124348 (Свойства стекла), страница 2

Физические свойства стекла зависят от его химического состава, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определенной точки плавления. Оно переходит в жидкое состояние постепенно, становясь мягче при повышении температуры.

Часто применяют термин «температура размягчения» стекла. По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама по себе эта величина довольно неопределенна.

Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.

Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление их течению—перемещению одного слоя относительно другого — под действием внешних сил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость — понятие, обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10^е микропуаз или 1П= 1 дн-с/см = = I г/ = 10² сП = 10⁶ мкП. В единицах измерения СИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.

Вячкость стекла в обычных условиях равна Ю¹³—10^ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делается более мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловой обработке.

Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 10³ до 10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800—1100 °С и вязкости 10⁴—4 -10³ П.

При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при которой вязкость стекла достигает 10¹³П, называется температурой стеклования.

Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость — температура» стекла делят на «длинные» и «короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла — свинцовые, № 23, молибденовые и др.; к «коротким» — стекла типа «пирекс». Самым «коротким» стеклом является кварцевое.

При быстром изменении температуры в стекле возникают неравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с температурой на 20—30 С ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.

Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а следовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться за счет сил, которые называют силами поверхностного натяжения. Чтобы увеличить поверхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный к единице поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают о. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ — в ньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ■ Ю-³ Н/м. Поверхностное натяжение стекла равно 220— —380 дин/см и зависит от его химического состава. При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора — снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.

Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.

3. Механические свойства

Плотность. Плотность определяется отношением массы тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр, в СИ — в килограммах на кубический метр: 1 г/см³ = 1-Ю³ кг/м³. Плотность стекла з, при котором тела теряют способность быть упругими.

Потеря упругости у разных материалов проявляется по-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называются пластичными, вторые — хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.

Хрупкость. Хрупкость — состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность его поцарапана.

Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие материалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.

В зависимости от состава стекла делятся на тугоплавкие и легкоплавкие. При работе первые приходится нагревать до ~1800°С и применять специальные паяльные горелки с подачей воздуха и даже кислорода в пламя, для обработки вторых иногда достаточно температуры пламени обычной газовой горелки.

Твердость. Твердость — сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям. Обычно она оценивается сопротивлением вдавливанию индикатора. Существует также шкала твердости, предложенная Моосом и названная его именем. Эта шкала составлена из ряда материалов, которые расположены по увеличению твердости, причем каждый последующий царапает предыдущий. В этой шкале каждый минерал имеет свой номер, характеризующий его относительную твердость. Самый твердый из них — алмаз — имеет № 10, корунд— № 9. Твердость всех других материалов оценивается в сравнении с твердостью десяти эталонных минералов. Стекло по шкале Мооса обладает твердостью 5—7, т. е. это весьма твердый материал.

Наиболее твердыми являются кварцевые стекла и стекла типа пирекс».

Прочность при сжатии и при растяжении. Прочность — сопротивление материала разрушению. Она характеризуется пределом прочности, который определяется наименьшим усилием, действующим на единицу площади, вызывающим разрушение материала. В единицах СГС эта величина измеряется в динах на квадратный сантиметр, в единицах СИ —в паскалях: 1дин/см² = 0,1 Па.

Предел прочности при сжатии определяется силой сжатия, пре-тел прочности при растяжении — силой растяжения.

Стекло довольно прочный материал, причем его прочность зависит от состава и метода обработки. Прочность при сжатии стекол разного вида находится в пределах от 5 до 200 кГ/мм², т. е. от 1,9-10" до 19,6-10⁹ дин/см² или 4,9-10⁸— 19,6-10⁸ Па. Чтобы попять, насколько прочно стекло, можно для сравнения привести значение прочности при сжатии чугуна 60-т-120 кГ/мм² и стали 200 кГ/мм².

Предел прочности стекла при растяжении в 15—20 раз меньше предела прочности при сжатии и составляет 3,5—10 кГ/мм².

Прочность при изгибе. При изгибе стекло испытывает действие и растягивающих, и сжимающих сил. Прочность стекла при изгибе определяют, положив свободно концы стеклянного стержня па две опоры и постепенно повышая нагрузку в середине его вплоть до разрушения стержня. Прочность стекла при изгибе меньше прочности при растяжении, поэтому участки в местах изгибов трубок и отделки дна заготовок должны быть утолщены.

4. Термические свойства

Часто пригодность стекол для изготовления того или иного прибора, работающего в определенном интервале температур, оценивают по термическим свойствам стекол: теплоемкости, теплопроводности, термическому расширению и термостойкости.

Теплоемкость. Теплоемкость материала равна отношению количества теплоты, сообщенной ему, к происшедшему при этом изменению температуры материала.

Р

Таблица 3. Физические свойства некоторых химико-лабораторных и электровакуумных стекол,

от наличия в стекле включений инородных тел, трещин, пузырь­ков воздуха, царапин, т. е. пороков, размера и формы изделий. Хорошо отожженное стекло более термостойко, нежели напряжен­ное стекло. К наиболее термостойким стеклам относятся прежде всего кварцевые стекла и стекла типа «пирекс».

5. Оптические свойства

Оптическим стеклом называют однородное, прозрачное, бес­цветное или специально окрашенное неорганическое стекло.

Оптические свойства характеризуются показателем преломле­ния и коэффициентом дисперсии стекла. Подробно со свойствами оптических стекол можно познакомиться, прочитав специальную литературу.

Марка стекла	Температура отжига, °С	Температура размягчения. °С	Коэффициент термического расширения*	Показа­тель пре­ломления	Плотность **■ г/см'
№ 23	567	602	93 ■ Ю-7	1,5145	2.50
■>Л-м (ХУ-1)	570	600	92- 10"7	—	—
X» 29	540	603	86- 10""7	1,5145	2,54
лм-к	550	597	92- 10~7	1,5145	2,49
П-15 (пирекс)	560	620	29 ■ 10~7	1,4875	2,25
ДГ-2	550	635	50- Ю-7	1,4875	2,43
С5-1 (кварцевое)	—	1250	5,8 - 10"7	—	2,2
С40-1 (ЗС-11)	520—385	620	40- 10~7	—	2,2
С48-1 (ЗС-8)	500-360	555	48- 10~7	—	2,55
С49-1 (ЗС-5)	540-510	580	49- 10-7	—	2,29
С49-2 (ЗС-5К)	535—410	585	49 - Ю-7	—	2,29
С50-1	575—430	620	50 • Ю-7	—
С50-2	—

азличают удельную и мольную теплоемкость.

Удельная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы материала, чтобы его температура изменялась на 1К, мольная теплоемкость — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 моль вещества для изменения его температуры также на IK. В единицах, основанных на калориях, удельная теплоемкость измеряется в кал/ пли в ккал/, в единицах системы СГС — в эрг/, в единицах СИ —в Дж/; 1 кал/ = = 1 ккал/ = 4,1868-10⁷ = 4,1868- 10³Дж/.

Удельная теплоемкость стекла равна 0,08—0,25 кал/, или 334,9—1004,8 Дж/ и зависит от его химического состава. Чем больше стекло содержит окислов тяжелых металлов, например ВаО, РЬО, тем хуже теплоемкость стекла и тем больше потребуется тепла, чтобы нагреть стекло до заданной температуры. Стекла, в состав которых входят окислы легких металлов, например LbO, обладают большей удельной теплоемкостью.

Теплопроводность. Способность материала проводить тепло, т. е. его теплопроводность, оценивается коэффициентом теплопроводности, который численно равен количеству тепла, переносимому на определенное расстояние через единицу поверхности сечения за единицу времени при разности температур в 1 К. Коэффициент теплопроводности измеряется в кал/ или в СГС —в эрг/, а в СИ —в Вт/: 1 кал/ = 4,1868-10⁷ эрг/ == 4,1868-10² Вт/.

Стекло плохо проводит тепло, его коэффициент теплопроводности равен 0,0017—0,0032 кал/ или 7—14 Вт/. Нагретые стекла очень медленно остывают, о чем следует помнить при обработке стекла. Кроме того, вследствие малой теплопроводности стекла при формовке из него деталей и пайке на довольно небольших участках стеклянных изделий создается большой перепад температуры, а следовательно, в стекле возникают внутренние напряжения и хрупкость его значительно увеличивается.

Тепловое расширение. Все твердые тела при нагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме. Стекло является изотропным материалом — при нагревании оно изменяется в объеме во всех направлениях одинаково.

Тепловое расширение обычно характеризуют коэффициентом теплового расширения. Под коэффициентом теплового расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1К, отнесенное к длине образца до нагревания.

При выполнении стеклодувных работ это свойство стекла следует учитывать. Например, нельзя спаивать стекла, значительно различающиеся коэффициентами термического расширения, так как спай при охлаждении обязательно треснет. Особенно важно правильно подбирать стекло, если его надо спаять с металлом'. В таблице 3 приведены значения коэффициентов термического расширения и других физических характеристик некоторых стекол, применяемых в стеклодувных работах.

Термостойкость. Способность вещества, не растрескиваясь, выдерживать резкие температурные перепады называется термостойкостью. Термостойкость стекла в основном зависит от значения коэффициента термического расширения.

6. Электрические свойства

Стекло при обычных условиях, т. е. в твердом состоянии, является изолятором, и эта его особенность широко используется. Например, металлические контакты — вводы — в приборах впаивают непосредственно в стекло. Однако в расплавленном состоянии стекло проводит электрический ток. При повышении температуры по мере размягчения стекла электрическое сопротивление его уменьшается, причем у разных стекол по-разному. Наибольшим электрическим сопротивлением обладают стекла с небольшим содержанием ионов щелочных металлов, а также стекла, содержащие малоподвижные ионы.