Стекло: состав, строение, свойства

Структура стекла

Стекло может быть сформировано естественным путем - например, при попадании молнии в песок или в вулкане. Строение стекла до сиx пор окончательно не установлено. Имеются расхождения между его основной массой и поверхностным слоем.

Это обусловлено тем, что различные виды стекол обладают разным составом, кроме того, на его структуру оказывает влияние технологический процесс.

Строение стекла подразумевает описание тесно связанных, но рассматриваемых отдельной друг от друга двух аспектов - геометрии взаимного расположения ионов и атомов и характер химических связей между образующими стекло частицами. Структура стекла соответствует структуре жидкости в интервале стеклования. Таким образом, вопросы, которые касаются строения стеклообразующих расплавов тесно связаны с друг другом. Развитие представления о строении стекла происходит благодаря гипотезам и объясняющим экспериментам, а также теориям, которые оформляются математически и предполагающие количественную проверку во время экспериментов.

Состав стекла

По составу существуют следующие главные виды стекла: калийно-свинцовые, калийно-известковые и содово-известковые. Стекло обладает свойствами сверхвязкой жидкости и твердого тела. Особенность стекла заключается в том, что оно может переходить из жидкого состояния в стеклообразное, без потери полезных свойств. Его вязкость настолько высока, при комнатной температуре может не проявляться сотни лет. По химическому составу различают следующие виды стекол:

1. Оксидные. Такой состав характерен для фосфатных и силикатных стекол. Оксидные стекла обладают хорошей защитой от химического воздействия и высокой пропускаемостью света. Оксидный состав также присущ боросиликатным и германатным стеклам.
2. Фторидные. Фторидными изготавливаются половолоконные системы передачи данных, потому что они обладают защитой от радиации, расширенным спектральным коэффициентом пропускания и высокой чувствительностью. Фторидные стекла также используются в медицинском оборудования, например, лазерах.
3. Сульфидные. Данный вид стекол используется в производстве посуды и декора.

Основой состава любого стекла является диоксид кремния. При промышленном производстве стекла примеси в песке не должны превышать 2 %, так как это влияет на прозрачность готового изделия. В состав стекла могут добавлять разнообразные оксиды щелочных металлов. Например, при изготовлении оптических приборов добавляются алюминий, барий, бор, а при производстве оконных стекол могут быть добавлены оксиды натрия, кальция или алюминия. В качестве веществ, которые придают стеклу дополнительные особые свойства, может быть использован оксид бария, способствующий увеличению устойчивости стекла к высоким температурам. Дополнительными веществами в составе стекла могут быть обесцвечиватели, рассеиватели света, красители, осветители и металлы - титан, платина, железо, вольфрам или молибден.

Свойства стекла

К самым важным свойствам стекла относятся:

1. Плотность. Данный показатель зависит от химического состава стекла и может составлять от 2,2 до 7,5 грамм на кубический сантиметр. В некоторой степени плотность стекла также зависит от температуры, с ее увеличением она становится меньше.
2. Прочность. Прочность стекла заключается в его способности сопротивляться проникновению более твердого вещества. Прочность большинства стекол составляет 7 по шкале Мооса, у некоторых видов стекла данный показатель находится в диапазоне от 5 до 6 по шкале Мооса.
3. Теплопроводность. Под теплопроводностью подразумевается способность стекла проводить тепло без перемещения вещества. Коэффициент теплопроводности стекла составляет от 0,0017 до 0,032. Например, у оконных стекло теплопроводность около 0,0023.
4. Тепловое расширение. Тепловое расширение стекла представляет собой способность увеличивать свои линейные размеры при нагревании, у стекла данный показатель незначителен.
5. Термическая устойчивость. Данный показатель включается в способности стекла выдерживать резкое изменение температуры без разрушения. Это свойство играет важную роль в строительных работах. Термическая устойчивость стекла составляет около 80 - 90 градусов по Цельсию. Во много данное свойство зависит от химического состава стекла, например, кварцевое стекло способно выдерживать перепад температур до 1000 градусов по Цельсию.
6. Оптические свойства. К данным свойствам относятся преломление и отражение света, светопрозрачность и светопоглощение. Поглощение света стеклом невелико, например, у оконных стекол оно равняется 88 %. Чтобы получить стекло с высокой степенью прозрачности сырье для его производства должно максимально очищаться от примесей.