Физико-химические свойства и характеристики стекол

Вязкость

Вязкость является основным свойством стеклообразующего расплава. Вязкость характеризует внутреннее трение, возникающее при перемещении одного слоя расплава относительно другого. Вязкость выражается силой (на единицу площади соприкосновения двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Единица измерения вязкости Па.с. Вязкость имеет важное значение для технологических процессов получения стекла и изделий из него. Вязкость расплава во многом определяет скорости варки, осветления и гомогенизации стекла. Скорость растворения и химического взаимодействия компонентов в расплаве и диффузионных процессов тем больше, чем меньше вязкость стекломассы. Скорость осветления, которая выражается скоростью подъема газовых пузырей, также увеличивается с уменьшением вязкости. Широкий диапазон изменения вязкости обеспечивает возможность формования стекла различными способами. С вязкостью связаны процессы термической обработки стеклоизделий. При отжиге вязкость определяет скорость снятия внутренних напряжений. При закалке быстрое возрастание вязкости “замораживает” определенное распределение напряжений и изделие приобретает повышенную прочность.
Важнейшей технологической характеристикой является зависимость вязкости стекла от температуры. Характер изменения вязкости стекла при изменении температуры служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термообработки.
Как известно, по характеру температурной зависимости вязкости стекла различного химического состава можно разделить на “длинные” и “короткие”. При одинаковых рабочих интервалах вязкости температурные интервалы формования для этих стекол будут различными: для “длинных” стекол — большими, для “коротких” — меньшими (рис. 1.1 а).
Пусть рабочий интервал вязкости для принятого способа формования равен h1–h2. Температурный интервал формования стекла 1 больше, чем стекла 2. При одной и той же температуре начала формования стекло 2 быстрее достигнет вязкости, соответствующей концу формования. Следовательно, стекло 2 “короче”, чем стекло 1, что выражается в более крутом ходе температурной зависимости вязкости. Примером “длинного” стекла может служить свинцовый хрусталь, примером “короткого” — тарное стекло.
Из всех физико-химических свойств стекла вязкость особенно сильно зависит от его химического состава.
К оксидам, повышающим вязкость стекла, относят кремнезем, оксиды алюминия и циркония; к оксидам, понижающим вязкость, — оксиды натрия, калия, лития, свинца, бария. Часто, особенно при высоких температурах, понижает вязкость стекла оксид цинка. Оксид магния повышает вязкость стекла, но слабее, чем, например, оксид алюминия. Весьма сложно влияют на вязкость борный ангидрид и оксид кальция. Борный ангидрид значительно понижает вязкость стекла при высоких температурах; при низких температурах при введении приблизительно до 15% В2О3 вязкость стекол повышается, и только при дальнейшем увеличении содержания В2О3 она уменьшается.
Оксид кальция при низких температурах повышает вязкость стекла; при высоких температурах небольшое его количество (до 8-10%) снижает вязкость стекла, при дальнейшем увеличении содержания оксида кальция вязкость стекла возрастает. При замене оксида кальция оксидом магния вязкость стекла при высоких температурах увеличивается.
Скорость твердения стекла характеризуется изменением вязкости во времени:

где: h — вязкость; t — температура; T — время
Таким образом скорость твердения определяется изменением вязкости с температурой и изменением температуры со временем (т.е. скоростью охлаждения). Изменение вязкости при изменении температуры связано с химическим составом стекла: оксиды, повышающие вязкость, как правило, повышают скорость твердения и наоборот.
Скорость охлаждения стекла зависит как от физических свойств стекла, так и от условий охлаждения. На рис. 1.1 б представлены кривые твердения двух стекол, температурная зависимость вязкости которых изображена на рис. 1.1 а (условия охлаждения одинаковы). Из рис. 1.1 б видно, что время прохождения рабочего интервала вязкости различно. Для “короткого” стекла 2 это время меньше, чем для “длинного” стекла 1.
При массовом производстве, особенно на машинах, стекло на разных стадиях процесса должно затвердевать с различной скоростью. При формовании выдувных изделий большая скорость твердения стекла ускоряет процесс, но она также может привести к ухудшению качества изделия, к неравномерному распределению стекла в изделии.
При одинаковых условиях охлаждения на скорость и равномерность твердения окрашенных стекол большое влияние оказывает теплопрозрачность (пропускание в инфракрасной области спектра). Чем меньше теплопрозрачность стекол, тем неравномернее они охлаждаются и твердеют: быстрее с поверхности и медленнее внутри. Это затрудняет формование изделий. Неравномерность твердения увеличивают такие окрашивающие оксиды, как FеО, СоО, NO, которые значительно снижают теплопрозрачность стекломассы.

Рис. 1.1. Изменение вязкости “длинных” и “коротких” стекол:
а — при изменении температуры; б — при твердении

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение характеризует работу образования единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре. Единица измерения поверхностного натяжения Дж/м2 или Н/м.
Поверхностное натяжение выступает как основной фактор при образовании новой фазы. Действие поверхностной энергии возрастает обратно пропорционально размерам участков новообразований (кристалликов, капель, пузырьков).
При образовании пузырей в стекломассе величина их зависит от поверхностного натяжения стекломассы на границе с газовой фазой. Вероятность растворения в стекломассе стекловидных включений (свилей) зависит от соотношения поверхностных натяжений расплава и свилей. Если поверхностное натяжение свилей больше поверхностного натяжения основного стекла (глиноземистые свили), то растворение свилей сильно затруднено. Если поверхностное натяжение свилей меньше (кремнеземистые свили), то они легко растворяются в основном расплаве.
Значительна роль поверхностных сил при расслоении (ликвации). Ликвация практически определяется соотношением между поверхностными натяжениями ликвирующих фаз. Примерами ликвации могут служить некоторые виды глушеных стекол, образование сульфатного щелока (расплава Nа2SО4) при варке тарного стекла.
Поверхностное натяжение оказывает большое влияние на скорость разрушения огнеупоров стекловаренной печи. Проникновение расплава в огнеупор увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения. При этом улучшается смачивание огнеупора, увеличивается действие на него капиллярных сил.
Поверхностное натяжение является одним из факторов формообразования изделий. Влияние поверхностных сил на процесс формования возрастает с уменьшением вязкости стекла и размеров формуемых изделий или их частей. Поверхностное натяжение позволяет без применения формующих поверхностей получить баночку, т.е. толстостенный сферический пузырь из вязкой стекломассы. Это первичная заготовка для многих изделий, выдуваемых вручную с помощью стеклодувной трубки. Под действием поверхностного натяжения из порошка стекла формуются микрошарики в пламени высокотемпературной горелки.
Поверхностное натяжение является определяющим фактором таких процессов, как термическое полирование поверхности, оплавление края изделий. С действием поверхностного натяжения связаны явления смачивания, адсорбции, действия капиллярных сил.
Поверхностное натяжение расплавленных стекол при температуре 1000-1400 °С составляет 0,2-0,38 Дж/м2. Изменение поверхностного натяжения при изменении температуры незначительно (1-3% на каждые 100 °С).
Основные оксиды, входящие в состав стекла, не оказывают существенного влияния на поверхностное натяжение. Следует отметить, что повышают поверхностное натяжение Аl2О3, МgО, ZrО2, понижают В2О3, РbО, Р2О5. Существенно (до 30%) снижают поверхностное натяжение поверхностно-активные компоненты, к которым относятся V2О5, WО3, МоО3, Аs2О3, СгО3 (Сr2О3). На поверхностное натяжение влияет газовая среда. Так присутствие полярных газов SО3, NН3, паров воды снижает поверхностное натяжение стекла.

Кристаллизационная способность

Кристаллизационную способность промышленных стекол, то есть те температурные пределы, внутри которых они могут закристаллизоваться, а также скорость этой кристаллизации необходимо знать, чтобы установить оптимальный режим варки стекла и выработки изделий, а также режим термообработки при производстве ситаллов.
Первые признаки кристаллизации стекла появляются на границе раздела фаз, вдоль свилей. Появление кристаллов первоначально на границе раздела фаз есть результат ориентирующего действия сил, существующих на этой границе. Силы ограничивают свободу движения отдельных частиц и тем самым способствуют образованию кристаллизационного центра.
Характер кристаллизации зависит от соотношения скорости образования центров кристаллизации, скорости роста кристаллов из этих центров и вязкости. Если скорость роста кристаллов достаточно большая, в стекле будут расти одиночные кристаллы или кристаллические сферолиты. Наоборот, если линейная скорость роста кристаллов мала, а скорость образования кристаллизационных центров велика, то возможно образование в массе стекла множества мелких кристаллов. Вязкость стекломассы при этом не должна быть чрезмерно высокой.
На рис. 1.2 приведены зависимости скоростей кристаллизации от степени переохлаждения. Ниже температуры плавления кристаллов находится метастабильная зона, где центры кристаллизации не образуются, но если бы они были, то могли бы расти. При температурах ниже метастабильной зоны кристаллизация зависит от скорости образования центров и скорости роста кристаллов. При дальнейшем охлаждении сильно нарастает вязкость, которая препятствует зарождению центров кристаллизации и росту кристаллов.
Чем дальше отстоят друг от друга максимумы скоростей, чем меньше скорость роста кристаллов и скорость образования центров кристаллизации, тем менее склонно стекло к кристаллизации. На рис. 1.2 заштрихована область наиболее интенсивной кристаллизации. Слева от нее могут получаться крупные кристаллы, но в малом числе (по числу центров кристаллизации), справа — очень мелкие, но многочисленные кристаллы.

Рис.1.2. Зависимости линейной скорости роста кристаллов (1), скорости образования центров кристаллизации (2) и вязкости стекла (3) от степени переохлаждения:
I — метастабильная зона переохлаждения; II — зона кристаллизации;
III — метастабильная зона высокой вязкости.

Кристаллизация стекломассы зависит в основном от следующих факторов: химического состава и вязкости стекла, вида применяемого сырья, взаимной растворимости отдельных компонентов, продолжительности выдерживания расплава при соответствующих температурах, наличия активаторов (катализаторов) кристаллизации и условий термической обработки стекла. Наиболее активно стекла кристаллизуются на границах двух фаз при температурах, соответствующих вязкости стекла 103 -104 Па.с.
Большинство промышленных стекол являются многокомпонентными. Влияние отдельных оксидов на кристаллизационную способность стекла изучено достаточно хорошо. Установлено, что замещение до 3% SiO2 на Аl2О3 в натрий-кальций-силикатном стекле, содержащем от 14 до 16% Na2О, улучшает кристаллизационные характеристики. При замещении до 5% СаО на МgО уменьшаются скорость кристаллизации и температура плавления кристаллов, а при замещении до 4% Na2О на МgО снижается скорость роста кристаллов и повышается температура их плавления.
Часто в промышленных стеклах (натрий-кальций-силикатных) в качестве первой кристаллической фазы выделяются тридимит и кристобалит, реже — волластонит или девитрит. В первом случае для снижения скорости кристаллизации стекол следует уменьшить содержание кремнезема или добавить вместо кремнезема оксид алюминия. При выделении кристаллов силиката кальция необходимо снизить в стеклах содержание СаО. В стеклах, содержащих РbО или ВаО, при кристаллизации выделяются кристобалит, силикаты свинца или бария. Фториды, как правило, повышают кристаллизационную способность стекол, легко кристаллизуются также фосфатные стекла. Для предотвращения кристаллизации стекол необходимо обеспечить быстрое прохождение температурного и вязкостного интервалов кристаллизации (1000-1200°С), ликвидацию застойных зон с опасной температурой, поддержание в выработочных устройствах температур, более высоких, чем температура кристаллизации. Методы определения кристаллизационной способности достаточно хорошо разработаны и могут быть успешно освоены на стекольных заводах.

Электрические свойства и характеристики

К этой группе свойств относятся электрическая проводимость и диэлектрические характеристики. Электрическая проводимость стекломассы имеет решающее значение для электрической варки стекол. Диэлектрические характеристики имеют важное значение при эксплуатации изделий из стекла (изоляторов, элементов микроэлектронных схем и т.п.).

Электрическая проводимость. Электрическая проводимость стекломассы характеризуется удельной проводимостью, обратной по величине удельному электрическому сопротивлению: c = 1/r
Единица измерения удельного электрического сопротивления Ом.м, удельной электрической проводимости 1/(Ом*м) или См/м. Удельное сопротивление и электрическая проводимость стекла резко изменяются с изменением температуры. При комнатной температуре удельное сопротивление натрий-кальций-силикатного стекла равно 10₍₁₁₎-10₍₁₃₎ Ом.м, а в расплавленном состоянии (при температуре варки) оно снижается до 0,001-0,1 Ом.м. Удельное сопротивление расплавленных стекол при температурах варки, осветления и выработки определяет технологию электроподогрева и электрической варки стекла, конструкцию и размеры электропечи, а также выбор электрооборудования.
Стекломасса является ионным проводником. Переносчиками электрического тока служат главным образом ионы щелочных металлов. В табл. 1.1 приведены данные по удельному электрическому сопротивлению промышленных стекол.
Удельное электрическое сопротивление снижается с ростом содержания щелочных оксидов (Na2О, К2О), причем при увеличении оксида натрия оно снижается в большей степени, чем при увеличении оксида калия. Введение в состав стекла оксидов двухвалентных металлов повышает удельное электрическое сопротивление. Особенно большое влияние оказывают РbО, ВаО, СаО. При одновременном присутствии в составе стекла двух оксидов щелочных металлов, например Na2О и К2О, удельное электрическое сопротивление повышается по сравнению с удельным электрическим сопротивлением стекол, содержащих только один щелочной оксид (эффект двух щелочей).

Диэлектрические характеристики. Силикатные стекла при температурах ниже Тg являются диэлектриками. В электрическом поле в диэлектриках происходит поляризация, т.е. локальное пространственное перераспределение зарядов.
Диэлектрические свойства стекла имеют важное значение для ряда отраслей промышленности, особенно для электротехники, микроэлектроники и характеризуются диэлектрической проницаемостью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью.

Диэлектрическая проницаемость количественно характеризует поляризацию диэлектрика и определяется отношением емкостей вакуумного конденсатора и конденсатора с диэлектриком (безразмерная величина).
Диэлектрическая проницаемость стекол зависит от их состава, изменяясь для силикатных стекол от 3,81 (для кварцевого стекла) до 16,2 (для стекол с содержанием оксидов тяжелых металлов до 80%). Она возрастает с увеличением в составе стекла оксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Для обычных промышленных стекол диэлектрическая проницаемость находится в пределах 5-7.

Диэлектрические потери характеризуют долю энергии переменного электрического поля, превратившуюся в тепловую в объеме диэлектрика. Диэлектрические потери стекла характеризуются значением тангенса угла, связанного со сдвигом фаз напряженности электрического поля и электрической индукции.
Химический состав влияет на диэлектрические потери так же, как и на электропроводность. Кварцевое стекло имеет очень малые потери (tg d = 0,0002), а стекла, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов — более высокие (tg d = 0,009). Закаленное стекло имеет диэлектрические потери в два раза больше, чем отожженное стекло.
Кристаллизация стекла приводит обычно к снижению его диэлектрических потерь, особенно когда щелочные ионы входят в состав кристаллической фазы.

Электрическая прочность характеризует способность диэлектрика выдерживать действие высокого напряжения без разрушения и ухудшения диэлектрических характеристик. Электрическая прочность оценивается обычно величиной пробивного напряжения (Uпр), отнесенной к толщине диэлектрика в месте пробоя (размерность — кВ/м). Для обычных промышленных стекол Uпр составляет (1,6-6,4) x 104 кВ/м, кварцевого стекла — 2-4 x 104 кВ/м. Электрическая прочность очень важна для изоляторов высоковольтных линий передачи электроэнергии. Поэтому для изготовления изоляторов применяют алюмосиликатные малощелочные стекла, обладающие высокой электрической прочностью.

Таблица 1.1. Удельное электрическое сопротивление промышленных стекол.

Бутылочное зеленое стекло				Свинцовый хрусталь
Оксид	Содержание, %	t, °С	r, Ом*м	Оксид	Содержание, %	t, °С	r, Ом*м
SiO2	70,7	1000	0,152	SiO2	57	900	0,56
Al2O3	4	1120	0,09	PbO	24	1000	0,27
Fе2O3	0,65	1220	0,066	Na2О	1	1100	0,135
СаО	6,5	1300	0,0526	K2О	16	1200	0,095
МgО	3,5	1350 1400	0,0476 0,0433	ZnO	1	1300	0,064
Na2О	14,5	1450	0,039	B2O3	1	1380 1430	0,05 0,044
Cr2O3	0,15

Плотность

Плотность характеризует количественное содержание массы вещества в единице объема. Плотность стекол в основном зависит от их состава и в меньшей мере от теплового прошлого. Плотность промышленных стекол, кг/м3, дана ниже.

Промышленные стекла	кг/м3
Кварцевое стекло	2202 ± 5
Бесцветные и цветные натрий-кальций-силикатные	2480-2530
Свинцовые хрустали с содержанием РbО, %
4-12	2400-2700
12-30	2700-3200
Оптические стекла	2300-5200

При повышении температуры от 20 до 1300 °С плотность большинства технических стекол уменьшается на 6-12%. Плотность закаленных стекол на 80-90 кг/м3 ниже, чем плотность нормально отожженного стекла того же состава.
Плотность стекла чувствительна к изменениям химического состава. В связи с этим на стекольных заводах особенно с высокоскоростной механизированной выработкой изделий можно проводить систематический анализ плотности стекла во времени и сопоставлять полученные данные с колебаниями состава стекла, скоростью работы машин, качеством изделий и другими показателями. Это позволяет принять оперативные меры по ликвидации тех или иных нарушений технологического процесса.

Однородность стекол характеризует степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделия. Однородность важна для анализа правильности ведения технологического процесса. Наиболее распространенным методом определения однородности является метод разделения порошка по плотности. Однородность оценивают в градусах Цельсия (температурный интервал между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании). Однородность листовых стекол считается нормальной, если ее значение не превышает 2,5 °С, стекол для прессованных и выдувных изделий — 3,5 °С.

Теплофизические свойства и характеристики

Теплофизические свойства имеют большое значение как при варке стекла и выработке изделий, так и при их эксплуатации.
Теплоемкостью тела или системы тел называют количество тепла, затрачиваемое на повышение температуры тела или системы тел на один градус в определенном термодинамическом процессе (при постоянном объеме, давлении и т.д.). Удельной теплоемкостью называют теплоемкость, отнесенную к единице массы.
Единица измерений удельной теплоемкости Дж/(кг.°С).
С повышением температуры удельная теплоемкость возрастает, причем тем медленнее, чем выше температура. Для области стеклования характерно большее изменение теплоемкости при изменении температуры. Теплоемкость зависит от химического состава стекла: SiO2, Аl2О3, В2О3, МgО, Na2О и особенно Li2О повышают теплоемкость стекла; оксиды тяжелых металлов РbО, ВаО значительно снижают теплоемкость. Влияние других оксидов выражено слабее.

Теплопроводность характеризует способность тела передавать тепловую энергию в направлении более низких температур.
Единица измерения теплопроводности Вт/(м.°С).
Увеличение в стекле количеств SiO2, Аl2О3, В2О3, Fе2О3 повышает теплопроводность, а ВаО и РbО снижают ее. Теплопроводность промышленных стекол составляет 0,72-0,9 Вт/(м.°С).
При высоких температурах передача тепла теплопроводностью характерна только для тонких (до 0,1 см) слоев стекла. При увеличении толщины слоя увеличивается интенсивность передачи тепла излучением. В связи с этим теплопроводность, определенная без учета толщины образца, называется эффективной теплопроводностью и включает в себя радиационную (лучистую) составляющую.
Для технологических процессов варки стекла и формования изделий основное значение имеет прозрачность стекол для излучения в инфракрасной области спектра (теплопрозрачность). Теплопрозрачность уменьшают окрашивающие оксиды (особенно СоО, NiO, FеО и СuО).
С повышением содержания в стекле этих оксидов роль теплопередачи излучением уменьшается и возрастает роль теплопроводности.

Термическое расширение стекла характеризуется обычно температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) — a. Температурный коэффициент линейного расширения характеризует относительное увеличение длины образца стекла при нагревании на один градус.
Температурный коэффициент линейного расширения зависит от химического состава стекла. Наименьшим температурным коэффициентом линейного расширения обладает кварцевое стекло (SiO2). Ввод остальных компонентов увеличивает ТКЛР. Особенно сильно в этом отношении влияние Na2О, К2О, СаО, ВаО, РbО.
Наиболее распространены дилатометрические методы определения ТКЛР. Дилатометры фиксируют удлинение образцов при нагревании в определенном интервале температур.
Температурный коэффициент линейного расширения различных стекол находится в пределах (5-120).10–7 1/°С. Относительное увеличение объема при нагревании тела на 1°С называется температурным коэффициентом объемного расширения. Для твердых тел температурный коэффициент объемного расширения с достаточным приближением может быть принят равным b = Зa.
При определении температурного коэффициента линейного расширения обычно строят график зависимости удлинения образца от температуры (дилатометрическую кривую), по которой можно приближенно установить некоторые характеристические температуры для данного стекла (рис. 1.3). Каждой из этих температур соответствует определенная вязкость.
Температура начала стеклования Тg соответствует вязкости 1012 Па.с и определяется как точка пересечения прямых, продолжающих прямолинейные участки дилатометрической кривой.
Температура начала деформации соответствует температуре максимума на дилатометрической кривой и вязкости 1010-1011 Па.с.

Рис. 1.3. Дилатометрическая кривая расширения стекла и определение характеристических температур.

Термостойкостью называется способность стекла сопротивляться резким изменениям температуры. Мерой термостойкости является температурный перепад, который выдерживает стекло без разрушения. Термостойкость имеет большое значение при использовании стеклотары (бутылок, банок), бытовой посуды (стаканов), термостойких стекол и других изделий. При изменении температуры окружающей среды (воздуха, воды и др.) в помещенном в нее стекле возникают напряжения, под действием которых стекло может разрушиться.

Возникновение напряжений обусловлено следующими факторами:

• — низкой теплопроводностью стекла;
• — появлением значительных температурных градиентов при нагреве или охлаждении;
• — неравномерным изменением размеров и объема отдельных участков нагревающегося или охлаждающегося стекла.

Рассмотрим механизм возникновения напряжений в твердом стекле применительно к условиям эксплуатации изделий. Для наиболее массовых изделий (стеклянная тара, бытовая посуда, термосные колбы), температуры окружающей среды (воды) не превышают 100°С.

Рис. 1.4. Схемы процессов быстрого охлаждения (а) и быстрого нагревания (б) стекла (стрелки показывают направление действия возникающих напряжений).

В этом случае стекло реагирует на температурные изменения как упругое тело и возникают временные термоупругие напряжения, исчезающие (если стекло не разрушилось) при выравнивании температуры. Пусть имеется стеклянный шар, который мысленно можно разделить на ядро и внешний слой. Последний в свою очередь разделен на секторы (рис. 1.4 а). Если шар нагрет (положение 1), все его части имеют одинаковую температуру, поэтому напряжения внутри шара нет. При резком охлаждении внешний слой будет остывать значительно быстрее, чем ядро, поэтому объем шара уменьшается неравномерно. Если бы секторы внешнего слоя не были связаны между собой, то каждый из них сжался бы, а между ними образовались свободные пространства (положение 2). Но так как частицы стекла во внешнем слое связаны, между ними возникают напряжения растяжения (положение 3), которые могут довести внешний слой до разрушения, т.е. до образования радиальных трещин, идущих от поверхности. Между внешним слоем и ядром будут создаваться напряжения сжатия, так как ядро противодействует сжатию внешнего слоя под действием более резкого охлаждения последнего.
При резком нагревании (рис. 1.4 б) (положение 1) внешний слой, нагреваясь быстрее ядра, стремится увеличиться в объеме и отслоиться от ядра (положение 2). Но так как он связан с ядром, то между ними возникают напряжения растяжения. Между частицами внешнего слоя, которые не могут оторваться от ядра, но увеличиваются в объеме, возникают напряжения сжатия (положение 3).
Если принять во внимание, что стекло сопротивляется растяжению во много раз хуже, чем сжатию, а прочность стекла сильно зависит от состояния поверхности, и резкий тепловой удар получает всегда поверхность стекла, то для стекла более опасно быстрое охлаждение, чем нагревание.
Термостойкость стекла зависит главным образом от температурного коэффициента линейного расширения, модуля упругости, предела прочности при растяжении.
В основном термостойкость стекла определяется температурным коэффициентом линейного расширения: чем он меньше, тем выше термостойкость. Для стеклоизделий термостойкость в значительной степени зависит от состояния поверхности и однородности стекла. Сколы, царапины, трещины, неоднородность состава и плохой отжиг — все это резко снижает термостойкость стекла.
Плохая теплопроводность способствует неравномерному распределению напряжений по сечению охлаждающего стекла при термическом воздействии, поэтому чем тоньше и равномернее по сечению стенки изделия, тем выше его термостойкость. Именно этими факторами обеспечивается высокая термостойкость термосных колб.

Оптические свойства и характеристики

Луч света при переходе из одной среды в другую меняет свое направление, что связано с изменением скорости распространения света в различных средах. При прохождении в воздухе и через плоскопараллельную стеклянную пластинку (рис. 1.5) падающий луч образует определенные углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то угол a будет углом падения, а угол b — углом преломления. На рис. 1.5 угол a больше угла b, потому что скорость распространения световых волн в воздухе больше, чем в стекле.

Рис. 1.5. Прохождение светового луча через плоскопараллельную стеклянную пластинку.

В данном случае воздух является оптически менее плотной средой, чем стекло. Показатель преломления может быть определен из соотношения

n = sin a / sin b

Показатель преломления среды не зависит от угла падения луча на поверхность среды, но зависит от свойств самой среды и длины волны падающего света. Чем больше длина волны падающего света, тем меньше показатель преломления, поэтому луч белого (смешанного) света, входя в стекло под углом к поверхности, расщепляется на пучок расходящихся цветовых лучей, т.е. подвергается дисперсии.

Рис. 1.6. Разложение белого спектра призмой (а) и диапазон цветов видимой части спектра (б).

Если параллельный пучок белого света, ограниченный узкой щелью, падает на стеклянную призму, то на экране, расположенном за призмой, обнаруживается картина различных цветов, называемая спектром (рис. 1.6 а). В спектре наблюдается строгая последовательность этих цветов, переходящих от одного к другому, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. 1.6 б). Причиной разложения света является зависимость показателя преломления от длины волны. Чем короче длина волны, тем меньше угол преломления, поэтому фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные.
Разность показателей преломления для голубой коротковолновой F-линии и красной длинноволновой С-линии называется средней дисперсией, т.е. dn = nF – nC .
Коэффициент дисперсии определяется по формуле:
n = (n – 1) / dn.
Показатель преломления и дисперсия сильно зависят от состава стекла. Показатель преломления повышают РbО, ВаО, СаО, ZnО, Sb2О3, щелочные оксиды. Добавка SiО2 снижает показатель преломления.
Дисперсия заметно возрастает при введении РbО и Sb2О3. ВаО и СаО сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Показатель преломления и коэффициент дисперсии — важнейшие свойства оптических стекол. Широкая номенклатура стекол с различными значениями этих свойств позволяет формировать различные виды изображений объектов, создавать разнообразные приборы и оборудование, начиная от микрообъектива микроскопа до многометрового зеркала телескопа.
Для производства высокохудожественных изделий бытовой посуды, подвергающихся декоративному шлифованию, используют в основном стекло, содержащее до 30% РbО. Такие стекла дают хорошую “игру света” в гранях за счет сильного влияния РbО как на показатель преломления, так и на дисперсию. Зависимость показателя преломления от содержания РbО при введении его вместо SiO2 в промышленные составы хрусталей можно считать прямо пропорциональной.

Коэффициент отражения — отношение светового потока, отраженного стеклом, к световому потоку, падающему на него. Количество света, отраженного стеклом, тем больше, чем больше угол его падения. Количество света, отраженного от поверхности стекла, составляет около 4%. Коэффициент отражения зависит от состояния поверхности и наличия на ней различных веществ.

Явление рассеяния света относится к непрозрачным стеклам. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Пучок лучей света, направленный на матовую поверхность, выходит с другой стороны разбитым на множество направлений вследствие неодинакового преломления отдельных лучей на неровной (матовой) поверхности стекла.
В глушеных стеклах находятся угловатые или сферические частицы глушителей, отличающиеся показателем преломления от основной массы стекла. Лучи света, падающие на стекло, претерпевают многократное преломление и отражение, что и вызывает рассеяние света. Размеры частиц глушителей в стекле составляют 0,2-10 мкм.
С увеличением размера частиц рассеяние света стеклом возрастает.
Относительная прозрачность или пропускание Т стеклом видимого света и невидимых лучей (инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских, g-лучей) подчиняется общему закону Бугера-Ламберта-Бера.

где: I — интенсивность излучения, прошедшего через образец;
I0 — интенсивность излучения, входящего в образец;
е — основание натуральных логарифмов;
K — натуральный показатель поглощения;
l — толщина образца;
k — десятичный показатель поглощения (k = 0,434 К).

Относительное поглощение или абсорбция лучей связана с пропусканием зависимостью А = 1 – Т. Относительное пропускание Т или поглощение А обычно выражают в процентах. Мерой способности стекла поглощать излучение может также служить оптическая плотность D:

D = lg 1/Т = –lgТ = 0,434 Кl = kl .

Для окрашенных стекол степень поглощения света прямо пропорциональна концентрации С красителя и коэффициенту e, характеризующему удельное поглощение данного красителя; k = e С. Для выражения избирательного поглощения окрашенных стекол строят кривые зависимости Т, А, К и k от длины волны (рис. 1.7). Любая из этих зависимостей может служить спектральной количественной характеристикой цветных стекол. Величины Т и А часто относят к единице толщины стекла (Т/l и А/l). Кривые пропускания и оптической плотности являются обратными, но в то же время не являются точным зеркальным отражением друг друга.

Рис. 1.7 Зависимость светопропускания Т и оптической плотности D коричневого тарного стекла от длины волны. Пропускание и поглощение стекол оценивают на спектрофотометрах с применением плоскопараллельных образцов стекла. Эта оценка имеет важное значение в производстве окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета бытовых, сигнальных и других окрашенных стекол. Показатели пропускания (поглощения) в инфракрасной области спектра важны для варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), а в ультрафиолетовой области спектра — для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные стекла — задерживать их для сохранности содержимого тарных изделий).
При неравномерном охлаждении или нагревании в стекле возникают внутренние напряжения, вызывающие двойное лучепреломление. Стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса и т.п. Луч, входящий в образец стекла, разлагается на два луча — обыкновенный и необыкновенный. Плоскости поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны, а скорости распространения в стеклообразной среде различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода обыкновенного и необыкновенного лучей (нм, на 1 см пути луча в стекле). Для контроля двойного лучепреломления в образцах любой формы наиболее удобны полярископы-поляриметры ПКС-250, ПКС-125. Принцип действия приборов основан на наблюдении двойного лучепреломления в исследуемом образце при интерференции лучей

---