Стеклообразные материалы

Стеклообразные материалы

Неорганическое стекло. Его следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор - сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное, в процессе быстрого охлаждения, беспорядочная структура сохраняется. В связи с этим неорганические стекла характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но придают необходимые технические характеристики. В зависимости от состава, стекла подразделяются на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (Al2O3 - SiO2), боросиликатные (В2О2 - SiO2), алюмоборосиликатные (Al2O3 - B2O3 - SiO2), алюмофосфатные (Al2O3 - P2O5).

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na2O, K2O), бесщелочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, химико - лабораторные, электротехнические, трубные, приборные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные и т.п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих оксидов. Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. 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. Стекло с большим содержанием PbO поглощает рентгеновское излучение.Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде. Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170 0С, а для кварцевого стекла она составляет 800...1000 0С.

Стекло значительно лучше работает на сжатие, чем на растяжение и резкое охлаждение скорей вызывает разрушение (растрескивание), чем резкий нагрев. Термостойкость стекла прямо пропорциональна пределу прочности и обратно пропорциональна коэффициенту линейного термического расширения и модулю упругости при растяжении. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки, при нагреве выше температуры стеклования (425...600 0С) и быстрым охлаждении в потоке воздуха или в масле.

Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2...3 мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. Термопан - трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного промежутка между ними. Эта воздушная прослойка обеспечивает теплоизоляцию.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управления высокотемпературных установок и печей, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7...3 мкм.

Кварцевое стекло применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, лабораторной посуды. Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяются на кроны с малым преломлением и флинты - с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления.

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют рыхловолокнистую структуру с большим числом воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно.

Разновидностями стекловолокнистых материалов является стекловата, стекломаты-материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от минус 60 0С до 600 0С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материал АТИМСС), они работают при температурах до 150 0С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются плитами.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кузовов автомобилей, вагонов, трубопроводов, автоклавов и т.д.

Ситаллы - кристаллические стекла получают путем сплавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов). В качестве нуклеаторов применяют соли светочувствительных металлов Аu, Ag, Cu, Pt и др. ТiО2. Они имеют кристаллическую решетку, подобную выделяющимся из стекла кристаллическим фазам, и образуют центры кристаллизации.

Удельный вес ситаллов находится в пределах 2,4...2,7 г/см3. Механические свойства их значительно выше, чем у стекла. Предел прочности при изгибе 250...300 МПа и не изменяется до 700 0С, однако имеют хрупкое разрушение. Электрические свойства ситаллов примерно такие же как у стекла.

Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует пористость, обладают высокой водо-, газонепроницаемостью, стойкостью в среде агрессивных газов при высоких температурах (хлор, хлористый водород и т.п.). Химическая стойкость как у стекла, но выше в щелочных средах.

Из ситаллов изготавливают детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов. В качестве жаростойких покрытий используют для защиты металлов от действия высоких температур (сопла реактивных двигателей, лопасти воздушных компрессоров), абразивов для шлифования, точных калибров.

Ситаллы применяют для изготовления подшипников, хорошо работающих без смазки до 540 0С и нагрузках, равных 50 % от нагрузок, выдерживаемых одинаковыми по размерам стальными подшипниками.