СТЕКЛО́ НЕОРГАНИ́ЧЕСКОЕ
-
Рубрика: Химия
-
Скопировать библиографическую ссылку:
СТЕКЛО́ НЕОРГАНИ́ЧЕСКОЕ, твёрдый аморфный материал, получаемый переохлаждением расплавов, содержащих склонный к переохлаждению и переходу в стеклообразное состояние компонент (т. н. стеклообразующий) – оксид (SiO2, В2О3, Р2О5, GeO2 и др.), галогенид (в осн. BeF2, ZrF4 или BaF2), халькогенид (As2S3, As2Se3, As2Te3, Sb2Se3, Tl2Se и др.). В состав пром. С. н. входят также добавки, регулирующие свойства или упрощающие технологию переработки. С. н. получили наибольшее распространение среди стёкол. Оксидные С. н. называют по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные, германатные и т. д. Среди однокомпонентных С. н. наибольшее значение имеет силикатное кварцевое стекло, из бинарных – щёлочносиликатное стекло растворимое, среди многокомпонентных – щёлочносиликатное, содержащее оксиды Ca, Al, Mg.
С. н. характеризуется высокой оптич. прозрачностью в разл. областях спектра, способно к поглощению, преломлению (показатель преломления 1,27–2,2), рассеянию и отражению излучения видимой, УФ-, ИК- и рентгеновской областей спектра, некоторым С. н. свойственны фоточувствительность, фотоупругость, способность к люминесценции. Неокрашенные оксидные С. н. отличаются очень высоким светопропусканием в видимой части спектра (до 99%), но малопрозрачны для ИК- и практически не пропускают УФ-лучи. Наиболее высоким светопропусканием в ИК-области обладают алюмофосфатные и халькогенидные С. н. (последние непрозрачны в УФ- и видимой областях), повышенным – С. н. на основе SiO2. С. н. на основе фторидов Zr и Ва прозрачны в видимой и ИК-областях спектра. УФ-лучи интенсивно поглощают С. н., содержащие оксиды Pb, Fe, Ti, рентгеновские и γ-лучи – С. н. с высоким содержанием оксидов Рb, Ва; тепловые нейтроны – С. н. с высоким содержанием оксидов Cd, B. Галогенидные С. н. на основе BeF2 отличаются высокой устойчивостью к действию жёстких излучений. Высокой рентгенопрозрачностью характеризуются боратные стёкла с высоким содержанием оксидов Li и Be. Повышенной радиационно-оптич. стойкостью отличаются С. н., содержащие оксид Ce. Избират. светопоглощение в видимой области имеют цветные С. н. (жёлтую окраску С. н. придают добавки СrО3, NiO, Fe2O3, зелёную – Сr2О3 и СuО, синюю – СuО, СоО, фиолетовую – NiO, Мn2О3, розовую – СоО, МnО, коричневую – Fe2O3, FeS, Ti2O3, красно-рубиновую – коллоидные Сu или Аu). Многокомпонентные С. н. на силикатной и фосфатной основе с добавками Nd обладают свойствами активного материала для лазеров. Введение соединений Ag, Au или Cu в некоторые С. н. позволяет получать светочувствительные материалы.
Плотность пром. С. н. 2200–8000 кг/м3 (низкие значения плотности характерны для боратных и боросиликатных С. н., высокие – для С. н., содержащих РbО); вязкость в твёрдом состоянии 1018 Па·с, в расплаве 10–100 Па·с; поверхностное натяжение 0,15–0,47 Н/м при 1000–1400 °С. С. н. – хрупкий материал, не обладающий пластич. деформацией, чувствительный к механич. воздействиям, особенно ударным. Модуль упругости С. н. 44,2–87,2 ГПа (наибольшее значение – для малощелочных алюмосиликатных С. н. с высоким содержанием оксидов Be, Mg и Ca, наименьшее – для боро- и свинцовосиликатных С. н. с высоким содержанием оксидов В и Рb). Ударная вязкость силикатных С. н. 1,5–2,0 кН/м, сопротивление сжатию 0,5–2,5 ГПа (такое же, как у чугуна), прочность на изгиб 30–120 МПа. Упрочняют С. н. методами, способствующими созданию поверхностных сжимающих напряжений (отжиг, термич. закалка, химич. упрочнение), прочность закалённого С. н. в 4–6 раз превышает прочность отожжённого. Химич. способы упрочнения – обработка поверхности С. н. газовыми реагентами (напр., SO3), ионный обмен (обработка поверхности в расплавах солей щелочных металлов), поверхностная кристаллизация, нанесение полимерных и др. покрытий. Возможно упрочнение травлением – путём удаления дефектов при обработке поверхности С. н. разл. химич. реагентами (напр., предел прочности при изгибе для пром. листового С. н. после действия фтороводородной кислоты 500–600 МПа).
С. н. устойчивы к действию воды, кислот (кроме HF и Н3РО4), растворов нейтральных и кислых солей. Корродирующее действие на С. н. оказывают щёлочи, растворы щелочных карбонатов. Наибольшей химич. стойкостью обладают кварцевое, боросиликатное и алюмосиликатное С. н. Химич. стойкость С. н. существенно возрастает при введении в состав оксидов Ti, Zr, Nb, Та, Sn. Стойкость С. н. к щелочным реагентам повышают путём спец. обработки или защиты поверхности плёнками кремнийорганич. соединений, фторидами Mg, оксидами Аl и Zn.
Термостойкость обычных силикатных С. н. 60–100 °C, пирекса (боросиликатное С. н.) – 280 °C, кварцевого стекла – ок. 1000 °C. Для силикатных С. н. коэф. теплопроводности 0,6–1,34 Вт/(м·К), удельная теплоёмкость при комнатной темп-ре 0,3–1,05 кДж/(кг·К), коэф. линейного термич. расширения от 5·10–7 (кварцевое С. н.) до 120·10–7 К–1 (свинецсодержащее С. н.).
Большая группа оксидных С. н. (силикатные, боратные, фосфатные) относится к классу диэлектриков. Удельная электропроводность при 20 °C 10–7– 10–18 См·м–1 (электропроводность оксидных С. н., как правило, возрастает с увеличением содержания катионов щелочных и щёлочноземельных металлов и с повышением темп-ры). Диэлектрич. проницаемость пром. С. н. 3,8–16,2 (самое низкое значение у кварцевого С. н. и стеклообразного В2О3). Халькогенидные С. н. обладают электронной проводимостью.
Технология пром. произ-ва С. н. включает: составление шихты из разл. оксидов и минералов (кварцевый песок или молотый кварц; В2О3 в виде буры или Н3ВО3; Р2О5 в виде фосфатов или Н3РО4; Аl2О3 в виде глинозёма, каолина, глины и др.; Na2O в виде Na2CO3; K2О в виде K2СО3 или KNO3; СаО в виде мела или известняка; ВаО в виде ВаСО3, BaSO4; MgO в виде доломита или магнезита; Li2O в виде Li2СО3, лепидолита, сподумена; РbО в виде сурика, глёта или силиката Рb) с добавлением осветлителей, красителей, восстановителей и др.; процесс стекловарения (получения однородного расплава), в т. ч. варку при 1100–1200 °C в электрич., газопламенных, газопламенных с дополнит. электроподогревом печах для образования силикатов и др. промежуточных соединений, стеклообразование при 1200–1250 °C, осветление при 1500–1600 °C для удаления из расплава газовых пузырей, гомогенизацию путём механич. перемешивания стекломассы для усреднения расплава по составу, охлаждение до достижения необходимой вязкости; формование изделий прокатом, прессованием, выдуванием, вытягиванием и др. на спец. стеклоформующих машинах; отжиг и последующую механич., термич. или химич. обработку изделий.
С. н. применяют для остекления зданий, разл. видов транспорта, изготовления зеркал и оптич. приборов (включая лазерные), ламп разл. ассортимента и назначения, осветит. аппаратуры, телевизионной техники, волоконно-оптич. линий связи, химич. аппаратуры, труб, тары, жаропрочной посуды, мед. и худож. изделий, смотровых окон электрич. печей и летат. аппаратов, защитных окон ядерных реакторов и окошек рентгеновских трубок, в произ-ве эмалей, глазурей, пеностекла, стекловолокна, стеклоцементов и пр.
К С. н. относят также стёкла, образованные простыми веществами, в т. ч. S, Se, C, P, As (т. н. элементарные стёкла, напр. стеклоуглерод), некоторыми металлами (стекло металлическое).