Стекло – аморфное ( некристаллическое ) твердое вещество. Поскольку стекло зачастую прозрачно и химически инертно, оно нашло широкое практическое, технологическое и декоративное применение в оконных стеклах, посуде и оптике . Некоторые распространенные предметы из стекла, такие как «стакан» с водой, « стаканы » и « лупа », названы в честь материала.
Стекло чаще всего образуется путем быстрого охлаждения ( закалки ) расплавленной формы. Некоторые стекла, такие как вулканическое стекло, встречаются в природе, а обсидиан использовался для изготовления наконечников стрел и ножей еще с каменного века . Археологические данные свидетельствуют о том, что производство стекла датируется по меньшей мере 3600 годом до нашей эры в Месопотамии , Египте или Сирии . Самыми ранними известными стеклянными предметами были бусины , возможно, созданные случайно во время обработки металла или производства фаянса , который представляет собой разновидность керамики с использованием свинцовой глазури.
Из-за легкости придания любой формы стекло традиционно использовалось для изготовления сосудов, таких как чаши , вазы , бутылки , банки и стаканы для питья. Натриево-известковое стекло , содержащее около 70% кремнезема, составляет около 90% современного производимого стекла. Стекло может быть окрашено путем добавления солей металлов или окрашено и напечатано стекловидными эмалями , что привело к его использованию в витражах и других предметах искусства из стекла .
Преломляющие , отражательные и пропускающие свойства стекла делают его пригодным для изготовления оптических линз , призм и материалов для оптоэлектроники . Экструдированные стеклянные волокна применяются в качестве оптических волокон в сетях связи, теплоизоляционного материала в виде стекловаты для улавливания воздуха или в армированном стекловолокном пластике ( стекловолокне ).
Стандартное определение стекла ( или стекловидного тела) — это некристаллическое твердое вещество, образовавшееся в результате быстрой закалки расплавом . [1] [2] [3] [4] Однако термин «стекло» часто определяют в более широком смысле, чтобы описать любое некристаллическое ( аморфное ) твердое вещество, которое демонстрирует стеклование при нагревании в жидкое состояние. [4] [5]
Стекло – аморфное твердое вещество . Хотя атомная структура стекла имеет характеристики структуры переохлажденной жидкости , стекло проявляет все механические свойства твердого тела. [6] [7] [8] Как и в других аморфных твердых телах , атомная структура стекла не имеет дальнодействующей периодичности, наблюдаемой в кристаллических твердых телах . Из-за ограничений химической связи стекла обладают высокой степенью ближнего порядка по отношению к локальным атомным многогранникам . [9] 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 движение атомов на поверхности стекла можно наблюдать [10] и вязкость порядка 10 17 –10 18 Па с можно измерить в стекле, такое высокое значение подтверждает тот факт, что стекло не будет существенно менять форму даже в течение больших периодов времени. времени. [5] [11]
При закалке расплава, если охлаждение достаточно быстрое (относительно характерного времени кристаллизации ), то кристаллизация предотвращается и вместо этого неупорядоченная атомная конфигурация переохлажденной жидкости замораживается в твердое состояние при T g . Склонность материала к образованию стекла при закалке называется стеклообразующей способностью. Эту способность можно предсказать с помощью теории жесткости . [13] Обычно стекло существует в структурно- метастабильном состоянии по отношению к его кристаллической форме, хотя в определенных обстоятельствах, например, в атактических полимерах, кристаллический аналог аморфной фазы отсутствует. [14]
Стекло иногда считают жидкостью из-за отсутствия в нем фазового перехода первого рода [7] [15], при котором определенные термодинамические переменные , такие как объем , энтропия и энтальпия , прерывисты в диапазоне стеклования. Стеклование можно описать как аналог фазового перехода второго рода, при котором интенсивные термодинамические переменные, такие как тепловое расширение и теплоемкость, являются дискретными. [2] Однако равновесная теория фазовых превращений не справедлива для стекла, и, следовательно, стеклование нельзя классифицировать как одно из классических равновесных фазовых превращений в твердых телах. [4] [5]
Стекло может образоваться естественным путем из вулканической магмы. Обсидиан — это обычное вулканическое стекло с высоким содержанием кремнезема (SiO 2 ), образующееся при быстром охлаждении кислой лавы, выдавленной из вулкана. [16] Импактит — это форма стекла, образовавшаяся в результате удара метеорита , где молдавит (найден в центральной и восточной Европе) и ливийское пустынное стекло (найдено в районах восточной Сахары , пустынь восточной Ливии и западного Египта ) являются яркими примерами. [17] Стеклование кварца также может происходить, когда молния ударяет в песок , образуя полые, ветвящиеся корневидные структуры, называемые фульгуритами . [18] Тринитит представляет собой стекловидный остаток, образовавшийся из песка пустыни на полигоне ядерной бомбы Тринити . [19] Стекло Эдеови , найденное в Южной Австралии , предположительно возникло в результате плейстоценовых луговых пожаров, ударов молний или сверхскоростного удара одного или нескольких астероидов или комет . [20]
Обсидиановое стекло природного происхождения использовалось обществами каменного века, поскольку оно ломалось по очень острым краям, что делало его идеальным для режущих инструментов и оружия. [21] [22]
Производство стекла началось по меньшей мере 6000 лет назад, задолго до того, как люди научились выплавлять железо. [21] Археологические данные свидетельствуют о том, что первое настоящее синтетическое стекло было изготовлено в Ливане и прибрежной северной Сирии , Месопотамии или древнем Египте . [23] [24] Самыми ранними известными стеклянными предметами, датируемыми серединой третьего тысячелетия до нашей эры, были бусины , возможно, первоначально созданные как случайные побочные продукты металлообработки ( шлаки ) или во время производства фаянса , стекловидного материала, изготовленного до изготовления стекла. с помощью процесса, аналогичного остеклению . [25]
Раннее стекло редко было прозрачным и часто содержало примеси и дефекты [21] и технически представляло собой скорее фаянс, чем настоящее стекло, которое появилось только в 15 веке до нашей эры. [26] Однако красно-оранжевые стеклянные бусины, раскопанные в эпоху цивилизации долины Инда и датированные до 1700 г. до н.э. (возможно, уже 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. [27] [28]
В эпоху поздней бронзы произошел быстрый рост технологии изготовления стекла в Египте и Западной Азии . [23] Археологические находки этого периода включают слитки цветного стекла , сосуды и бусы. [23] [29]
Во многом раннее производство стекла основывалось на методах шлифования, заимствованных из обработки камня , таких как шлифовка и резьба по стеклу в холодном состоянии. [30]
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. [31] Стеклянные предметы были обнаружены по всей Римской империи [32] в домашнем, погребальном , [33] и промышленном контексте, [34] а также в качестве предметов торговли на рынках в отдаленных провинциях. [35] [36] Примеры римского стекла были найдены за пределами бывшей Римской империи в Китае , [37] в странах Балтии , на Ближнем Востоке и в Индии . [38] Римляне усовершенствовали камео-стекло , которое изготавливали путем травления и резьбы по сплавленным слоям разных цветов для создания рельефного рисунка на стеклянном предмете. [39]
В постклассической Западной Африке Бенин был производителем стекла и стеклянных бус. [40] Стекло широко использовалось в Европе в средние века . Англосаксонское стекло было найдено по всей Англии во время археологических раскопок как на поселениях, так и на кладбищах. [41] Начиная с 10-го века, стекло использовалось в витражах церквей и соборов , известные примеры – в Шартрском соборе и базилике Сен-Дени . К 14 веку архитекторы проектировали здания со стенами из витражей , такие как Сент-Шапель в Париже (1203–1248) и Ист-Энд Глостерского собора . С изменением архитектурного стиля в эпоху Возрождения в Европе использование больших витражей стало гораздо менее распространенным, [42] хотя в 19 веке витражи значительно возродились в архитектуре готического возрождения . [43]
В 13 веке остров Мурано в Венеции стал центром производства стекла, опираясь на средневековые методы производства ярких декоративных изделий в больших количествах. [39] Производители муранского стекла разработали исключительно прозрачное бесцветное стекло cristallo , названное так из-за его сходства с природным кристаллом, который широко использовался для изготовления окон, зеркал, корабельных фонарей и линз. [21] В 13, 14 и 15 веках эмалирование и золочение стеклянных сосудов были усовершенствованы в Египте и Сирии. [44] К концу 17 века Богемия стала важным регионом для производства стекла, оставаясь таковым до начала 20 века. К 17 веку стекло в венецианской традиции производилось и в Англии . Примерно в 1675 году Джордж Равенскрофт изобрел свинцовый хрусталь, а в 18 веке в моду вошло граненое стекло . [39] Декоративные стеклянные предметы стали важным средством искусства в период модерна в конце 19 века. [39]
На протяжении 20-го века новые технологии массового производства привели к широкой доступности стекла в гораздо больших количествах, что сделало его практичным в качестве строительного материала и открыло новые возможности применения стекла. [45] В 1920-х годах был разработан процесс травления формы , при котором произведения искусства выгравировались 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 появлению в 1930-х годах дешевой стеклянной посуды, которая позже стала известна как стекло Депрессии . [46] В 1950-х годах компания Pilkington Bros. , Англия , разработала процесс флоат-стекла , производя высококачественные плоские листы стекла без искажений путем плавления на расплавленном олове . [21] Современные многоэтажные здания часто строятся с навесными стенами, почти полностью сделанными из стекла. [47] Многослойное стекло широко применяется в лобовых стеклах транспортных средств. [48] Оптическое стекло для очков использовалось со времен средневековья. [49] Производство линз становится все более эффективным, что помогает астрономам [50] , а также находит другие применения в медицине и науке. [51] Стекло также используется в качестве крышки апертуры во многих коллекторах солнечной энергии . [52]
В 21 веке производители стекла разработали различные марки химически упрочненного стекла для широкого применения в сенсорных экранах смартфонов , планшетных компьютеров и многих других типах информационных устройств . К ним относятся Gorilla Glass , разработанные и изготовленные компаниями Corning , Dragontrail компании AGC Inc. и Xensation компании Schott AG . [53] [54] [55]
Стекло широко используется в оптических системах из-за его способности преломлять, отражать и передавать свет в соответствии с геометрической оптикой . Наиболее распространенными и старейшими применениями стекла в оптике являются линзы , окна , зеркала и призмы . [56] Ключевые оптические свойства : показатель преломления , дисперсия и пропускание стекла сильно зависят от химического состава и, в меньшей степени, от его термической истории. [56] Оптическое стекло обычно имеет показатель преломления от 1,4 до 2,4, а число Аббе (которое характеризует дисперсию) от 15 до 100. [56] Показатель преломления может быть изменен за счет высокой плотности (увеличивается показатель преломления) или низкой плотности. плотность (уменьшается показатель преломления) добавок. [57]
Прозрачность стекла обусловлена отсутствием границ зерен , которые диффузно рассеивают свет в поликристаллических материалах. [58] Полупрозрачность из-за кристаллизации может быть вызвана во многих стеклах, если поддерживать их в течение длительного периода при температуре, недостаточной для плавления. Таким образом производится кристаллический расстеклованный материал, известный как стеклянный фарфор Реомюра. [44] [59] Хотя очки обычно прозрачны для видимого света, они могут быть непрозрачными для света других длин волн . В то время как силикатные стекла обычно непрозрачны для инфракрасных волн с границей пропускания на уровне 4 мкм, стекла из фторидов и халькогенидов тяжелых металлов прозрачны для инфракрасных волн с длиной волны от 7 до 18 мкм. [60] Добавление оксидов металлов приводит к получению стекол разного цвета, поскольку ионы металлов поглощают длины волн света, соответствующие определенным цветам. [60]
В процессе производства стаканы можно разливать, формовать, экструдировать и формовать в различные формы: от плоских листов до очень сложных форм. [61] Готовое изделие хрупкое, но его можно заламинировать или закалить для повышения долговечности. [62] [63] Стекло, как правило, инертно, устойчиво к химическому воздействию и в основном выдерживает воздействие воды, что делает его идеальным материалом для изготовления контейнеров для пищевых продуктов и большинства химикатов. [21] [64] [65] Тем не менее, несмотря на то, что стекло обычно обладает высокой устойчивостью к химическому воздействию, при некоторых условиях оно подвержено коррозии или растворению. [64] [66] Материалы, входящие в состав определенного стекла, влияют на скорость коррозии стекла. Стекла, содержащие большое количество щелочных или щелочноземельных элементов, более подвержены коррозии, чем другие составы стекол. [67] [68]
Плотность стекла варьируется в зависимости от химического состава и варьируется от 2,2 грамма на кубический сантиметр (2200 кг/м 3 ) для плавленого кварца до 7,2 грамма на кубический сантиметр (7200 кг/м 3 ) для плотного бесцветного стекла. [69] Стекло прочнее большинства металлов: теоретическая прочность чистого, безупречного стекла составляет от 14 до 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, пузырей и других микроскопических дефектов приводит к типичному диапазону от 14 до 175 мегапаскалей (от 2000 до 25 400 фунтов на квадратный дюйм) в большинстве коммерческих стекол. [60] Некоторые процессы, такие как закалка, могут повысить прочность стекла. [70] Тщательно вытянутое безупречное стекловолокно может быть произведено с прочностью до 11,5 гигапаскалей (1 670 000 фунтов на квадратный дюйм). [60]
Наблюдение о том, что старые окна иногда оказываются толще внизу, чем вверху, часто предлагается в качестве подтверждающего доказательства точки зрения о том, что стекло течет на протяжении столетий, при этом предполагается, что стекло проявляет жидкое свойство вытекать из окна. одну форму в другую. [71] Это предположение неверно, поскольку после затвердевания стекло перестает течь. Провисания и рябь, наблюдаемые на старом стекле, появились уже в день его изготовления; производственные процессы, использовавшиеся в прошлом, приводили к получению листов с несовершенной поверхностью и неоднородной толщиной (почти идеальное флоат-стекло, используемое сегодня, получило широкое распространение только в 1960-х годах). [7]
В исследовании 2017 года была рассчитана скорость течения средневекового стекла, использовавшегося в Вестминстерском аббатстве с 1268 года. Исследование показало, что вязкость этого стекла при комнатной температуре составляла примерно 10 24 Па · с , что примерно в 10 16 раз менее вязко, чем у предыдущего стекла. оценка, сделанная в 1998 году и посвященная известково-натриевому силикатному стеклу. Авторы исследования подсчитали, что даже при такой более низкой вязкости максимальная скорость течения средневекового стекла составляет 1 нм на миллиард лет, что делает невозможным наблюдение в человеческом масштабе времени. [72] [73]
Диоксид кремния (SiO 2 ) является основным компонентом стекла. Плавленый кварц – это стекло, изготовленное из химически чистого кремнезема. [68] Он имеет очень низкое тепловое расширение и отличную устойчивость к тепловому удару , способен выдерживать погружение в воду, пока он раскален докрасна, устойчив к высоким температурам (1000–1500 ° C) и химическому воздействию, а также очень тверд. Оно также прозрачно для более широкого спектрального диапазона, чем обычное стекло, простирающегося от видимого до УФ- и ИК- диапазонов, 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. [74] Однако его высокая температура плавления (1723 ° C) и вязкость затрудняют работу с ним. Поэтому обычно для снижения температуры плавления и упрощения обработки стекла добавляются другие вещества (флюсы). [75]
Карбонат натрия (Na 2 CO 3 , «сода») является распространенной добавкой и снижает температуру стеклования. Однако силикат натрия водорастворим , поэтому для повышения химической стойкости обычно добавляют известь (CaO, оксид кальция , обычно получаемый из известняка ), а также оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al 2 O 3 ). Натриево-известковые стекла (Na 2 O) + известь (CaO) + магнезия (MgO) + глинозем (Al 2 O 3 ) составляют более 75% выпускаемого стекла, содержащего около 70–74% кремнезема по массе. [68] [76] Натриево-известково-силикатное стекло прозрачное, легко формуется и наиболее подходит для оконного стекла и посуды. [77] Однако он имеет высокое тепловое расширение и плохую устойчивость к нагреву. [77] Натриево-известковое стекло обычно используется для изготовления окон , бутылок , лампочек и банок . [75]
Боросиликатные стекла (например, Pyrex , Duran ) обычно содержат 5–13% триоксида бора (B 2 O 3 ). [75] Боросиликатные стекла имеют достаточно низкие коэффициенты теплового расширения (КТР 7740 Pyrex составляет 3,25 × 10−6 /°C [78] по сравнению с примерно 9 × 10−6 /°C для типичного натриево-известкового стекла [79] ). Поэтому они менее подвержены напряжению , вызванному тепловым расширением, и, следовательно, менее уязвимы к растрескиванию в результате теплового удара . Они обычно используются, например, для лабораторной посуды , бытовой посуды и автомобильных фар с закрытым лучом . [75]
Добавление оксида свинца(II) в силикатное стекло снижает температуру плавления и вязкость расплава. [80] Высокая плотность свинцового стекла (кремнезем + оксид свинца (PbO) + оксид калия (K 2 O) + сода (Na 2 O) + оксид цинка (ZnO) + оксид алюминия) приводит к высокой электронной плотности, а значит, и к высокой плотности свинца. высокий показатель преломления, придающий стеклянной посуде более блестящий вид, вызывающий заметно более зеркальное отражение и увеличенную оптическую дисперсию . [68] [81] Свинцовое стекло обладает высокой эластичностью, что делает стеклянную посуду более удобной для обработки и дает чистый «кольцевой» звук при ударе. Однако свинцовое стекло не может хорошо выдерживать высокие температуры. [74] Оксид свинца также облегчает растворимость оксидов других металлов и используется в цветном стекле. Уменьшение вязкости расплава свинцового стекла весьма существенно (примерно в 100 раз по сравнению с натриевым стеклом); это позволяет легче удалять пузырьки и работать при более низких температурах, поэтому его часто используют в качестве добавки в стекловидные эмали и припои для стекла . Большой ионный радиус иона Pb 2+ делает его крайне неподвижным и препятствует движению других ионов; Поэтому свинцовые стекла имеют высокое электрическое сопротивление, примерно на два порядка выше, чем натриево-известковое стекло (10 8,5 против 10 6,5 Ом⋅см, постоянный ток при 250 ° C). [82]
Алюмосиликатное стекло обычно содержит 5–10% оксида алюминия (Al 2 O 3 ). Алюмосиликатное стекло, как правило, сложнее плавить и придавать ему форму по сравнению с боросиликатными составами, но оно обладает превосходной термостойкостью и долговечностью. [75] Алюмосиликатное стекло широко используется для производства стекловолокна , [83] используется для изготовления стеклопластиков (лодок, удочек и т. д.), посуды для плиты и стекла для галогенных ламп. [74] [75]
Добавление бария также увеличивает показатель преломления. Оксид тория придает стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию и раньше использовался при производстве высококачественных линз, но из-за своей радиоактивности в современных очках был заменен оксидом лантана . [84] Железо можно включать в стекло для поглощения инфракрасного излучения, например, в теплопоглощающие фильтры для кинопроекторов, а оксид церия(IV) можно использовать для изготовления стекла, поглощающего ультрафиолетовые волны. [85] Фтор снижает диэлектрическую проницаемость стекла. Фтор сильно электроотрицательен и снижает поляризуемость материала. Фторсиликатные стекла используются при производстве интегральных схем в качестве изолятора. [86]
Стеклокерамические материалы содержат как некристаллическое стекло, так и кристаллическую керамическую фазы. Они образуются путем контролируемого зародышеобразования и частичной кристаллизации основного стекла путем термической обработки. [87] Кристаллические зерна часто встроены в некристаллическую межзеренную фазу границ зерен . Стеклокерамика обладает преимуществами термических, химических, биологических и диэлектрических свойств по сравнению с металлами или органическими полимерами. [87]
Наиболее коммерчески важным свойством стеклокерамики является ее невосприимчивость к тепловому удару. Таким образом, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи и промышленных процессов. Отрицательный коэффициент теплового расширения (КТР) кристаллической керамической фазы может быть сбалансирован положительным КТР стекловидной фазы. В определенной точке (~70% кристалличности) стеклокерамика имеет чистый КТР, близкий к нулю. Этот тип стеклокерамики обладает превосходными механическими свойствами и может выдерживать многократные и быстрые изменения температуры до 1000 °C. [88] [87]
Стекловолокно (также называемое армированным стекловолокном пластиком, GRP) представляет собой композитный материал , изготовленный путем армирования пластиковой смолы стеклянными волокнами . Его изготавливают путем плавления стекла и растягивания его на волокна. Эти волокна сплетаются в ткань и оставляются в пластиковой смоле. [89] [90] [91] Стекловолокно обладает легким весом и устойчивостью к коррозии, а также является хорошим изолятором , что позволяет использовать его в качестве строительного изоляционного материала и для изготовления корпусов электронных устройств для потребительских товаров. Стекловолокно первоначально использовалось в Великобритании и США во время Второй мировой войны для производства обтекателей . Стекловолокно используется в строительных материалах, корпусах лодок, деталях кузова автомобилей и композитных материалах для аэрокосмической промышленности. [92] [89] [91]
Стекловолоконная вата является отличным тепло- и звукоизоляционным материалом, обычно используемым в зданиях (например, изоляция чердаков и полых стен ), а также в сантехнике (например, изоляция труб ), а также для звукоизоляции . [92] Его получают путем пропускания расплавленного стекла через мелкую сетку центростремительной силой и разрыва экструдированных стеклянных волокон на короткие отрезки с помощью потока высокоскоростного воздуха. Волокна склеиваются с помощью аэрозольного клея, а полученный шерстяной мат разрезается и упаковывается в рулоны или панели. [60]
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 GeO 2 ), теллуриты (стекла на основе TeO 2 ), антимонаты ( стекла на основе Sb 2 O 3 ), арсенаты (стекла на основе As 2 O 3 ), титанаты (стекла на основе TiO 2 ), танталаты (стекла на основе Ta 2 O 5 ), нитраты , карбонаты , пластмассы , акрил и многие другие. другие вещества. [5] Некоторые из этих стекол (например, диоксид германия (GeO 2 , Germania), во многих отношениях структурный аналог кремнеземных, фторидных , алюминатных , фосфатных , боратных и халькогенидных стекол) обладают физико-химическими свойствами, полезными для их применения в оптоволокне. волноводы в сетях связи и других специализированных технологических приложениях. [94] [95]
Стекла, не содержащие кремнезема, часто могут иметь плохую склонность к стеклообразованию. Новые методы, в том числе безконтейнерная обработка посредством аэродинамической левитации (охлаждение расплава, пока он плавает в потоке газа) или закалка разбрызгиванием (прессование расплава между двумя металлическими наковальнями или роликами), могут использоваться для увеличения скорости охлаждения или уменьшения факторов, вызывающих зародышеобразование кристаллов. . [96] [97] [98]
В прошлом небольшие партии аморфных металлов с большой площадью поверхности (ленты, проволоки, пленки и т. д.) производились за счет применения чрезвычайно высоких скоростей охлаждения. Аморфные металлические проволоки получают путем напыления расплавленного металла на вращающийся металлический диск. [99] [100]
Некоторые сплавы были изготовлены слоями толщиной более 1 миллиметра. Они известны как объемные металлические стекла (BMG). Liquidmetal Technologies продает несколько BMG на основе циркония .
Также были произведены партии аморфной стали, которая демонстрирует механические свойства, значительно превосходящие свойства обычных стальных сплавов. [101]
Экспериментальные данные показывают, что система Al-Fe-Si может претерпевать переход первого рода в аморфную форму (получившую название «q-стекло») при быстром охлаждении из расплава. Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), показывают, что q-стекло зарождается из расплава в виде дискретных частиц с равномерным сферическим ростом во всех направлениях. Хотя дифракция рентгеновских лучей выявляет изотропную природу q-стекла, существует барьер зародышеобразования , подразумевающий нарушение межфазной границы (или внутренней поверхности) между фазами стекла и расплава. [102] [103]
К важным полимерным стеклам относятся аморфные и стеклообразные фармацевтические соединения. Они полезны, поскольку растворимость соединения значительно увеличивается, когда оно является аморфным, по сравнению с тем же кристаллическим составом. Многие новые фармацевтические препараты практически нерастворимы в кристаллических формах. [104] Многие полимерные термопласты, привычные для повседневного использования, представляют собой очки. Для многих применений, таких как стеклянные бутылки или очки , полимерные стекла ( акриловое стекло , поликарбонат или полиэтилентерефталат ) являются более легкой альтернативой традиционному стеклу. [105]
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 и более видов ионов разного размера и формы кристаллизация может быть настолько трудной, что жидкость можно легко переохладить в стакан. [106] [107] Примеры включают LiCl: R H 2 O (раствор соли хлорида лития и молекул воды) в диапазоне составов 4< R <8. [108] сахарное стекло , [109] или Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1,4 . [110] Стеклянные электролиты в виде литий-стекла, легированного барием, и Na-стекла, легированного барием, были предложены в качестве решения проблем, связанных с органическими жидкими электролитами, используемыми в современных литий-ионных аккумуляторных элементах. [111]
После приготовления и смешивания стекольной шихты сырье транспортируется в печь. Натриево-известковое стекло для массового производства плавят в стекловаренных печах . Печи меньшего размера для производства специального стекла включают электроплавильные печи, горшечные печи и расходные резервуары. [76] После плавления, гомогенизации и рафинирования (удаления пузырьков) образуется стекло . Этого можно достичь вручную путем выдувания стекла , которое включает в себя сбор массы горячего полурасплавленного стекла, надувание ее в пузырь с помощью полой паяльной трубки и придание ей необходимой формы путем выдувания, раскачивания, прокатки или формования. Пока стекло горячее, его можно обрабатывать с помощью ручных инструментов, резать ножницами, а дополнительные детали, такие как ручки или ножки, прикреплять сваркой. [112] Плоское стекло для окон и аналогичных изделий изготавливается методом флоат-стекла , разработанным между 1953 и 1957 годами сэром Аластером Пилкингтоном и Кеннетом Бикерстаффом из британской компании Pilkington Brothers, которые создали непрерывную ленту стекла, используя ванну с расплавленным оловом, на которой расплавленное стекло беспрепятственно течет под действием силы тяжести. Верхняя поверхность стекла подвергается воздействию азота под давлением для получения полированной поверхности. [113] Тарное стекло для обычных бутылок и банок формуют методами выдувания и прессования . [114] Это стекло часто слегка модифицируют химически (с добавлением большего количества оксида алюминия и оксида кальция) для большей водостойкости. [115]
После получения желаемой формы стекло обычно отжигают для снятия напряжений и повышения твердости и долговечности стекла. [116] Обработка поверхности, покрытие или ламинирование могут быть использованы для улучшения химической стойкости ( покрытия стеклянных контейнеров , внутренняя обработка стеклянных контейнеров ), прочности ( закаленное стекло , пуленепробиваемое стекло , ветровые стекла [117] ) или оптических свойств ( изолирующее остекление , анти- светоотражающее покрытие ). [118]
Новые составы химического стекла или новые методы обработки могут быть первоначально исследованы в небольших лабораторных экспериментах. Сырье для производства стекла в лабораторных масштабах часто отличается от сырья, используемого в массовом производстве, поскольку фактор стоимости имеет низкий приоритет. В лаборатории используются в основном чистые химические вещества . Необходимо следить за тем, чтобы сырье не вступало в реакцию с влагой или другими химическими веществами в окружающей среде (такими как оксиды и гидроксиды щелочных или щелочноземельных металлов или оксид бора ) или чтобы примеси определялись количественно (потеря при возгорании). [119] Потери на испарение при плавлении стекла следует учитывать при выборе сырья, например, селенит натрия может быть предпочтительнее легко испаряющегося диоксида селена (SeO 2 ). Кроме того, более легко реагирующее сырье может быть предпочтительнее относительно инертного , например гидроксида алюминия (Al(OH) 3 ) по сравнению с оксидом алюминия (Al 2 O 3 ). Обычно плавки проводят в платиновых тиглях, чтобы уменьшить загрязнение материала тигля. Гомогенность стекла достигается за счет гомогенизации сырьевой смеси ( стеклошихты ), перемешивания расплава, а также дробления и переплавки первого расплава. Полученное стекло обычно отжигают , чтобы предотвратить разрушение во время обработки. [119] [120]
Цвет стекла можно получить добавлением однородно распределенных электрически заряженных ионов (или центров окраски ). В то время как обычное натриево-известковое стекло в тонком срезе кажется бесцветным, примеси оксида железа (II) (FeO) придают ему зеленый оттенок в толстых срезах. [121] Диоксид марганца (MnO 2 ), придающий стеклу фиолетовый цвет, может быть добавлен для удаления зеленого оттенка, придаваемого FeO. [122] Добавки FeO и оксида хрома(III) (Cr 2 O 3 ) используются при производстве зеленых бутылок. [121] Оксид железа (III) , с другой стороны, дает желтое или желто-коричневое стекло. [123] Низкие концентрации (от 0,025 до 0,1%) оксида кобальта (CoO) позволяют получить кобальтовое стекло насыщенного темно-синего цвета . [124] Хром — очень мощный краситель, придающий темно-зеленый цвет. [125] Сера в сочетании с углеродом и солями железа дает янтарное стекло от желтоватого до почти черного. [126] Расплав стекла также может приобретать янтарный цвет из-за восстановительной атмосферы горения. [127] Сульфид кадмия дает имперский красный цвет , а в сочетании с селеном может давать оттенки желтого, оранжевого и красного цветов. [121] [123] Добавка оксида меди(II) (CuO) придает стеклу бирюзовый цвет, в отличие от оксида меди(I) (Cu 2 O), который дает тусклый коричнево-красный цвет. [128]
Листовое натриево-известковое стекло обычно используется в качестве прозрачного материала для остекления , как правило, в качестве окон во внешних стенах зданий. Изделия из флоат-листа или прокатанного листового стекла разрезаются по размеру путем надрезания и защелкивания материала, лазерной резки , водоструйной резки или пилы с алмазным лезвием . Стекло может быть термически или химически закалено (упрочнено) в целях безопасности , а также согнуто или искривлено во время нагрева. Поверхностные покрытия могут быть добавлены для выполнения определенных функций, таких как устойчивость к царапинам, блокирование определенных длин волн света (например, инфракрасного или ультрафиолетового ), грязеотталкивающие свойства (например, самоочищающееся стекло ) или переключаемые электрохромные покрытия. [129]
Системы структурного остекления представляют собой одну из наиболее значительных архитектурных инноваций современности, когда стеклянные здания теперь часто доминируют на горизонте многих современных городов . [130] В этих системах используются фитинги из нержавеющей стали, утопленные в углубления в углах стеклянных панелей, что позволяет усиленным стеклам казаться незакрепленными, создавая ровный внешний вид. [130] Системы структурного остекления берут свое начало в зимних садах из железа и стекла девятнадцатого века [131]
Стекло является важным компонентом столовой посуды и обычно используется для изготовления стаканов для воды, пива и вина . [51] Бокалы для вина обычно представляют собой бокалы , то есть кубки, состоящие из чаши, ножки и ножки. Хрусталь или свинцовый хрусталь можно разрезать и полировать для получения декоративных стаканов с блестящими гранями. [132] [133] Другие виды использования стекла в столовой посуде включают графины , кувшины , тарелки и миски . [51]
Инертная и непроницаемая природа стекла делает его стабильным и широко используемым материалом для упаковки продуктов питания и напитков, таких как стеклянные бутылки и банки . Большая часть тарного стекла представляет собой натриево-известковое стекло , производимое методами выдувания и прессования . Контейнерное стекло имеет более низкое содержание оксида магния и оксида натрия , чем листовое стекло, и более высокое содержание кремнезема , оксида кальция и оксида алюминия . [134] Более высокое содержание нерастворимых в воде оксидов придает немного более высокую химическую стойкость к воде, что выгодно для хранения напитков и продуктов питания. Стеклянная упаковка является экологически чистой, легко перерабатываемой, многоразовой и многоразовой. [135]
В электронике стекло может использоваться в качестве подложки при производстве интегрированных пассивных устройств , тонкопленочных объемных акустических резонаторов , а также в качестве герметичного уплотнительного материала в упаковке устройств, [136] [137] включая очень тонкую герметизацию исключительно на основе стекла. интегральные схемы и другие полупроводники в больших объемах производства. [138]
Стекло является важным материалом в научных лабораториях для изготовления экспериментальной аппаратуры, поскольку оно относительно дешево, ему легко придать необходимую форму для эксперимента, его легко содержать в чистоте, оно выдерживает тепловую и холодную обработку, обычно не вступает в реакцию со многими реагентами и не реагирует со многими реагентами . его прозрачность позволяет наблюдать за химическими реакциями и процессами. [139] [140] Лабораторная посуда включает в себя колбы , чашки Петри , пробирки , пипетки , градуированные цилиндры , эмалированные металлические контейнеры для химической обработки, ректификационные колонны , стеклянные трубки, линии Шленка , манометры и термометры . [141] [139] Хотя большая часть стандартной лабораторной посуды массово производится с 1920-х годов, ученые по-прежнему нанимают квалифицированных стеклодувов для изготовления стеклянных приборов на заказ для своих экспериментальных нужд. [142]
Стекло является распространенным материалом в оптике из-за его способности преломлять , отражать и передавать свет. Этими и другими оптическими свойствами можно управлять путем изменения химического состава, термической обработки и технологий производства. Многие применения стекла в оптике включают очки для коррекции зрения, оптику формирования изображений (например, линзы и зеркала в телескопах , микроскопах и камерах ), оптоволокно в телекоммуникационных технологиях и интегрированную оптику . Микролинзы и оптика с градиентным показателем преломления (где показатель преломления неоднороден) находят применение, например, в чтении оптических дисков , лазерных принтерах , копировальных аппаратах и лазерных диодах . [56]
Стекло как искусство датируется по крайней мере 1300 годом до нашей эры и показано в качестве примера натурального стекла, найденного на пекторали Тутанхамона, [143] которое также содержало 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. [144] и было известно в начале 20-го века благодаря стеклу в стиле модерн и стеклу Дома Фаберже в Санкт-Петербурге, Россия. Обе техники использовались в витражах , которые достигли своего пика примерно с 1000 по 1550 год, до возрождения в 19 веке.
В 19 веке произошло возрождение древних методов изготовления стекла, включая камео-стекло , достигнутое впервые со времен Римской империи, первоначально в основном для изделий в неоклассическом стиле. Движение в стиле модерн широко использовало стекло: Рене Лалик , Эмиль Галле и Даум из Нанси в первой французской волне движения создавали цветные вазы и подобные предметы, часто в технике камео или блестящего стекла . [145]
Луи Комфорт Тиффани в Америке специализировался на витражах , как светских, так и религиозных, на панелях и своих знаменитых лампах. В начале 20 века началось крупномасштабное фабричное производство изделий из стекла такими фирмами, как Waterford и Lalique . Небольшие студии могут создавать произведения искусства из стекла вручную. Техники создания произведений искусства из стекла включают выдувание , литье в печи, плавление, оплавление, pâte de verre , обработку пламенем, горячую лепку и холодную обработку. Холодная работа включает в себя традиционную работу с витражами и другие методы придания формы стеклу при комнатной температуре. Объекты, сделанные из стекла, включают сосуды, пресс-папье , мрамор , бусы , скульптуры и инсталляции . [146]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )