуляцию интегральных схем и других полупроводников в больших объемах производства.
Лаборатории[править]
Основная статья: Лабораторная посуда
Стекло является важным материалом в научных лабораториях для изготовления экспериментальной аппаратуры, поскольку оно относительно дешево, легко формуется в необходимые для эксперимента формы, легко содержится в чистоте, выдерживает тепловую и холодную обработку , как правило, не реагирует со многими реагентами, а его прозрачность позволяет наблюдать за химическими реакциями и процессами. Лабораторная стеклянная посуда применяется в колбах, чашках Петри, пробирках, пипетках, градуированных цилиндрах, металлических контейнерах со стеклянной футеровкой для химической обработки, фракционирующих колоннах, стеклянных трубах, линиях Шленка. Хотя большинство стандартных лабораторных стеклянных изделий было массово произведено с 1920-х годов , ученые все еще используют квалифицированных стеклодувов для изготовления изготовленных на заказ стеклянных аппаратов для своих экспериментальных нужд.
Оптика[править]
Стекло является вездесущим материалом в оптике благодаря своей способности преломлять, отражатьи пропускать свет. Эти и другие оптические свойства могут контролироваться различными химическими составами, термической обработкой и технологиями изготовления. Многие области применения стекла в оптике включают очки для коррекции зрения, оптическую визуализацию (например, линзы и зеркала в телескопах, микроскопахи камерах), волоконную оптику в телекоммуникационных технологиях и интегрированную оптику. Микролинзы и градиентно-индексная оптика (где показатель преломления неоднороден) находят применение, например, в чтении оптические диски, лазерные принтеры, копировальныеаппараты и лазерные диоды.
Рисунки[править]
Основные статьи: Студийное стекло, Художественное стекло и Искусство стекла
Стекло как искусство датируется по меньшей мере 1300 годом до нашей эры, показанным в качестве примера натурального стекла, найденного в грудной клетке Тутанхамона , которая также содержала стекловидную эмаль, то есть расплавленное цветное стекло, используемое на металлической подложке. Эмалированное стекло, украшение стеклянных сосудов цветными стеклянными красками, существует с 1300 года до нашей эры[138] и было выдающимся в начале 20-го века стеклом в стиле модерн и стеклом Дома Фаберже в Санкт-Петербурге, Россия. Обе техники использовались в витражах, которые достигли своего расцвета примерно с 1000 по 1550 год, до возрождения в 19 веке.
19-й век ознаменовался возрождением древних техник изготовления стекла , включая камео-стекло, достигнутое впервые со времен Римской империи, первоначально в основном для изделий в неоклассическом стиле. Движение в стиле модерн широко использовало стекло, а Рене Лалик, Эмиль Галлеи Даум из Нанси в первой французской волне движения производили цветные вазы и подобные изделия , часто в камео-стекле или в технике глянцевого стекла.
Луи Комфорт Тиффани в Америке специализировался на витражах, как светских, так и религиозных, на панелях и своих знаменитых лампах. В начале 20-го века началось крупномасштабное фабричное производство стеклянного искусства такими фирмами, как Уотерфорд и Лалик. Небольшие студии могут вручную изготавливать произведения искусства из стекла. Методы производства стеклянного искусства включают выдувание, литье в печи, плавление, спад, паштет де Верре, обработку пламенем, горячую скульптуру и холодную обработку. Холодная работа включает в себя традиционные витражные работы и другие методы формования стекла при комнатной температуре. К предметам из стекла относятся сосуды, пресс-папье, шарики, бусы, скульптуры и арт-инсталляции.