Стекло и плавление металла

С. называют также  отдельные группы изделий из С., например строительное С., тарное С., химико-лабораторное С. и др. Изделия из С. могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое С., характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического С. выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из С. на основе двуокиси кремния (силикатное С.); применение находят также и др. кислородные (оксидные) С., в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К бескислородным неорганическим С. относятся С. на основе халькогенидов мышьяка (As₂S₃), сурьмы (Sb₂Se₃) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д. (см. также Полупроводники аморфные). 
 

Классификация

По назначению различают:

строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются С., защищающие от ионизирующих излучений, С. индикаторов проникающей радиации, фотохромные С. с переменным светопропусканием, С., применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое С. и др. Растворимое С., содержащее около 75% 3102, 24% Na₂O и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое С.); используется как уплотняющее средство, например для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр.

Физико-химические свойства С. Свойства С. зависят от сочетания  входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство С. — прозрачность (светопрозрачность оконного С. 83—90%, а оптического стекла —до 99,95%). С. типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у С. такое же, как у чугуна.

Для повышения  прочности С. подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором  на поверхности С. происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности С. в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить прочность С. в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность С. 2200—8000 кг/м³, твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м², модуль упругости 50—85 Гн/м². Предел прочности С. при сжатии равен 0,5—2 Гн/м², при изгибе 30—90 Гн/м², при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м². Теплоёмкость С. 0,3—1 кдж/кг -К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12) 10⁹ 1/К. Коэффициент теплопроводности С. мало зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 вт/(м^. К). Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10^-8—10^-18 ом ^-1. см^-1, диэлектрическая проницаемость 3,8—16.

Технология С. производство С. состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки С., охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например SiO₂, и искусственные, например Na₂CO₃), содержащие основные (щелочные и щёлочноземельные) и кислотные окислы. Главный компонент большинства промышленных С. — кремнезём (кремния двуокись), содержание которого в С. составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевых и кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в качестве источника кремнезёма используют кварцевые стекольные пески, которые в случае необходимости обогащают. Сырьём, содержащим борный ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём вводится с полевыми шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с кальцинированной содой и поташом; щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п. Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное свойство, например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например, соединения марганца, кобальта, хрома, никеля используются как красители, церия, неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы — как обесцвечиватели и окислители, фтора, фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся в стекловаренную печь.

Процесс стекловарения  условно разделяют на несколько  стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение ("студку").

При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С.

На стадии стеклообразования  растворяются остатки шихты и  удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с  конечным этапом силикатообразования  и протекает при температуре 1150—1200 °С. Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зёрен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных С. содержится около 25% кремнезёма, химически не связанного в силикаты (только такое С. оказывается пригодным по своей химической стойкости для практического использования). Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности стекловарения.

Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически  связанных газов (СО₂, SO₂, O₂ и др.). В процессе провара шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные и мелкие пузыри.

На стадии осветления при длительной выдержке при температуре 1500—1600 °С уменьшается степень пересыщения  стекломассы газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются  на поверхность стекломассы, а малые  растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через неё пропускают сжатый воздух или др. газ.

Одновременно  с осветлением идёт гомогенизация  — усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании (наибольшее распространение эта операция получила в производстве оптического С.).

Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы ("студка") до вязкости, необходимой  для формования, что соответствует  температуре 700—1000 °С. Главное требование при "студке" — непрерывное  медленное снижение температуры  без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется т. н. вторичная мошка (мелкие пузыри).

Процесс получения  некоторых С. отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптического  кварцевого С. в электрических стекловаренных печах ведётся сначала в вакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением. Производство каждого типа С. определяется технологической нормалью.

Формование изделий  из стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу).

В результате отжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температуре размягчения  С.) и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в С. при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в С. возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с обычным С. (закалённые С. применяют для остекления автомобилей, вагонов и т.п. целей).

Историческая справка. В природе существует природное С. — перлит, обсидиан (см. Вулканическое стекло).

Появление искусственного С. обычно связывают с развитием гончарства. При обжиге на изделие из глины могла попасть смесь соды и песка, в результате чего на поверхности изделия образовалась стекловидная плёнка-глазурь. производство С. началось в 4-м тыс. до н. э. (Древний Египет, Передняя Азия).

Первоначально получались непрозрачные С., с помощью  которых имитировали поделочные камни (малахит, бирюзу и т.д.). Постепенно состав С. менялся, количество окислов щелочных металлов с 30% (по массе) уменьшилось до 20%; в С. вводились окислы свинца и олова; для окрашивания стали добавлять соединения марганца и кобальта. Во 2-м тыс. до н. э. в Египте С. варили в глиняных горшочках — тиглях ёмкостью около 0,25 л.

Коренные изменения  в технологии стеклоделия произошли  на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоделия  — изготовление прозрачного бесцветного  С. и формование изделий выдуванием. Получение прозрачного С. стало  возможным в результате усовершенствования стекловаренных печей, что позволило повысить температуру варки и надёжно воспроизводить условия хорошего осветления стекломассы. Стеклодувная трубка, изобретённая в 1 в. до н. э., оказалась универсальным инструментом, с помощью которого стало возможным создавать простые, доступные всем предметы обихода, например посуду. Первым научным трудом по стеклоделию считают вышедшую во Флоренции в 1612 книгу монаха Антонио Нери, в которой были даны указания об использовании окислов свинца, бора и мышьяка для осветления С., приведены составы цветных С. Во 2-й половине 17 в. нем. алхимик И. Кункель опубликовал сочинение "Экспериментальное искусство стеклоделия", он же изобрёл способ получения золотого рубина. В 1615 в Англии стали применять для нагрева стеклоплавильных печей уголь, что повысило температуру в печи. С начала 17 в. во Франции был предложен способ отливки зеркальных С. на медных плитах, с последующей прокаткой; в то же время был открыт метод травления С. смесью плавикового шпата и серной кислоты, освоено производство оконного и оптического С. Существенную роль в создании основ стеклоделия сыграли русские учёные: М. В. Ломоносов, Э. Г. Лаксман, С. П. Петухов, А. К. Чугунов, Д. И. Менделеев, В. Е. Тищенко.

До конца 19 в. в стеклоделии преобладал ручной труд, и только со 2-й половины 20 в. производство всех видов массового С. (оконное, тарное и др.) было механизировано и автоматизировано, а ручные методы сохранились лишь при изготовлении художественного С. и некоторых сортовых изделий (см. также Стекольная промышленность).  

Н. М. Павлушкин.

Художественное С. включает в себя витражи, смальтовые мозаики, сосуды художественные, архитектурные детали, декоративные композиции, скульптуру (обычно малых форм), светильники, искусственные драгоценности (бижутерия). В древнем мире производство С. было особенно развито в Египте (эпоха Птолемеев, 4—1 вв. до н. э.), Сирии, Финикии, Китае. Как правило, в искусстве древнего мира изделия из С. (небольшие вазочки, чаши, блюдца, бусы, серьги, амулеты, печати) изготовлялись посредством прессования в открытых глиняных формах или путём навивания стекломассы на палочку; такое С. обычно было непрозрачным, а по цвету — зелёным, голубым, бирюзовым. Изобретение способа свободного выдувания С. с помощью трубки, а также повышение температуры его варки дали эллинистическим и древнеримским мастерам возможность получать тонкостенные (иногда двухслойные) более прозрачные и однородные по массе изделия относительно крупных размеров.