Классификация стекол по назначению. Классификация изделий из стекла Далее подробнее остановимся на имеющейся на данный момент классификации стекол

Согласно определению Комиссии по терминологии АН СССР (1932г.) «стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаж­дения расплава независимо от их состава и температурной области за­твердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вяз­кости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым» .

Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут нахо­диться вещества, принадлежащие к разным классам химических соеди­нений.

Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, - находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению ор­ганические стекла существенно отличаются от неорганических и состав­ляют особый объект изучения.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением сили­катных стекол, основывающихся на системе Na 2 O-СаО-SiO 2 . Только во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-силикатные стекла составляют небольшую часть безграничного мира неоргани­ческих стекол.

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, метал­лические, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.

Элементарные стекла с пособны образовывать лишь небольшое число элементов - сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод.

Стеклообразные - серу и селен, удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк - методом сублимации в вакууме; фос­фор-при нагревании до 250°С под давлением более 100 МПа; угле­род-в результате длительного пиролиза органических смол. Промыш­ленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами, превосходящими свойства кристаллических модификации углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700°С, имеет низкую плотность порядка 1500 кг/м 3 , обладает высокой механи­ческой прочностью, электропроводностью, химически устойчив.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего ком­понента BeF 2 . Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол со­держат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентге­новские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый во­дород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа As-J (где Z-S, Se, Te), Ge-As-X, Ge - Sb - X , Qe - P - X и др. Халь­когенидные стекла имеют высокую прозрачность в ИК-области спектра, обладают электронной проводимостью, обнаруживают внутренний фото­эффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в электронно-вычислительных машинах в качестве переключа­телей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединении. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO 2 , GeO 2 , ВгО 3 , P 2 O 5 .

Большая группа оксидов - TeO 2 , TiО 2 , SeО 2 , WO 2 , BiO 5 ,

Например, легко образуются стекла в систе­мах CaO-Al 2 O 5 , СаО-МgО 3 -ВаО 3 , P 5 O 5 - Ws .

Каждый из стеклообразующих оксидов может образовать стекла в комбинации с промежуточными или модифицирующими оксидами. Стек­ла получают названия по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные, германатные и т.д. Практическое значение име­ют стекла простых и сложных составов, принадлежащие к силикатным, боратным, боросиликатным, фосфатным, германатным, алюминатным, молибдатным, вольфраматным и другим системам.

Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Важнейшее достоинство стекольной технологии состоит в том, что она позволяет получать в твердом состоянии вещества с нестехиометрическим соотношением компонентов, которые не существуют в кристалличе­ском состоянии. Более того, свойства стекол удается плавно регулиро­вать в нужном направлении путем постепенного изменения состава.

Стекла, полученные на основе нитратных, сульфатных и карбонат­ных соединений, в настоящее время представляют научный интерес, но практического применения пока не имеют.

Традиционная технология получения стекол включает переохлажде­ние расплава до твердого состояния без кристаллизации. На этом спо­собе основана мировая промышленная технология производства стекла.

Создание технических устройств, позволяющих отводить тепло с бо­лее высокой скоростью, расширяет число веществ, которые удается по­лучить в стеклообразном состоянии путем охлаждения расплава. Сверх­высокие скорости переохлаждения порядка нескольких миллионов гра­дусов в 1 с позволяют фиксировать в стеклообразном состоянии сплавы металлов (например, в системе Fe-Mi-В-Р).

Промышленное значение приобретают способы получения стекол пу­тем вакуумного испарения, конденсации из паровой фазы, плазменного напыления. В этих случаях стекло удается получить из газовой фазы, минуя расплавленное состояние.

Облучение кристаллов частицами высоких энергий или воздействие на них ударной волны приводит к неупорядоченному смещению частиц из положений равновесия и, таким образом, к аморфизации структуры, в результате чего твердые кристаллические вещества могут быть пере­ведены в стеклообразное состояние, минуя стадию плавления.

Изделия из стекла классифицируют;

По способу формования (выработки);

Размерам;

Видам и сложности декорирования;

Комплектности;

Назначению.

По способу формования стеклоизделия подразделяются:

На прессованные;

Прессовыдувные;

Выдувные;

Тянутые;

Моллированные.

Прессованные изделия из стекла вырабатываются в форме за один прием из порции стекломассы ручным или механизированным способом под дав­лением пуансона, вводимого внутрь формы.

Прессовыдувные изделия вырабатываются из порции стекломассы, поме­щенной в черновую форму и раздуваемой впоследствии в чистой форме воздухом от компрессора.

Выдувные изделия в свою очередь подразделяются на изделия из стекла ручного выдувания и на изделия из стекла механизированного выдувания.

Изделия из стекла ручного выдувания вырабатываются вручную с помо­щью выдувной трубки в форме или свободным выдуванием.

Изделия из стекла механизированного выдувания вырабатываются из пор­ции стекломассы, поданной в чистую форму с последующим выдуванием ее при вращении.

Тянутые изделия получаются методом литья, сочленения, прокатки, цен­трифугирования и вытягивания.

Моллированные изделия из стекла вырабатываются при нагревании заго­товки из стекла до температуры размягчения и прогибания его под дей­ствием собственной массы и/или с помощью прессующего устройства до окончательной формы.

Изделие из стекла многостадийной выработки получают путем соедине­ния отдельных элементов из стекла, изготовленных в две или более стадии.

Изделие из накладного стекла вырабатывается путем сплавления двух или более слоев различных по цвету стекол. Коэффициенты термического рас­ширения этих стекломасс должны быть одинаковыми.

Комбинированное изделие из стекла вырабатывается путем комбинирования стекла с другими материалами.

Изделие из стекла центрифугированной выработки изготовляются за один прием из порции стекломассы под действием центробежной силы.

Изделие упрочненное вырабатывается из стекла повышенной механиче­ской прочности,достигнутой за счет термической и/или химической об­работки и/или специальным способом выработки из нескольких слоев сте­кол разного состава.

Классификация по форме . Форма изделия должна сочетаться с его функциональным назначени­ем, эстетическими и гигиеническими особенностями, а также согласовы­ваться с возможностями метода формования и свойствами стекла. Форма должна создавать удобства пользования изделием, а также быть устойчи­вой и обеспечивать длительный срок службы.

Стеклоизделия подразделяются на полые и плоские.

Полые - графины, кувшины, рюмки, фужеры, стаканы и вазы. Их фор­мы весьма разнообразны (цилиндрические, конические, овальные, шаро­видные и др.).

Плоские - тарелки, блюда, кабареты разнообразных конфигураций (овальные, прямоугольные, круглые, многогранные).

Посуда полая - изделия, имеющие внутреннюю глубину не более 25 мм, измеренную от нижней внутренней точки до горизонтальной плос­кости, проходящей через край (точку перелива).

По размерам стеклянные бытовые изделия подразделяются на мелкие, средние, крупные, особо крупные.

Мелкие - высота до 100 мм (гутенские изделия - до 160 мм), диаметр до 100 мм (гутенские изделия - до 160 мм), емкость до 100 мл; гутенские изделия производятся выдуванием без формы.

Средние - высота от 100 до 250 мм (гутенские изделия - от 160 до 23 мм), диаметр от 100 до 150 мм (гутенские изделия - от 160 до 230 мм" емкость от 100 до 500 мл.

Крупные - высота свыше 250 мм (гутенские - 230 мм) диаметр свыш 150 (гутенские - свыше 230 мм), емкость свыше 500 мл.

Особо крупные - высота свыше 350 мм, диаметр свыше 250 мм, емкосг более 1500 см 3 .

Классификация изделий по видам и сложности декорирования. Художественно-декоративную ценность изделий из стекла повышают различные методы украшения (разделки, наносимые на стеклянные изделия, разнообразны по природе, методу нанесения, сложности, цвету и другим признакам).

Различают разделки, наносимые на изделия в горячем (в процессе вы­работки) и в холодном состоянии (готовые изделия).

Вид украшения зависит от назначения изделия, его формы, способа выработки, химического состава и других особенностей.

Изделия, декорированные в горячем состоянии

Изделия из стекла свободного выдувания (гнутое изделие из стекла) от­формовываются и декорируются в вязко-пластичном состоянии с помощью инструментов, предназначенных для этой операции.

Изделия из стекла с наводкой делаются из бесцветного стекла с добавка­ми, которое при последующем охлаждении и повторном нагревании при­обретает цвет.

Изделия из стекла кракле декорируются быстрым охлаждением набора в воде или во влажных опилках для образования тонких поверхностных тре­щинок, оправляющихся при дальнейшем его нагревании и выработке. Из­делия с разделкой кракле имеют невысокую прочность и термическую стой­кость.

Изделия из стекла с оптическим эффектом сначала выдувают в форме, которая меньше готового изделия и имеет рисунок в виде граней, волн и др. Затем его помещают в форму несколько большего размера с гладкой внутренней поверхностью. Окончательно изделия выдувают, вращая в фор­ме, при этом грани и волны на поверхности оглаживаются и остаются только в толще стенок.

Изделия из стекла с рельефами производятся в рельефных формах при прессовании или выдувании.

Изделия из стекла с газовыми включениями декорируются воздушными лентами, нитями и пузырьками.

Изделия из стекла с инородными включениями получают вплавлением в стекломассу различных предметов, изготовленных из других материалов.

Изделия из стекла с орнаментом декорируются налепами, крошкой, стер­женьками, лентами, нитями с последующим подогреванием или набором стекла и дальнейшим его формованием (украшение филигранью или вить­ем, насыпью, стеклотканью).

Изделия из стекла, декорированные в холодном состоянии.

Ассортимент этих изделий более разнообразен в сравнении с изделия­ми, декорируемыми в горячем состоянии.

На готовые изделия разделки наносят механическим и химическим спо­собами, а также поверхностным декорированием.

К изделиям из стекла, декорированным в холодном состоянии механи­ческими способами, относятся:

Изделия их стекла с плоской гранью, декорированные шлифовальными или полировальными плоскостями с помощью абразивного круга или аб­разивного материала.

Изделия из стекла с алмазной гранью, декорированные нанесением гра­ней в различном направлении по профилю и глубине с помощью абразив­ного материала.

Для ускорения работы в процессе формования на стеклоизделия нано­сят контуры рисунка, которые затем дошлифовывают специальными кру­гами.

Изделия с матовой шлифовкой декорируются на шлифовальном круге без последующей полировки.

Изделия гравированные декорируются ультразвуком, лазером или грави­рующими инструментами.

Разделки, наносимые химическим способом или травлением, могут быть прозрачными или матовыми. Этот метод украшения стеклянных изделий заключается в разрушении поверхности стекла плавиковой кислотой или солями фтора. Изделия предварительно покрывают защитным слоем из черного воска и парафина. После этого изделия помещают в травильные ванны из смеси плавиковой соляной и серной кислот (кислота разрушает поверхность стекла без защитного слоя), при этом образуется матовый рисунок. Если в ванне смесь плавиковой и серной кислот, то рисунок полу­чается прозрачный.

Травление по сложности и глубине рисунка различают:

Простое;

Сложное;

Глубокое художественное.

Простое травление - несложный повторяющийся рисунок в виде лома­ных спиралей и зигзагообразных линий. Рисунок наносится на гальотирных машинах.

Сложное травление - для него характерна более сложная композиция, рисунок которого наносят на специальных машинах.

Глубокое художественное травление - украшение двух- и многослойных изделий. Наружный слой должен быть цветным, а внутренний - бесцвет­ным.

Изделия из стекла с поверхностным декорированием - изделия из стек­ла, декорированные росписью шелкотрафаретной печатью, распылени­ем, переводными картинками.

По комплектности стеклянную бытовую посуду подразделяют на штуч­ную и комплектную.

Штучные изделия выпускают массовыми экземплярами, различными по составу стекломассы, назначению, форме, размерам, украшениям.

Комплектные изделия, входящие в комплект, должны иметь единое сти­левое и композиционное направление.

Набор - комплект, состоящий из нескольких изделий одного назначения и одинакового вида (в количестве не более шести предметов).

Сервиз - комплект (набор), состоящий из двух и более изделий разных видов (например, ваза для крюшона с подносом и шестью кружками).

По назначению стеклянные изделия подразделяются на следующие группы:

Стеклянная посуда;

Декоративные изделия;

Прочие изделия.

К группе стеклянной посуды относятся изделия из стекла, используемые в быту и сфере общественного питания, для приготовления, подачи и при­нятия пищи, напитков и для сервировки стола.

В ассортимент посуды для подачи пищи и напитков включаются:

Блюда, вазы для крема;

Блюда для гарнира;

Вазы для фруктов; . "

Блюда для пирогов;

Графины для воды и пива;

Масленки;

Селедочницы;

Сахарницы;

Тарелки;

Салатники;

Вазы для варенья, конфет, печенья;

Чайники.

Блюда, тарелки, блюда для торта - по форме самые разнообразные: оваль­ные, круглые с вырезным краем и гладким или с разделкой по краю «шли­фовка бусами» различных размеров.

Блюда для гарнира (кабареты) по форме бывают овальные, круглые, прямоугольные, неправильной формы с ручками и без ручек, с секциями - трех-, семиместные.

Салатники по форме - круглые, квадратные, фигурные; в форме бота, ладьи; край салатников бывает гладкий, волнистый, вырезной, с раздел­кой по краю «шлифовка бусами» различных размеров; салатники изготов­ляют без ножек или на одной-четырех ножках.

Масленка - изделие с крышкой, на крышке - держатель.

Селедочница - изделие продолговатой, овальной формы, без ножек.

Ваза для крема (креманка) - полое изделие круглой, овальной или ци­линдрической формы с ручкой и со сливом.

Графин для вина или воды - полое изделие каплевидных, фигурных форм, в форме штофа (прямоугольной) с пробкой.

Ваза для фруктов - изделие на ножках или без них, различных форм: шаровидной, круглой, в форме корзинок с ручками и без них, в форме ладьи, с вырезным краем.

Сливочники - изделия с ручками и со сливом, по форме бывают оваль­ные, цилиндрические, на поддоне и без него.

Вазы для варенья, конфет, печенья выпускаются в форме корзинок с ручка­ми, в форме ладьи, круглые, шаровидные, конусные, фигурные на нож­ках и бей них, с вырезным или гладким краем или с разделкой «шлифовка бусами». -

Сахарницы - изделия по форме квадратные, круглые, шаровидные, ци­линдрические, овальные без ножек или на фигурных одной-трех ножках.

В ассортимент посуды для принятия пищи и напитков включаются:

бокальчики, бокалы, фужеры, стаканы для вина и пива, для шампан­ского, для минеральных и фруктовых вод, салатники однопорционные. В ассортимент посуды чайной - блюдца, чашки, блюдца для варенья, стака­ны для чая, чашки для чая или кофе.

Изделия для принятия напитков выпускаются на ножках (рюмки,бокалы, фужеры) и без ножек (стаканы).

Форма изделий самая различная: фасонные, конусные, овальные, кап­левидные, шаровидные, в форме: полушария, тюльпана, креманки, ци­линдрические с развернутым краем, сужающиеся книзу, с перехватом посредине.

Ножки изделий в свою очередь также разнообразны:

Высокие и низкие;

Фигурные, гладкие;

Шлифованные и нешлифованные.

По емкости изделия подразделяют:

На бокальчики емкостью 25 г;

Бокалы емкостью 110-200 г;

Фужеры емкостью 200-250 г;

Рюмки емкостью 30-150 г.

К изделиям без ножек для принятия напитков относятся стаканы и кружки для пива.

Стаканы в зависимости от емкости подразделяются:

Для вина 25-100 г;

Пива 200-300 г;

Минеральных и фруктовых вод 250-300 г;

Шампанского 100-150 г.

Стаканы по форме бывают: цилиндрические, конусные, овальные, с развернутым краем, с заливным утолщенным дном.

Кружки - полое изделие с ручкой цилиндрической, шаровидной формы.

В ассортимент посуды для сервировки стола входят:

Подносы;

Лотки разнообразных форм;

Пепельницы с различным количеством выемок для папирос;

Подставки для салфеток;

Кольца для салфеток.

Стеклянные декоративные изделия:

Предметы прикладного искусства (вазы для цветов);

Скульптура;

Сувениры.

Изготавливают их как единичными экземплярами, так и массовыми.

Художественно-декоративные изделия отличаются сложной формой, раз­мерами и разнообразными украшениями (на них наносят наиболее цен­ные и дорогостоящие разделки).

Особое место среди художественно-декоративных изделий занимают изде­лия из хрусталя благодаря специфическим свойствам, присущим хрусталю.

При простукивании изделия из хрусталя издают продолжительный ме­лодичный звон. Звуковой эффект усиливается при увеличении содержания окиси свинца и уменьшении толщины стенок: изделия раскрывающейся формы отличаются большим звуковым эффектом.

Особенностью хрустальных изделий является также световой эффект, зависящий от количества свинца и угла гранения. При угле гранения 90 градусов отражение падающего на грань света наибольшее. Коэффициент отражения прямо пропорционален содержанию в стекле окислов свинца.

Хрустальные изделия изготовляют массивными и толстостенными, по­этому на них можно наносить глубокие алмазные грани и увеличивать тем самым отражение света.

К прочим изделиям относятся:

Наборы для туалетного столика;

Подставки для колец (ювелирные изделия);

Сигаретницы;

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, металлические, оксидные, галогенидные, халькогенидные, сульфатные, нитратные, карбонатные, фосфатные и др.

Краткая характеристика этих стекол следующая.

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов - сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фосфор (Р), углерод (С). Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк - методом сублимации в вакууме; фосфор - при нагревании под давлением более 100 МПа; углерод - в результате длительного пиролиза органических смол. Промышленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами - он способен оставаться в твердом состоянии до 3700°С, имеет низкую плотность 1500 кг/м3, обладает высокой прочностью, электропроводностью, химически стоек.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeFr Многокомпонентные составы фторобериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария. Фторобериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой стойкости к действию жестких излучений, включая рентгеновские и у-лучи, агрессивных сред - фтор, фтористый водород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа Ge-As-X, Ge-Sb-X, Ge-P-X, где X-S, Se, Те. Они прозрачны в ИК-области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обнаруживают внутренний фотоэффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в ЭВМ в качестве переключателей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные стекла. Наибольшее значение в технике и в строительстве имеют оксидные стекла, которые представляют собой обширный класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды Si02, Ge02, B203, As203. Большая группа оксидов - Те02, Ti02, Se02, Мо03, W03, Bi03, A1203, Ga203, V203 - образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов.

В зависимости от основных стеклообразующих компонентов (стеклообразователей) различают оксидные стекла:

Силикатные - Si02;

Алюмосиликатные - А1203, Si02;

Боросиликатные - В203, Si02;

Бороалюмосиликатные - В203, А1203, Si02;

Алюмофосфатные - А1203, Р205;

Бороалюмофосфатные - В203, А1203, Р205;

Алюмосиликофосфатные - А1203, Si02, P203;

Фосфорванадатные - Р205, V205;

Силикотитанатные - Si02, Ti02;

Силикоцирконатные - Si02, ZrOr

Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния Si02, широко использующееся в технике и быту, наиболее простое по составу.

Двухкомпонентные - бинарные щелочно-силикатные стекла состава Me20-nSi02, где Me-Na, К;п=2...4, так называемые растворимые (жидкие) стекла, имеют большое промышленное значение, широко применяются в строительстве для получения кислотостойкого цемента, а также для реставрационных работах. Так, силикат натрия растворимый выпускается заводами России по ГОСТ Р50418-92.

Многокомпонентные оксидные стекла . Основу промышленных стекол - оконного, архитектурно-строительного, сортового, автомобильного, тарного и других - составляют композиции тройной системы Na20(K20)CaOSi02 при массовых содержаниях (%): Si02 - 60...80, СаО - 0...10, Na20 - 10...25.

Промышленные составы силикатных стекол кроме Si02, Na20, СаО содержат MgO, который способствует снижению склонности к кристаллизации, и оксид алюминия А1203, повышающий химическую стойкость стекол. Сортовые стекла содержат К,0, РЬО, ZnO

Важно отметить, что физико-механические свойства стекла зависят от входящих в него оксидов. В общем виде можно отметить влияние главных составляющих стекла.

Кремнезем Si02 - главная составная часть всех силикатных стекол; в обычных стеклах его концентрация составляет 70...73% по массе. Ои повышает вязкость и тугоплавкость стекломассы, улучшает химические и физические свойства стекла, повышает прочность, химическую и термическую стойкость, снижает плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показатель светопреломления.

Оксид алюминия Л1203 повышает тугоплавкость, вязкость и температуру размягчения, поверхностное натяжение расплава стекла, улучшает механические свойства, теплопроводность, химическую стойкость, снижает ТКЛР.

Оксид бора В203 снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо- и химическую стойкость, улучшает химические свойства.

Оксиды щелочных металлов (Na20, K20, Li20) играют роль плавней, снижая температуру плавления стекольной шихты и вязкость расплава. В обычных стеклах концентрация их не превышает 14... 15 %. Они повышают плотность, ТКЛР, диэлектрическую проницаемость и снижают химическую стойкость, электросопротивление стекла.

Поташ К2С03 придает стеклу чистоту, блеск, прозрачность, увеличивая его светопреломление, и применяется для производства лучших сортов стекла, в частности хрусталя - одного из видов стекла, используемого для высокохудожественных светильников.

Оксиды CaO, MgO, ZnO и РЬО повышают механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшают внешний вид стеклоизделий.

Архитектурно-строительные стекла классифицируются по виду и назначению: листовое строительное и декоративное стекло; облицовочное стекло (цветные коврово-мозаичные плитки, стемалит и др.), стекло для санитарно-технических устройств и оборудования внутренних помещений; стеклянная осветительная арматура; конструктивно-строительные элементы из стекла (блоки, профильное стекло, панели и пр.); тепло- и звукоизоляционные материалы (пеностекло, стекловолокнистые материалы, стеклоткани). Далее в разделе 3 приведены конкретные виды стекол, нормативные документы на стек-лоизделия и области применения в строительстве.

Стекло, как известно, уникальный материал, обладающий комплексом самых различных свойств. В зависимости от назначения стекла в строительстве используется преимущественно то или иное характерное его свойство или их комплекс.

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

По виду стеклообразующего вещества неорганические стекла делятся на силикатные (SiO 2), алюмосиликатные (А1 2 0 3 –SiO 2), боросиликатные (В 2 0 3 –SiO 2), алюмоборосиликатные (А1 2 0 3 –В 2 0 5 –SiO 2), алюмофосфатные (А1 2 0 3 –Р 2 0 5), халъкогенидные (например, Аs 31 Gе 30 Sе 21 Те 180), 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 10 8 –10 10 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 SiO 2 (80,5%) с повышенным содер­жанием В 2 0 3 (12%), Na 2 0 (4%), а также оксидами алюминия, калия и магния.

«Мазда» – тугоплавкое стекло на основе SiO 2 (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 В 2 О 3 (20%) или В 2 0 3 (68,8%) с добавлением ZnО (28,6%) и Na 2 O (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% SiO 2 , 13,5–15% Na 2 O, до 10% СаО, до 4% МgО и до 2% А1 2 0 3 . Масса 1 м 2 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: SiO 2 , А1 2 0 3 , 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/м 3 . 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/м 3 . 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/м 3 , 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/м 3 ; 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 ρ 0 =15–40 кг/м 3 , λ=0,028–0,035 Вт/(м·К); Л ρ 0 =40–80 кг/м 3 , λ=0,032–0,04 Вт/(м·К); ρ 0 =80–120 кг/м 3 , 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.

Электровакуумные стекла . Определяющим параметром стекол для изготовления из них баллонов, ножек и других деталей электровакуумных приборов является температурный коэффициент линейного расширения. Он имеет очень важное значение при пайке и сварке различных стекол, при впайке металлической проволоки или ленты в стекло. Значения α l стекла и соединяемых с ним материалов должны быть приблизительно одинаковыми, так как иначе при изменении температуры может произойти растрескивание стекла, а также нарушение герметичности в месте ввода металлической проволоки в стекло. Кроме того, для высокочастотных приборов используют стекла с низкими диэлектрическими потерями. Электровакуумные стекла подразделяют и маркируют по численным значениям температурного коэффициента линейного расширения. Так как стекла – это материалы с маленьким значением температурного коэффициента линейного расширения, а у металлов наблюдается закономерная связь температуры плавления со значением температурного коэффициента линейного расширения, то в стекла удается впаивать только тугоплавкие металлы или металлические сплавы, у которых α l такой же, как у тугоплавких металлов.

Поэтому электровакуумные стекла подразделяют на:

По химическому составу электровакуумные стекла относятся к группе боросиликатных (В2О3 + SiO2) или алюмосиликатных (Аl2О3 + SiO2) материалов с добавками щелочных окислов. Названия «платиновое», «молибденовое», «вольфрамовое» определяются не составом стекла, а только тем, что значения αl этих стекол близки к αl , платины, молибдена, вольфрама. Температурный коэффициент линейного расширения возрастает при увеличении содержания щелочных окислов. В обозначении марки электровакуумного стекла после буквы С указывают значение αl и серия разработки. Например, марка С89-5 характеризует стекло с αl = 89 · 10–7 К–1 серии 5.

Изоляторные стекла . Стекла легко металлизируются и используются в качестве герметизированных вводов в металлические корпусы различных приборов (конденсаторов, диодов, транзисторов и др.). Другим элементом изоляции, часто встречающимся в дискретных полупроводниковых приборах, является стеклянная буса, изолирующая металлические выводы прибора от фланца корпуса, на котором располагается полупроводниковый кристалл с p -n -переходами. Стеклянные бусы изготавливают из капилляров, нарезанных в виде трубок и колец определенных размеров. Обычно в качестве материала таких проходных изоляторов используют щелочное силикатное стекло.

Цветные стекла . Обычные силикатные стекла прозрачны для излучения в видимой части спектра. Некоторые добавки придают стеклам соответствующую окраску: СаО – синюю, Сr2О3 – зеленую, МnО2 – фиолетовую и коричневую, UO3 – желтую и т.д., что используется при изготовлении цветных стекол, светофильтров, эмалей и глазурей.

Лазерные стекла . Стекло может быть использовано в качестве рабочего тела в твердотельных лазерах. Генерирующими центрами являются активные ионы, равномерно распределенные в диэлектрической прозрачной матрице. Как правило, в стеклах отсутствуют ограничения в растворимости активирующих добавок. На практике наиболее часто применяют баритовый крон (ВаО – К2О – SiO2), активированный ионами неодима Nd3+.

Основные преимущества стекол, используемых в лазерах, перед монокристаллами заключаются в их высокой технологичности, оптической однородности, изотропности свойств. Из стекла сравнительно легко изготовить однородные стержни большого размера, что необходимо для достижения высокой выходной мощности лазерного излучения. Однако отсутствие дальнего порядка вызывает уширение линий люминесценции активированного стекла. Следствием этого является снижение степени монохроматичности выходного излучения и увеличение пороговой мощности оптической накачки. К тому же стекла, по сравнению с монокристаллами, обладают невысокой теплопроводностью, что создает дополнительные трудности для осуществления непрерывного режима генерации. Поэтому лазеры на стекле лучше подходят для генерации импульсов с высокой энергией излучения.

Стекловолокно . Из расплавленной стекломассы методом вытяжки через фильеру с последующей быстрой намоткой на вращающийся барабан можно получать тонкие волокна, обладающие хорошей гибкостью и повышенной механической прочностью. Большая гибкость и прочность стекловолокна объясняются ориентацией частиц поверхностного слоя стекла, имеющей место при вытягивании стекловолокна из расплавленной стекломассы и его быстром охлаждении. Весьма тонкие стеклянные волокна (диаметром 4–7 мкм) имеют настолько высокую гибкость, что могут обрабатываться способами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани, ленты и шланги. Преимуществами стеклянной волокнистой изоляции перед изоляцией из органических волокон являются высокая нагрево-стойкость, значительная механическая прочность, относительно малая гигроскопичность и хорошие электроизоляционные свойства. Для производства стекловолокна используют щелочные алюмосиликатные, бесщелочные и малощелочные алюмоборосиликатные стекла.

Световоды . Тонкие стеклянные волокна используют для передачи света между источником и приемником излучения. Отдельные волокна могут быть соединены в световые кабели (жгуты) с внутренними межволоконными светоизолирующими покрытиями. Совокупность методов и средств передачи световой информации с помощью тончайших волокон получила название волоконной оптики, которая является важной составной частью оптоэлектроники.

Волоконные устройства имеют ряд преимуществ перед линзовыми. Они отличаются компактностью и надежностью. С их помощью можно осуществить поэлементную передачу изображения с достаточно высокой разрешающей способностью, причем передача изображения возможна по искривленному пути. Существенным моментом является скрытность передачи информации и высокая помехозащищенность оптического канала связи, в котором сами волокна играют роль световодов, т.е. служат направляющими системами – канализируют свет от источника к приемнику информации. Направляющее действие волокон достигается за счет эффекта многократного полного внутреннего отражения (рис. 6).

Рис. 6. Пояснение к принципу действия световода

Для передачи изображения используют волокна диаметром 5–15 мкм. Чтобы предотвратить просачивание света из одного волокна в другое, их снабжают светоизолируюшей оболочкой, которую изготавливают из стекла с меньшим показателем преломления, нежели у сердцевины. Тогда световой луч L, падая из среды, оптически более плотной (п 1– больший), на поверхность раздела со средой, оптически менее плотной (n 2 – меньший), под углом, большим предельного, будет испытывать полное внутреннее отражение и, многократно отражаясь, пойдет вдоль волокна, как это показано на отрезке отдельного волокна (рис. 6). Изображение целого объекта, например буквы К на странице книги, может быть передано по пучку согнутых волокон, если передающий конец световода 1 поставить на освещаемый по световоду объект; на приемном конце световода 2 изображение будет мозаичным, как это показано в верхней части рис. 6. Световой кабель диаметром 5–6 мм содержит несколько сотен тысяч светоизолированных волокон. Для правильной передачи изображения требуется регулярная укладка волокон в жгуте, т.е. относительное расположение волокон на его входном и выходном торцах должно быть одинаковым.

С помощью волоконных жгутов легко осуществить преобразование оптического изображения, его кодирование и дешифровку. Световые кабели из волокон с коническим сечением могут усиливать освещенность объектов за счет концентрации светового потока, уменьшать или увеличивать изображение.

Специальные технологические приемы (осаждение пленок на подложку, ионное легирование, ионный обмен) позволяют изготовить плоские световоды, которые являются основой оптических интегральных схем.