Классификация стекол по составу

Согласно определению Комиссии по терминологии АН СССР (1932г.) «стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаж­дения расплава независимо от их состава и температурной области за­твердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вяз­кости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым».

Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут нахо­диться вещества, принадлежащие к разным классам химических соеди­нений.

Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, — находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению ор­ганические стекла существенно отличаются от неорганических и состав­ляют особый объект изучения.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением сили­катных стекол, основывающихся на системе Na₂O—СаО—SiO₂. Только во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-силикатные стекла составляют небольшую часть безграничного мира неоргани­ческих стекол.

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, метал­лические, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов — сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Положение стеклообразующих элементов в периодической системе показано на рис. 4.1.

Стеклообразные - серу и селен, удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк — методом сублимации в вакууме; фос­фор—при нагревании до 250°С под давлением более 100 МПа; угле­род—в результате длительного пиролиза органических смол. Промыш­ленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами, превосходящими свойства кристаллических модификации углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700°С, имеет низкую плотность порядка 1500 кг/м³, обладает высокой механи­ческой прочностью, электропроводностью, химически устойчив.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего ком­понента BeF₂. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол со­держат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентге­новские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый во­дород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа As—J (где Z—S, Se, Te), Ge—As—X, Ge—Sb—X, Qe—P—X и др. Халь­когенидные стекла имеют высокую прозрачность в ИК-области спектра, обладают электронной проводимостью, обнаруживают внутренний фото­эффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в электронно-вычислительных машинах в качестве переключа­телей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные стекла представляют собой обширный класс соединении. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO₂, GeO₂, ВгО₃, P₂O₅.

Большая группа оксидов — TeO₂, TiО₂, SeО₂, WO₂, BiO₅,

Рис. 4.1. Область стеклообразования в системе Na₂O—CaO— SiО₂ (а) и диаграм­ма состояния части тройной системы (по Морею) (б), имею­щая значение для технологии стекла

1-граница области стек­лообразования; 2 - об­ласть составов промыш­ленных стекол; 3 - со­ставы древних стекол (Египет, Ближний Во­сток); Э - эвтектика; Д – состав девитрита Na₂О-3Ca0; Р- состав растворимого стекла Na₂O-2,25SiО₂

Например, легко образуются стекла в систе­мах CaO—Al₂O₅, СаО—МgО₃—ВаО₃, P₅O₅—Ws.

Каждый из стеклообразующих оксидов может образовать стекла в комбинации с промежуточными или модифицирующими оксидами. Стек­ла получают названия по виду стеклообразующего оксида: силикатные, боратные, фосфатные, германатные и т.д. Практическое значение име­ют стекла простых и сложных составов, принадлежащие к силикатным, боратным, боросиликатным, фосфатным, германатным, алюминатным, молибдатным, вольфраматным и другим системам.

Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

Важнейшее достоинство стекольной технологии состоит в том, что она позволяет получать в твердом состоянии вещества с нестехиометрическим соотношением компонентов, которые не существуют в кристалличе­ском состоянии. Более того, свойства стекол удается плавно регулиро­вать в нужном направлении путем постепенного изменения состава.

Стекла, полученные на основе нитратных, сульфатных и карбонат­ных соединений, в настоящее время представляют научный интерес, но практического применения пока не имеют.

Традиционная технология получения стекол включает переохлажде­ние расплава до твердого состояния без кристаллизации. На этом спо­собе основана мировая промышленная технология производства стекла.

Создание технических устройств, позволяющих отводить тепло с бо­лее высокой скоростью, расширяет число веществ, которые удается по­лучить в стеклообразном состоянии путем охлаждения расплава. Сверх­высокие скорости переохлаждения порядка нескольких миллионов гра­дусов в 1 с позволяют фиксировать в стеклообразном состоянии сплавы металлов (например, в системе Fe—Mi—В—Р).

Промышленное значение приобретают способы получения стекол пу­тем вакуумного испарения, конденсации из паровой фазы, плазменного напыления. В этих случаях стекло удается получить из газовой фазы, минуя расплавленное состояние.

Облучение кристаллов частицами высоких энергий или воздействие на них ударной волны приводит к неупорядоченному смещению частиц из положений равновесия и, таким образом, к аморфизации структуры, в результате чего твердые кристаллические вещества могут быть пере­ведены в стеклообразное состояние, минуя стадию плавления.

5. СТЕКЛЯННОЕ ВОЛОКНО