Неорганическое стекло

Введение.

К неорганическим полимерным материалам относятся: минеральное  стекло, ситаллы, керамика и другие. Этим материалам присущи не горючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность к старению, большая твёрдость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам.

Однако они повышено хрупкие, плохо переносят резкую смену  температур, слабо сопротивляются растягивающим  и изгибающим нагрузкам, имеют большую  плотность по сравнению с органическими  полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония и другие, обладающими более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В разработке средств механизации  для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в XX в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела.

В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических  процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным  образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С  тех пор стекло стало производиться  многими предприятиями и нашло  применение буквально в тысячах  различных областей.

Сейчас под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических  порошков природного или искусственного происхождения. Это определение  исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко и  их рассматривают как разновидность  керамики.

Понятие и свойства неорганического  стекла

Неорганическое стекло - особого  вида затвердевший аморфный раствор - сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. В  его состав входят стеклообразующие оксиды (стекломассы) Si, B, P, Ge, As, образующие структурную сетку и модифицированные оксиды Na, K, Li, Ca, Mg, Ba, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Для сообщения стеклу нужных технических характеристик в состав стекла вводят оксиды Al, Fe, Pb, Ti, Be и другие.

Механические свойства стёкол характеризуются  высоким сопротивлением сжатию (500-2000 Мпа), но низким σв при растяжении (30-90 МПа) и изгибе. Е невысокое (45-100 МПа). Твёрдость стекла равна 5-7 единиц (10 единиц у алмаза).

Важнейшие специфические свойства стёкол - их оптические свойства: прозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и  преломление света. Обычное неокрашенное стекло пропускает до 90%, отражает ~ 8% и  поглощает ~ 1% видимого и частично инфрасвета; ультрафиолет поглощает почти полностью. Кварцевое стекло прозрачно для ультрафиолета. Стекло с PbO поглощает рентгеновское излучение.

Силикатные триплексы – два  листа закалённого стекла (δ=2…3мм), склеенные прозрачной эластичной полимерной плёнкой. При его разрушении образовываются неострые осколки, которые удерживаются на полимерной плёнке.

При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий  материал и обычно остается таковым  при повышении температуры вплоть до 400°С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Производство стекла

Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные  материалы: кремнезем (песок) почти  всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и  другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества,получается целевой материал– стекло.

Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок – это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла– бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких  температурах (от 1200 до 1600 0С) в течение  продолжительного времени – от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

В древние времена варка производилась  в глиняных горшочках глубиной и  диаметром 5–7 см. В настоящее время  применяются шамотные горшки гораздо  больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов  стекла специального состава. В одной  печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем  непрерывной подачи шихты на одном  из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью  из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем  возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько  сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются  к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.

Типы стекол

Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым  кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно  обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при  температурах вплоть до 10000С; его коэффициент  теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части  оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на 9000С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует  как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны  для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство  изделий.

Древние стеклоделы обнаружили, что  водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

Свинцовые стекла изготавливают сплавлением  оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие– щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии– двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Стекла с высоким содержанием SiO2, низким– щелочного металла  и значительным– оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного  металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного  повышения температуры расплавления. В 1915 фирма "Корнинг гласс уоркс" начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием "пирекс". В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2–5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта "пирекс".

Существуют много других типов  стекол специального назначения. Среди  них– алюмосиликатные, фосфатные и  боратные стекла. Производятся также  стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической  тары и домашней утвари.

Керамика- изделия и материалы, получаемые спеканием.

Искусство керамики насчитывает несколько  тысячелетий.

Сейчас в мире нет ни одного человека, который не был

бы обладателем изделий из керамики. Наши дома

построены из кирпича. Мы пьём и едим из фарфоровой

или фаянсовой посуды, любуемся великолепными

керамическими вазами в музеях; мы пользуемся кухнями,

облицованными керамической плиткой; повреждённые

кости и зубы заменяют керамическими  протезами;

металлургические печи изнутри  выложены керамическими

огнеупорами.

Свойства керамики

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная  широким диапазоном ее разнообразных  физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более  высокотемпературной области, чем  металлы, например температура плавления  карбида гафния (39300С) на 2500 выше, чем  у вольфрама. У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон  на порядок выше, чем у металлов.

В семействе керамик легко можно  найти материалы как с большими, так и малыми (даже отрицательными) значениями коэффициента термического расширения. Также широк спектр материалов, среди которых есть и диэлектрики, и полупроводники, и проводники (сравнимые  по проводимости с металлами), и сверхпроводники. Важнейшими компонентами современной  конструкционной керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные  композиты.

Перспективность керамики обусловлена  многими факторами, среди которых  наиболее важны следующие:

1. Керамика отличается исключительным  многообразием свойств (многофункциональностью) по сравнению с другими типами  материалов (металлами и полимерами). Среди видов керамики всегда  можно найти такие, которые  с успехом заменяют металлы  и полимеры, тогда как обратное  возможно далеко не во всех  случаях.

2. Важным достоинством керамики  является высокая доступность  сырья, в том числе для получения  бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

3. Технология получения конструкционной  керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных  металлических материалов. Например, затраты энергии на производство  технической бескислородной керамики типа нитрида кремния значительно ниже, чем в производстве важнейших металлических конструкционных материалов.

4. Производство керамики, как правило,  не загрязняет окружающую среду  в такой мере, как металлургия,  а сами керамические материалы  позволяют принимать экологически  оправданные технологические и  технические решения. Примером  может служить получение водорода  высокотемпературным электролизом  воды в электролизерах с керамическими  электродами и электролитами.