stringtranslate.com

Закаленное стекло

Телефонная будка из закаленного стекла, подвергшаяся вандализму

Закаленное или упрочненное стекло — это тип безопасного стекла, обработанного контролируемой термической или химической обработкой для повышения его прочности по сравнению с обычным стеклом. Закалка подвергает внешние поверхности сжатию , а внутренние — растяжению . Такие напряжения приводят к тому, что стекло при разрушении распадается на мелкие зернистые осколки, а не на крупные зазубренные осколки, как это происходит с обычным отожженным стеклом . Эти более мелкие зернистые осколки с меньшей вероятностью вызовут глубокое проникновение при врезании в поверхность объекта (например, под действием силы тяжести, ветра, при падении на них и т. д.) по сравнению с более крупными зазубренными осколками, поскольку уменьшение как массы, так и максимального размера стеклянного фрагмента соответствует уменьшению как импульса, так и глубины проникновения стеклянного фрагмента.

Закаленное стекло используется благодаря своей безопасности и прочности в различных областях, включая окна пассажирских транспортных средств (кроме лобового стекла), двери душевых кабин, аквариумы, архитектурные стеклянные двери и столы, поддоны холодильников, защитные пленки для экранов мобильных телефонов, пуленепробиваемые стеклянные компоненты, маски для дайвинга , а также тарелки и кухонную утварь.

Характеристики

Закаленное стекло заднего окна автомобиля. Изменения в напряжении стекла хорошо видны, если сфотографировать стекло через поляризационный фильтр (нижняя фотография).

Закаленное стекло примерно в четыре раза прочнее отожженного. [1] [2] Более быстрое сжатие внешнего слоя во время производства вызывает сжимающие напряжения на поверхности стекла, уравновешиваемые растягивающими напряжениями в теле стекла. Полностью закаленное стекло толщиной 6 мм должно иметь либо минимальное поверхностное сжатие 69 МПа (10 000 фунтов на квадратный дюйм), либо сжатие кромки не менее 67 МПа (9 700 фунтов на квадратный дюйм). [3] Чтобы считаться безопасным стеклом , поверхностное сжимающее напряжение должно превышать 100 мегапаскалей (15 000 фунтов на квадратный дюйм). В результате повышенного поверхностного напряжения при разрушении стекло распадается на небольшие округлые куски, а не на острые зазубренные осколки.

Сжимающие поверхностные напряжения придают закаленному стеклу повышенную прочность. Отожженное стекло почти не имеет внутреннего напряжения и обычно образует микроскопические трещины на своей поверхности. Натяжение, приложенное к стеклу, может привести к распространению трещины, которая, однажды начавшись, концентрирует напряжение на кончике трещины, вызывая распространение трещины с очень высокой скоростью. [ необходима цитата ] Следовательно, отожженное стекло хрупкое и разбивается на неровные и острые осколки. [4] Сжимающие напряжения на поверхности закаленного стекла содержат дефекты, препятствуя их распространению или расширению.

Любая резка или шлифовка должны быть выполнены до закалки. Резка, шлифовка и резкие удары после закалки приведут к растрескиванию стекла.

Паттерн деформации, возникающий в результате отпуска, можно наблюдать, наблюдая через оптический поляризатор , например, через поляризационные солнцезащитные очки.

Использует

Маркировка соответствия нормам безопасности на вентиляционном окне автомобиля, изготовленном компанией PPG для автомобиля Chrysler .
Полицейский фургон с защитным экраном

Закаленное стекло используется, когда прочность, термостойкость и безопасность являются важными факторами. Например, пассажирские транспортные средства имеют все три требования. Поскольку они хранятся на открытом воздухе, они подвергаются постоянному нагреву и охлаждению, а также резким перепадам температур в течение года. Более того, они должны выдерживать небольшие удары дорожного мусора, такого как камни, а также дорожно-транспортные происшествия. Поскольку большие, острые осколки стекла представляют дополнительную и неприемлемую опасность для пассажиров, закаленное стекло используется так, чтобы в случае его разрушения осколки были тупыми и в основном безвредными. Вместо этого лобовое стекло или ветровое стекло изготавливается из ламинированного стекла , которое не разлетается на куски при разрушении, в то время как боковые окна и заднее ветровое стекло исторически изготавливались из закаленного стекла. Некоторые новые автомобили класса люкс имеют ламинированные боковые окна для соответствия правилам удержания пассажиров, противоугонных целей или звукоизоляции.

Другие типичные области применения закаленного стекла включают:

Здания и сооружения

Закаленное стекло также используется в зданиях для необрамленных конструкций (например, безрамные стеклянные двери), структурно нагруженных приложений и любых других приложений, которые могут стать опасными в случае человеческого воздействия. Строительные нормы в Соединенных Штатах требуют закаленного или ламинированного стекла в нескольких ситуациях, включая некоторые световые люки, стекло, установленное около дверных проемов и лестниц, большие окна, окна, которые простираются близко к уровню пола, раздвижные двери, лифты, панели доступа пожарных частей и стекло, установленное около бассейнов. [5]

Домашнее использование

Закаленное стекло также используется в быту. Некоторые распространенные предметы мебели и приборы, в которых используется закаленное стекло, включают безрамные душевые двери, стеклянные столешницы, стеклянные полки, стекло для шкафов и стекло для каминов.

Служба общественного питания

"Rim-tempered" означает, что ограниченная область, например, край стакана или тарелки, закален, и популярен в сфере общественного питания. Существуют также полностью закаленные варианты для прочности и стойкости к тепловому удару. Некоторые страны устанавливают требования относительно этого.

Закаленное стекло также стало чаще использоваться в барах и пабах, особенно в Великобритании и Австралии, чтобы предотвратить использование разбитого стекла в качестве оружия . [6] [7]

Приготовление пищи и выпечка

Некоторые виды закаленного стекла используются для приготовления пищи и выпечки . Производители и бренды включают Glasslock, Pyrex , Corelle и Arc International . Это также тип стекла, используемый для дверец духовок.

Устройства с сенсорным экраном

В большинстве мобильных устройств с сенсорным экраном используется закаленное стекло (например, Corning Gorilla Glass ), но существуют также отдельные закаленные защитные пленки для сенсорных устройств, продаваемые в качестве аксессуара. [8]

Производство

Закаленное безопасное стекло, прошедшее ламинирование, часто не выпадает из рамы при разбивании — обычно это происходит потому, что на стекло нанесена противоосколочная пленка, как это видно на этой витрине с мясом в продуктовом магазине.

Закаленное стекло можно изготовить из отожженного стекла с помощью процесса термической закалки. Стекло помещают на роликовый стол, пропускают через печь, которая нагревает его значительно выше температуры перехода 564 °C (1047 °F) до примерно 620 °C (1148 °F). Затем стекло быстро охлаждают с помощью принудительной тяги воздуха, в то время как внутренняя часть остается свободной для течения в течение короткого времени.

Альтернативный процесс химической закалки включает в себя принуждение поверхностного слоя стекла толщиной не менее 0,1 мм к сжатию путем ионного обмена ионов натрия на поверхности стекла с ионами калия (которые на 30% больше), путем погружения стекла в ванну с расплавленным нитратом калия . Химическая закалка приводит к повышению прочности по сравнению с термической закалкой и может применяться к стеклянным предметам сложной формы. [9]

Недостатки

Закаленное стекло должно быть разрезано по размеру или спрессовано для придания формы перед закалкой и не может быть повторно обработано после закалки. Полировка краев или сверление отверстий в стекле выполняются до начала процесса закалки. Из-за сбалансированных напряжений в стекле повреждение любой части в конечном итоге приведет к тому, что стекло расколется на кусочки размером с ноготь большого пальца. Стекло наиболее подвержено разрушению из-за повреждения на его краю, где растягивающее напряжение является наибольшим, но также может разбиться в случае сильного удара в середину стеклянной панели или если удар сосредоточен (например, по стеклу ударяют закаленным концом).

Использование закаленного стекла может представлять угрозу безопасности в некоторых ситуациях из-за того, что при сильном ударе стекло имеет тенденцию полностью разбиваться, а не оставлять осколки в оконной раме. [10]

Поверхность закаленного стекла демонстрирует поверхностные волны, вызванные контактом с выравнивающими роликами, если она была сформирована с использованием этого процесса. Эта волнистость является существенной проблемой при производстве тонкопленочных солнечных элементов. [11] Процесс флоат-стекла может использоваться для получения листов с низким искажением с очень плоскими и параллельными поверхностями в качестве альтернативы для различных применений остекления. [12]

Самопроизвольное разрушение стекла

Спонтанная поломка стекла — это явление, при котором закаленное стекло может спонтанно сломаться без какой-либо видимой причины. Наиболее распространенными причинами являются: [13] [14]

Любая проблема с поломкой имеет более серьезные последствия, если стекло установлено наверху или в общественных местах (например, в высотных зданиях). Защитная оконная пленка может быть нанесена на закаленные стекла, чтобы защитить их от падения. Старомодной мерой предосторожности была установка металлических экранов под световыми люками.

История

Франсуа Бартелеми Альфред Ройер де ла Басти (1830–1901) из Парижа, Франция, приписывают первую разработку метода закалки стекла [16] путем закалки почти расплавленного стекла в нагретой ванне с маслом или жиром в 1874 году, метод был запатентован в Англии 12 августа 1874 года, патент № 2783. Закаленное стекло иногда называют стеклом Басти в честь де ла Басти. В 1877 году немец Фридрих Сименс разработал другой процесс, иногда называемый прессованным стеклом или стеклом Сименса, производя закаленное стекло, более прочное, чем процесс Басти, путем прессования стекла в холодных формах. [17] Первый патент на целый процесс изготовления закаленного стекла был получен химиком Рудольфом А. Зайденом , который родился в 1900 году в Австрии и эмигрировал в Соединенные Штаты в 1935 году. [18]

Хотя в то время основной механизм не был известен, эффекты «закалки» стекла были известны на протяжении столетий. Примерно в 1660 году принц Руперт Рейнский довел открытие того, что сейчас известно как « Капли принца Руперта », до сведения короля Карла II . Это каплевидные кусочки стекла, которые производятся путем падения расплавленной капли стекла в ведро с водой, тем самым быстро охлаждая ее. Они могут выдержать удар молотка по выпуклому концу, не разбившись, но капли взрывным образом распадутся в порошок, если хвостовой конец будет даже слегка поврежден.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Форд, Марк (22 января 2001 г.). «Как изготавливается закаленное стекло?». Scientific American . Springer Nature America, LLC . Получено 12 июня 2020 г.
  2. ^ Блок, Валери, ред. (2002). Использование стекла в зданиях. West Conshohocken, PA: ASTM International. ISBN 978-0-8031-3458-4. Получено 12 июня 2020 г. .
  3. ^ "ASTM C1048-18, Стандартные технические условия на термоупрочненное и полностью закаленное плоское стекло". ASTM Book of Standards . ASTM International. 2018. doi :10.1520/C1048-18 . Получено 12 июня 2020 г.
  4. ^ "Закаленное стекло против отожженного | Hunker". Hunker.com . Архивировано из оригинала 2017-12-14 . Получено 2017-12-13 .
  5. ^ Хагеман, Дж. М.; Бистон, Б. Э. П.; Хагеман, К. (2008). Руководство подрядчика по строительным нормам (6-е изд.). Craftsman Book Co. ISBN 9781572182028.
  6. ^ Шеперд, Дж. (январь 1994 г.). «Насильственные преступления: роль алкоголя и новые подходы к профилактике травматизма». Алкоголь и алкоголизм (Оксфорд, Оксфордшир) . 29 (1): 5–10. PMID  8003116.
  7. ^ Shepherd, JP; Huggett, RH; Kidner, G (декабрь 1993 г.). «Ударопрочность барных стекол». The Journal of Trauma . 35 (6): 936–8. doi :10.1097/00005373-199312000-00021. PMID  8263994. Получено 19 сентября 2021 г.
  8. ^ "PET, TPU или закаленное стекло — все, что вам нужно знать, чтобы выбрать защитную пленку для экрана". phonearena.com . Архивировано из оригинала 20-08-2015.
  9. ^ Пфендер, Хайнц Г. (1996). Schott Guide to Glass (2-е изд.). Лондон: Chapman & Hall. ISBN 9780412620607.
  10. ^ O'Block, Robert L.; Donnermeyer, Joseph F.; Doeren, Stephen E. (1991). Безопасность и профилактика преступлений . Butterworth–Heinemann. стр. 118. Однако защитная ценность закаленного стекла сомнительна. Хотя оно выдержит удар кирпичом или камнем, оно восприимчиво к острым инструментам, таким как ледорубы или отвертки. При таком нападении закаленное стекло имеет тенденцию легко и тихо сминаться, не оставляя острых краев.
  11. ^ Валецки, Войтек Дж.; Зонди, Фанни (2008). «Интегрированная квантовая эффективность, топография и метрология напряжений для производства солнечных элементов: подход реального пространства». В Dhere, Neelkanth G. (ред.). Надежность фотоэлектрических элементов, модулей, компонентов и систем . Том 7048. Беллингхэм, Вашингтон: SPIE. стр. 704804. Bibcode : 2008SPIE.7048E..04W. doi : 10.1117/12.792934. ISSN  0277-786X. S2CID  96798712. Получено 12 июня 2020 г.
  12. ^ "FLOAT GLASS TECHNOLOGY". ajzonca.tripod.com . Архивировано из оригинала 2017-12-14 . Получено 2017-12-13 .
  13. ^ Американское общество по испытаниям и материалам ( ASTM ) E 2431 — «Практика определения сопротивления одинарного остекления отожженного архитектурного плоского стекла термическим нагрузкам».
  14. ^ ASTM E1300 — «Стандартная практика проектирования для определения сопротивления нагрузке стекла в зданиях».
  15. ^ Барри, Джон (12 января 2006 г.). «Ахиллесова пята прекрасного материала: закаленное стекло». Glass on Web . Получено 16 августа 2019 г.
  16. ^ "Glass." Энциклопедия Британника: Словарь искусств, наук и общей литературы . 9-е изд. (Американское переиздание). Т. 10. Филадельфия: Sherman & co., 1894. 595. Печать.
  17. ^ Uhlmann, DR и Kreidl, NJ eds.. Стекло. Наука и технология: Эластичность и прочность стекол . Том 5. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic, 1980. 197. Печать.
  18. ^ Барр, Йохатан. «Справочник по закалке стекла: понимание процесса закалки стекла». Самостоятельно опубликовано. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2015-04-02 . Получено 2015-02-28 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )доступ получен 28 февраля 2015 г.