Стекло - О механике

Стекло — аморфное (некристаллическое) твердое вещество. Поскольку оно часто прозрачно и химически инертно, стекло нашло широкое практическое, технологическое и декоративное применение в оконных стеклах, столовых приборах и оптике. Некоторые обычные предметы из стекла, такие как «стакан» с водой, «очки» и «увеличительное стекло», названы в честь материала.

Стекло чаще всего образуется путем быстрого охлаждения (закалки) расплавленной формы. Некоторые виды стекла, такие как вулканическое стекло, встречаются в природе, а обсидиан использовался для изготовления наконечников стрел и ножей со времен каменного века. Археологические данные свидетельствуют о том, что производство стекла восходит к по крайней мере 3600 году до нашей эры в Месопотамии, Египте или Сирии. Самыми ранними известными стеклянными предметами были бусы, возможно, созданные случайно во время обработки металла или производства фаянса, который является формой керамики с использованием свинцовой глазури.

Благодаря своей легкости формования в любую форму, стекло традиционно использовалось для сосудов, таких как чаши, вазы, бутылки, банки и питьевые стаканы. Натриево-кальциевое стекло, содержащее около 70% кремнезема, составляет около 90% современного производимого стекла. Стекло можно окрашивать, добавляя соли металлов или расписывать и печатать стекловидными эмалями, что привело к его использованию в витражах и других стеклянных художественных изделиях.

Преломляющие, отражающие и пропускающие свойства стекла делают его пригодным для изготовления оптических линз, призм и оптоэлектронных материалов. Экструдированные стеклянные волокна применяются в качестве оптических волокон в сетях связи, теплоизоляционного материала, когда они спутаны в виде стекловаты для удержания воздуха, или в армированном стекловолокном пластике (стекловолокне).

Микроскопическая структура

Стандартное определение стекла (или стекловидного тела) — это некристаллическое твердое вещество, образовавшееся в результате быстрой закалки расплавом. Однако термин «стекло» часто определяют в более широком смысле, чтобы описать любое некристаллическое (аморфное) твердое вещество, которое демонстрирует стеклование при нагревании до жидкого состояния.

Стекло — аморфное твердое тело. Хотя атомная структура стекла имеет характеристики структуры переохлажденной жидкости, стекло проявляет все механические свойства твердого тела. Как и в других аморфных твердых телах, атомная структура стекла не имеет дальнодействующей периодичности, наблюдаемой в кристаллических твердых телах. Из-за ограничений химических связей стекла обладают высокой степенью ближнего порядка относительно локальных атомных полиэдров. Представление о том, что стекло течет в значительной степени в течение длительных периодов времени значительно ниже температуры стеклования, не подтверждается эмпирическими исследованиями или теоретическим анализом (см. вязкость в твердых телах). Хотя можно наблюдать движение атомов на стеклянных поверхностях, а вязкость порядка 1017–1018 Па с можно измерить в стекле, такое высокое значение подтверждает тот факт, что стекло не будет заметно менять форму даже в течение больших периодов времени.

Образование из переохлажденной жидкости

При закалке расплава, если охлаждение достаточно быстрое (относительно характерного времени кристаллизации), то кристаллизация предотвращается, и вместо этого неупорядоченная атомная конфигурация переохлажденной жидкости замораживается в твердом состоянии при T_g. Тенденция материала образовывать стекло при закалке называется стеклообразующей способностью. Эту способность можно предсказать с помощью теории жесткости. Как правило, стекло существует в структурно метастабильном состоянии относительно своей кристаллической формы, хотя в определенных обстоятельствах, например в атактических полимерах, кристаллический аналог аморфной фазы отсутствует.

Стекло иногда считают жидкостью из-за отсутствия в нем фазового перехода первого рода, где определенные термодинамические переменные, такие как объем, энтропия и энтальпия, являются прерывистыми в диапазоне стеклования. Стеклование можно описать как аналог фазового перехода второго рода, где интенсивные термодинамические переменные, такие как коэффициент теплового расширения и теплоемкость, являются прерывистыми. Однако равновесная теория фазовых превращений не применима к стеклу, и, следовательно, стеклование нельзя отнести к классическим равновесным фазовым превращениям в твердых телах.

Встречаемость в природе

Стекло может образовываться естественным образом из вулканической магмы. Обсидиан — это распространенное вулканическое стекло с высоким содержанием кремнезема (SiO₂), которое образуется при быстром охлаждении фельзитовой лавы, вытесненной вулканом. Импактит — это форма стекла, образованная при ударе метеорита, яркими примерами которого являются молдавит (встречается в центральной и восточной Европе) и ливийское пустынное стекло (встречается в районах восточной Сахары, пустынях восточной Ливии и западного Египта). Витрификация кварца также может происходить, когда молния ударяет в песок, образуя полые, ветвящиеся корневидные структуры, называемые фульгуритами. Тринитит — это стекловидный остаток, образовавшийся из песка пустыни на полигоне испытаний ядерной бомбы Тринити. Стекло эдеови, найденное в Южной Австралии, предположительно возникло в результате пожаров на лугах плейстоцена, ударов молний или сверхскоростного удара одного или нескольких астероидов или комет.

История

Природное обсидиановое стекло использовалось в каменном веке, поскольку оно трескается по очень острым краям, что делает его идеальным для изготовления режущих инструментов и оружия.

Стеклоделие существует по меньшей мере 6000 лет, задолго до того, как люди научились плавить железо. Археологические данные свидетельствуют о том, что первое настоящее синтетическое стекло было изготовлено в Ливане и на побережье северной Сирии, в Месопотамии или в Древнем Египте. Самые ранние известные стеклянные предметы, относящиеся к середине третьего тысячелетия до нашей эры, представляли собой бусины, возможно, изначально созданные как случайные побочные продукты металлообработки (шлаки) или во время производства фаянса, стекловидного материала, предшествовавшего стеклу, изготовленного с помощью процесса, похожего на глазурь.

Раннее стекло редко было прозрачным и часто содержало примеси и дефекты, и технически является фаянсом, а не настоящим стеклом, которое не появлялось до 15 века до н. э. Однако красно-оранжевые стеклянные бусины, раскопанные в Индской цивилизации, датируемой до 1700 г. до н. э. (возможно, еще в 1900 г. до н. э.), предшествуют устойчивому производству стекла, которое появилось около 1600 г. до н. э. в Месопотамии и 1500 г. до н. э. в Египте.

В эпоху поздней бронзы в Египте и Западной Азии наблюдался быстрый рост технологии производства стекла. Археологические находки этого периода включают цветные стеклянные слитки, сосуды и бусины.

В раннем стекольном производстве использовались 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 изготовления стекла в Трире (расположенном на территории современной Германии) произошел позднелатинский термин glesum, вероятно, от германского слова, обозначающего прозрачное блестящее вещество. Стеклянные предметы были обнаружены по всей Римской империи в домашнем, погребальном и промышленном контексте, а также в качестве предметов торговли на рынках в отдаленных провинциях. Примеры римского стекла были найдены за пределами бывшей Римской империи в Китае, странах Балтии, на Ближнем Востоке и в Индии. Римляне усовершенствовали камео-стекло, изготавливаемое путем травления и резьбы по сплавленным слоям разных цветов для создания рельефного рисунка на стеклянном предмете.

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. С X века и далее стекло использовалось в витражах церквей и соборов, с известными примерами в Шартрском соборе и базилике Сен-Дени. К XIV веку архитекторы проектировали здания со стенами из витражного стекла, такими как Сент-Шапель в Париже (1203–1248) и восточная часть Глостерского собора. С изменением архитектурного стиля в период Ренессанса в Европе использование больших витражных окон стало гораздо менее распространенным, хотя витражи получили большое возрождение в архитектуре готического возрождения в XIX веке.

В XIII веке остров Мурано в Венеции стал центром производства стекла, опираясь на средневековые методы производства красочных декоративных изделий в больших количествах. Мастера муранского стекла разработали исключительно прозрачное бесцветное стекло cristallo, названное так за его сходство с природным хрусталем, которое широко использовалось для окон, зеркал, корабельных фонарей и линз. В XIII, XIV и XV веках эмалирование и позолота на стеклянных сосудах были усовершенствованы в Египте и Сирии. К концу XVII века Богемия стала важным регионом производства стекла, оставаясь таковым до начала XX века. К XVII веку стекло в венецианской традиции производилось также в Англии. Примерно в 1675 году Джордж Равенскрофт изобрел свинцовый хрусталь, а граненое стекло стало модным в XVIII веке. Декоративные стеклянные предметы стали важным средством искусства в период модерна в конце XIX века.

На протяжении XX века новые методы массового производства привели к широкому распространению стекла в гораздо больших количествах, что сделало его практичным в качестве строительного материала и открыло новые возможности для применения стекла. В 1920-х годах был разработан процесс травления формы, при котором искусство вытравливалось непосредственно в форме, так что каждая отлитая деталь выходила из формы с изображением уже на поверхности стекла. Это снизило производственные затраты и, в сочетании с более широким использованием цветного стекла, привело к дешевой стеклянной посуде в 1930-х годах, которая позже стала известна как стекло Депрессии. В 1950-х годах компания Pilkington Bros., Англия, разработала процесс флоат-стекла, производя высококачественные плоские листы стекла без искажений путем плавания на расплавленном олове. Современные многоэтажные здания часто строятся с навесными стенами, сделанными почти полностью из стекла. Многослойное стекло широко применялось в транспортных средствах для лобовых стекол. Оптическое стекло для очков использовалось со времен Средневековья. Производство линз становится все более искусным, помогая астрономам, а также имея другие применения в медицине и науке. Стекло также используется в качестве покрытия апертуры во многих солнечных коллекторах.

В 21 веке производители стекла разработали различные марки химически упрочненного стекла для широкого применения в сенсорных экранах смартфонов, планшетных компьютеров и многих других типов информационных устройств. К ним относятся Gorilla Glass, разработанное и производимое Corning, Dragontrail компании AGC Inc. и Xensation компании Schott AG.

Физические свойства

Оптический

Стекло широко используется в оптических системах из-за его способности преломлять, отражать и пропускать свет в соответствии с геометрической оптикой. Наиболее распространенными и старейшими применениями стекла в оптике являются линзы, окна, зеркала и призмы. Ключевые оптические свойства стекла — показатель преломления, дисперсия и пропускание — 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 (которое характеризует дисперсию) от 15 до 100. Показатель преломления может быть изменен с помощью добавок 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 из-за кристаллизации может быть вызвана во многих стеклах, если их долго держать при температуре, недостаточной для плавления. Таким образом, получается кристаллический, расстеклованный материал, известный как стеклофарфор Реомюра. Хотя стекла обычно прозрачны для видимого света, они могут быть непрозрачны для других длин волн света. В то время как силикатные стекла обычно непрозрачны для инфракрасных длин волн с границей пропускания 4 мкм, стекла на основе фторидов тяжелых металлов и халькогенидов прозрачны для инфракрасных длин волн от 7 до 18 мкм. Добавление оксидов металлов приводит к получению стекол разного цвета, поскольку ионы металлов будут поглощать длины волн света, соответствующие определенным цветам.

Другой

В процессе производства стекла можно отливать, формовать, экструдировать и формовать в формы, варьирующиеся от плоских листов до очень сложных форм. Готовый продукт хрупкий, но его можно ламинировать или закалять для повышения прочности. Стекло, как правило, инертно, устойчиво к химическому воздействию и может в основном выдерживать воздействие воды, что делает его идеальным материалом для производства контейнеров для пищевых продуктов и большинства химикатов. Тем не менее, хотя стекло обычно очень устойчиво к химическому воздействию, при некоторых условиях оно будет подвергаться коррозии или растворяться. Материалы, из которых состоит определенный состав стекла, влияют на то, как быстро стекло подвергается коррозии. Стекла, содержащие большую 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 кварца до 7,2 грамма на кубический сантиметр (7200 кг/м3) для плотного бесцветного стекла. Стекло прочнее большинства металлов, а теоретический предел прочности на разрыв для чистого, безупречного стекла оценивается в 14–35 гигапаскалей (от 2 000 000 до 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 до 175 мегапаскалей (от 2 000 до 25 400 фунтов на квадратный дюйм) в большинстве коммерческих стекол. Несколько процессов, таких как закалка, могут повысить прочность стекла. Тщательно вытянутые безупречные стекловолокна могут быть изготовлены с прочностью до 11,5 гигапаскалей (1 670 000 фунтов на квадратный дюйм).

Известный поток

Наблюдение, что старые окна иногда оказываются толще внизу, чем наверху, часто предлагается в качестве подтверждающего доказательства для точки зрения, что стекло течет в течение столетий, предполагая, что стекло проявило жидкое свойство перетекания из одной формы в другую. Это предположение неверно, так как после затвердевания стекло перестает течь. Провисания и рябь, наблюдаемые в старом стекле, уже были там в день его изготовления; производственные процессы, используемые в прошлом, производили листы с несовершенными поверхностями и неравномерной толщиной (почти идеальное флоат-стекло, используемое сегодня, стало широко распространенным только в 1960-х годах).

Исследование 2017 года вычислило скорость течения средневекового стекла, используемого в Вестминстерском аббатстве с 1268 года. Исследование показало, что вязкость этого стекла при комнатной температуре составляла примерно 1024 Па·с, что примерно в 1016 раз меньше вязкости, чем предыдущая оценка, сделанная в 1998 году, которая была сосредоточена на натриево-кальциевом силикатном стекле. Даже при такой низкой вязкости авторы исследования подсчитали, что максимальная скорость течения средневекового стекла составляет 1 нм за миллиард лет, что делает невозможным наблюдение в человеческом масштабе времени.

Типы

Силикатные стекла

Диоксид кремния (SiO₂) является распространенным основным компонентом стекла. Плавленый кварц — это стекло, изготовленное из химически чистого кремнезема. Он имеет очень низкое тепловое расширение и отличную устойчивость к тепловому удару, способен выдерживать погружение в воду докрасна, выдерживает высокие температуры (1000–1500 °C) и химическое выветривание, а также очень твердый. Он также прозрачен для более широкого спектрального диапазона, чем обычное стекло, простираясь от видимого дальше в УФ- и ИК-диапазоны, и иногда используется там, где необходима прозрачность для этих длин волн. Плавленый кварц используется для высокотемпературных применений, таких как печные трубы, осветительные трубки, плавильные тигли и т. д. Однако его высокая температура плавления (1723 °C) и вязкость затрудняют работу с ним. Поэтому обычно добавляют другие вещества (флюсы), чтобы снизить температуру плавления и упростить обработку стекла.

Натриево-кальциевое стекло

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), а также оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al₂O₃) обычно добавляют для улучшения химической стойкости. Натриево-известковые стекла (Na₂O) + известь (CaO) + магнезия (MgO) + глинозем (Al₂O₃) составляют более 75% производимого стекла, содержа примерно от 70 до 74% кремнезема по весу. Натриево-известково-силикатное стекло прозрачно, легко формуется и наиболее подходит для оконного стекла и столовых приборов. Однако оно имеет высокое тепловое расширение и плохую устойчивость к теплу. Натриево-кальциевое стекло обычно используется для изготовления окон, бутылок, лампочек и банок.

Боросиликатное стекло

Боросиликатные стекла (например, Pyrex, Duran) обычно содержат 5–13% триоксида бора (B₂O₃). Боросиликатные стекла имеют довольно низкие коэффициенты теплового расширения (коэффициент теплового расширения 7740 Pyrex составляет 3,25×10−6/°C по сравнению с примерно 9×10−6/°C для типичного натриево-кальциевого стекла). Поэтому они меньше подвержены напряжению, вызванному тепловым расширением, и, таким образом, менее уязвимы к растрескиванию от теплового удара. Они обычно используются, например, для лабораторной посуды, бытовой посуды и герметичных автомобильных фар.

Свинцовое стекло

Добавление оксида свинца (II) в силикатное стекло снижает температуру плавления и вязкость расплава. Высокая плотность свинцового стекла (кремнезем + оксид свинца (PbO) + оксид калия (K₂O) + сода (Na₂O) + оксид цинка (ZnO) + глинозем) приводит к высокой электронной плотности, а следовательно, и к высокому показателю преломления, что делает внешний вид стеклянной посуды более блестящим и вызывает заметно большее зеркальное отражение и повышенную оптическую дисперсию. Свинцовое стекло обладает высокой эластичностью, что делает стеклянную посуду более податливой к обработке и вызывает чистый «звон» при ударе. Однако свинцовое стекло не выдерживает высоких температур. 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 натриевым стеклом); это позволяет легче удалять пузырьки и работать при более низких температурах, отсюда его частое использование в качестве добавки в стекловидные эмали и стеклянные припои. Высокий ионный радиус иона Pb2+ делает его крайне неподвижным и затрудняет движение других ионов; поэтому свинцовые стекла имеют высокое электрическое сопротивление, примерно на два порядка выше, чем у натриево-кальциевого стекла (108,5 против 106,5 Ом⋅см, постоянный ток при 250 °C).

Алюмосиликатное стекло

Алюмосиликатное стекло обычно содержит 5–10% глинозема (Al₂O₃). Алюмосиликатное стекло, как правило, сложнее плавить и формовать по сравнению с боросиликатными составами, но оно обладает превосходной термостойкостью и долговечностью. Алюмосиликатное стекло широко используется для производства стекловолокна, армированного стеклопластика (лодок, удочек и т. д.), посуды для плиты и стекла для галогенных ламп.

Другие оксидные добавки

Добавление бария также увеличивает показатель преломления. Оксид тория придает стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию и ранее использовался в производстве высококачественных линз, но из-за своей радиоактивности был заменен оксидом лантана в современных очках. Железо может быть включено в стекло для поглощения инфракрасного излучения, например, в теплопоглощающих фильтрах для кинопроекторов, в то время как оксид церия (IV) может использоваться для стекла, поглощающего ультрафиолетовые волны. Фтор снижает диэлектрическую проницаемость стекла. Фтор является высоко электроотрицательным и снижает поляризуемость материала. Фторидсиликатные стекла используются в производстве интегральных схем в качестве изолятора.

Стеклокерамика

Стеклокерамические материалы содержат как некристаллические стеклянные, так и кристаллические керамические фазы. Они образуются путем контролируемого зародышеобразования и частичной кристаллизации базового стекла путем термической обработки. Кристаллические зерна часто встроены в некристаллическую межзеренную фазу границ зерен. Стеклокерамика демонстрирует выгодные термические, химические, биологические и диэлектрические свойства по сравнению с металлами или органическими полимерами.

Наиболее коммерчески важным свойством стеклокерамики является ее непроницаемость для теплового удара. Таким образом, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи на столешнице и промышленных процессов. Отрицательный коэффициент теплового расширения (КТР) кристаллической керамической фазы может быть сбалансирован положительным КТР стеклообразной фазы. В определенной точке (~70% кристалличности) стеклокерамика имеет чистый КТР, близкий к нулю. Этот тип стеклокерамики демонстрирует превосходные механические свойства и может выдерживать повторяющиеся и быстрые изменения температуры до 1000 °C.

Стекловолокно

Стекловолокно (также называемое стеклопластиком, армированным стекловолокном, GRP) — это композитный материал, изготовленный путем армирования пластиковой смолы стекловолокном. Он изготавливается путем плавления стекла и вытягивания стекла в волокна. Эти волокна сплетаются в ткань и оставляются для застывания в пластиковой смоле. Стекловолокно обладает такими свойствами, как легкость и устойчивость к коррозии, а также является хорошим изолятором, что позволяет использовать его в качестве строительного изоляционного материала и для электронных корпусов потребительских товаров. Стекловолокно изначально использовалось в Великобритании и Соединенных Штатах во время Второй мировой войны для изготовления радиопрозрачных обтекателей. Стекловолокно применяется в строительстве и конструкционных материалах, корпусах лодок, кузовных деталях автомобилей и композитных материалах для аэрокосмической промышленности.

Стекловолоконная вата — отличный тепло- и звукоизоляционный материал, который обычно используется в зданиях (например, изоляция чердаков и полых стен), а также в сантехнике (например, изоляция труб) и для звукоизоляции. Она производится путем продавливания расплавленного стекла через мелкую сетку под действием центростремительной силы и разрыва экструдированных стекловолокон на короткие отрезки с помощью потока высокоскоростного воздуха. Волокна скрепляются клеевым спреем, а полученный шерстяной мат разрезается и упаковывается в рулоны или панели.

Несиликатные стекла

Помимо обычных стекол на основе кремнезема, стекла могут образовывать и многие другие неорганические и органические материалы, в том числе металлы, алюминаты, фосфаты, бораты, халькогениды, фториды, германаты (стекла на основе GeO2), теллуриты (стекла на основе TeO_{2), антимонаты (стекла на основе Sb₂O₃), арсенаты (стекла на основе As₂O_{3), титанаты (стекла на основе TiO₂), танталаты (стекла на основе Ta₂O₅), нитраты, карбонаты, пластмассы , акрил и многие другие вещества. Некоторые из этих стекол (например, диоксид германия (GeO₂, Germany), во многих отношениях структурный аналог кремнеземных, фторидных, алюминатных, фосфатных, боратных и халькогенидных стекол) обладают физико-химическими свойствами, полезными для их применения. в волоконно-оптических волноводах в сетях связи и других специализированных технологических приложениях.}}

Стекла без кремния часто могут иметь плохие тенденции к формированию стекла. Новые методы, включая бесконтейнерную обработку с помощью аэродинамической левитации (охлаждение расплава, пока он плавает в потоке газа) или закалку брызгами (прессование расплава между двумя металлическими наковальнями или роликами), могут использоваться для увеличения скорости охлаждения или для уменьшения триггеров зарождения кристаллов.

Аморфные металлы

В прошлом небольшие партии аморфных металлов с большой площадью поверхности (ленты, провода, пленки и т. д.) изготавливались путем применения чрезвычайно высоких скоростей охлаждения. Аморфные металлические провода изготавливались путем распыления расплавленного металла на вращающийся металлический диск.

Несколько сплавов были произведены в слоях толщиной более 1 миллиметра. Они известны как объемные металлические стекла (BMG). Liquidmetal Technologies продает несколько BMG на основе циркония.

Были также получены партии аморфной стали, демонстрирующие механические свойства, значительно превосходящие свойства обычных стальных сплавов.

Экспериментальные данные указывают на то, что система Al-Fe-Si может претерпевать переход первого рода в аморфную форму (названную «q-стеклом») при быстром охлаждении из расплава. Изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показывают, что q-стекло зарождается из расплава в виде дискретных частиц с равномерным сферическим ростом во всех направлениях. В то время как рентгеновская дифракция выявляет изотропную природу q-стекла, существует барьер зародышеобразования, подразумевающий интерфейсный разрыв (или внутреннюю поверхность) между фазами стекла и расплава.

Полимеры

Важные полимерные стекла включают аморфные и стеклообразные фармацевтические соединения. Они полезны, поскольку 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 термопластики, знакомые для повседневного использования, представляют собой стекла. 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

Молекулярные жидкости, электролиты, расплавленные соли и водные растворы представляют собой смеси различных молекул или ионов, которые не образуют ковалентную сеть, а взаимодействуют только посредством слабых сил Ван-дер-Ваальса или временных водородных связей. В смеси трех или более ионных видов разного размера и формы кристаллизация может быть настолько затруднена, что жидкость может легко переохладиться в стекло. Примерами являются LiCl:RH₂O (раствор соли хлорида лития и молекул воды) в диапазоне составов 4<R<8. сахарное стекло или Ca_0,4K_0,6(NO₃)_1,4. Стеклянные электролиты в форме легированного Ba Li-стекла и легированного Ba Na-стекла были предложены в качестве решений проблем, выявленных с органическими жидкими электролитами, используемыми в современных литий-ионных аккумуляторных ячейках.

Производство

После подготовки и смешивания стеклянной шихты сырье транспортируется в печь. Натриево-кальциевое стекло для массового производства плавится в стекловаренных печах. Менее крупные печи для специальных стекол включают электроплавильные печи, горшковые печи и дневные ванны.
После плавления, гомогенизации и очистки (удаления пузырьков) стекло формуется. Это может быть достигнуто вручную с помощью стеклодувной обработки, которая включает в себя сбор массы горячего полурасплавленного стекла, раздувание его в пузырь с помощью полой паяльной трубки и формирование его в требуемую форму путем выдувания, качания, прокатки или формовки. Пока стекло горячее, его можно обрабатывать с помощью ручных инструментов, резать ножницами и прикреплять дополнительные детали, такие как ручки или ножки, с помощью сварки. Листовое стекло для окон и аналогичных применений изготавливается методом флоат-стекла, разработанным в 1953–1957 годах сэром Аластером Пилкингтоном и Кеннетом Бикерстаффом из британской компании Pilkington Brothers, которые создали непрерывную ленту стекла с использованием ванны 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 изготавливается методами выдувки и прессования. Это стекло часто слегка модифицируется химически (с большим количеством оксида алюминия и оксида кальция) для большей водостойкости.

После получения желаемой формы стекло обычно отжигают для снятия напряжений и повышения твердости и долговечности стекла. Поверхностная обработка, покрытия или ламинирование могут следовать для улучшения химической стойкости (покрытия стеклянных контейнеров, внутренняя обработка стеклянных контейнеров), прочности (закаленное стекло, пуленепробиваемое стекло, ветровые стекла) или оптических свойств (изоляционное остекление, антибликовое покрытие).

Новые химические составы стекла или новые методы обработки могут быть первоначально исследованы в небольших лабораторных экспериментах. Сырье для лабораторных стекольных расплавов часто отличается от того, которое используется в массовом производстве, поскольку фактор стоимости имеет низкий приоритет. В лаборатории в основном используются чистые химикаты. Необходимо следить за тем, чтобы сырье не реагировало с влагой или другими химикатами в окружающей среде (например, оксидами и гидроксидами щелочных или щелочноземельных металлов или оксидом бора), или чтобы примеси были количественно определены (потери при прокаливании). Потери от испарения во время плавки 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 предпочтительнее относительно инертного, например, гидроксид алюминия (Al(OH)₃) вместо оксида алюминия (Al₂O₃). Обычно плавки ведут в платиновых тиглях, чтобы уменьшить загрязнение от материала тигля. Однородность стекла достигается путем гомогенизации смеси исходных материалов (шихты стекла), перемешивания расплава, дробления и повторной плавки первого расплава. Полученное стекло обычно отжигают, чтобы предотвратить его разрушение в процессе обработки.

Цвет

Цвет в стекле может быть получен путем добавления однородно распределенных электрически заряженных ионов (или цветовых центров). В то время как обычное натриево-кальциевое стекло выглядит бесцветным в тонком сечении, примеси оксида железа (II) (FeO) дают зеленый оттенок в толстых секциях. Диоксид марганца (MnO₂), который придает стеклу фиолетовый цвет, может быть добавлен для удаления зеленого оттенка, который дает FeO. Добавки FeO и оксида хрома (III) (Cr₂O₃) используются в производстве зеленых бутылок. С другой стороны, оксид железа (III) дает желтое или желто-коричневое стекло. Низкие концентрации (от 0,025 до 0,1%) оксида кобальта (CoO) дают насыщенный, глубокий синий кобальтовый цвет. Хром является очень мощным красителем, дающим темно-зеленый цвет. Сера в сочетании с углеродом и солями железа дает янтарное стекло от желтоватого до почти черного. Стеклянный расплав также может приобрести янтарный цвет из-за восстановительной атмосферы горения. Сульфид кадмия дает императорский красный, а в сочетании с селеном может давать оттенки желтого, оранжевого и красного. Добавка оксида меди (II) (CuO) дает бирюзовый цвет в стекле, в отличие от оксида меди (I) (Cu₂O), который дает тусклый коричнево-красный цвет.

Использует

Архитектура и окна

Листовое стекло из натриево-кальциевого сплава обычно используется в качестве прозрачного материала для остекления, как правило, в качестве окон на внешних стенах зданий. Изделия из листового стекла флоат или прокатного листа разрезаются по размеру путем надрезания и надлома материала, лазерной резки, струй воды или алмазной пилы. Стекло может быть термически или химически закалено (укреплено) для безопасности и изогнуто или изогнуто во время нагрева. Поверхностные покрытия могут быть добавлены для определенных функций, таких как устойчивость к царапинам, блокировка определенных длин волн света (например, инфракрасного или ультрафиолетового), грязеотталкивание (например, самоочищающееся стекло) или переключаемые электрохромные покрытия.

Системы структурного остекления представляют собой одно из самых значительных архитектурных новшеств современности, где стеклянные здания теперь часто доминируют над горизонтами многих современных городов. Эти системы используют арматуру из нержавеющей стали, утопленную в углубления в углах стеклянных панелей, что позволяет укрепленным панелям казаться неподдерживаемыми, создавая гладкий внешний вид. Системы структурного остекления берут свое начало в железных и стеклянных оранжереях девятнадцатого века

Посуда

Стекло является неотъемлемым компонентом столовой посуды и обычно используется для стаканов для воды, пива и вина. Винные бокалы обычно представляют собой бокалы, т. е. кубки, образованные чашей, ножкой и основанием. Хрустальное или свинцовое хрустальное стекло можно резать и полировать для получения декоративных стаканов с блестящими гранями. Другие варианты использования стекла в столовой посуде включают графины, кувшины, тарелки и миски.

Упаковка

Инертная и непроницаемая природа стекла делает его стабильным и широко используемым материалом для упаковки продуктов питания и напитков в виде стеклянных бутылок и банок. Большая часть тарного стекла — это натриево-кальциевое стекло, произведенное методами выдувки и прессования. Тарное стекло имеет более низкое содержание оксида магния и оксида натрия, чем листовое стекло, и более высокое содержание кремния, оксида кальция и оксида алюминия. Более высокое содержание нерастворимых в воде оксидов придает ему немного более высокую химическую стойкость к воде, что выгодно для хранения напитков и продуктов питания. Стеклянная упаковка является устойчивой, легко перерабатывается, пригодна для повторного использования и заполнения.

В электронике стекло может использоваться в качестве подложки при производстве интегрированных пассивных устройств, тонкопленочных объемных акустических резонаторов, а также в качестве герметичного герметизирующего материала в корпусах устройств, включая очень тонкую инкапсуляцию на основе стекла интегральных схем и других полупроводников в больших объемах производства.

Лаборатории

Стекло является важным материалом в научных лабораториях для изготовления экспериментальной аппаратуры, поскольку оно относительно дешево, легко формуется в требуемые формы для эксперимента, легко содержать в чистоте, выдерживает обработку теплом и холодом, как правило, не реагирует со многими реагентами, а его прозрачность позволяет наблюдать химические реакции и процессы. Лабораторная стеклянная посуда применяется в колбах, чашках Петри, пробирках, пипетках, градуированных цилиндрах, эмалированных металлических контейнерах для химической обработки, фракционных колоннах, стеклянных трубах, линиях Шленка, датчиках и термометрах. Хотя большая часть стандартной лабораторной стеклянной посуды производится серийно с 1920-х годов, ученые по-прежнему нанимают квалифицированных стеклодувов для изготовления стеклянной аппаратуры на заказ для своих экспериментальных нужд.

Оптика

Стекло является вездесущим материалом в оптике из-за его способности преломлять, отражать и пропускать свет. Эти и другие оптические свойства можно контролировать, изменяя химический состав, термическую обработку и методы производства. Многочисленные применения стекла в оптике включают очки для коррекции зрения, оптику изображений (например, линзы и зеркала в телескопах, микроскопах и камерах), волоконную оптику в телекоммуникационных технологиях и интегральную оптику. Микролинзы и оптика с градиентным показателем преломления (где показатель преломления неоднороден) находят применение, например, в считывании оптических дисков, лазерных принтерах, копировальных аппаратах и лазерных диодах.

Искусство

Стекло как искусство датируется по крайней мере 1300 г. до н. э., показано как пример натурального стекла, найденного в пекторали Тутанхамона, которая также содержала стекловидную эмаль, то есть расплавленное цветное стекло, используемое на металлической основе. Эмалированное стекло, украшение стеклянных сосудов цветными стеклянными красками, существует с 1300 г. до н. э. и было заметно в начале 20-го века в стекле в стиле ар-нуво и в стекле 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-м веке.

В 19 веке возродились древние техники изготовления стекла, включая камейное стекло, впервые со времен Римской империи, изначально в основном для изделий в неоклассическом стиле. Движение ар-нуво широко использовало стекло, Рене Лалик, Эмиль Галле и Дом из Нанси в первой французской волне движения производили цветные вазы и подобные изделия, часто в технике камейного стекла или люстрового стекла.

Луис Комфорт Тиффани в Америке специализировался на витражах, как светских, так и религиозных, в панелях и его знаменитых лампах. В начале 20-го века такие фирмы, как Waterford и Lalique, стали производить крупномасштабные фабричные изделия из стекла. Небольшие студии могут вручную изготавливать стеклянные изделия. Методы изготовления стеклянных изделий включают выдувание, литье в печи, сплавление, литье в пластилин, обработку пламенем, горячую скульптуру и холодную обработку. Холодная обработка включает традиционную работу с витражами и другие методы формования стекла при комнатной температуре. Предметы, изготовленные из стекла, включают сосуды, пресс-папье, шарики, бусины, скульптуры и инсталляции.