Механические свойства и характеристики стекол

Важнейшими механическими свойствами стекла являются упругость, твердость, хрупкость и прочность. Единица измерения механических свойств – Па.
Упругие свойства стекла характеризуются модулем упругости E, модулем сдвига G и коэффициентом Пуассона m, которые связаны между собой соотношением

• Share

Под упругостью подразумевают способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию. В зависимости от химического состава модуль упругости стекол колеблется в пределах (48-83) x 10(3) МПа. Модуль упругости несколько повышается при замене SiO2 на СаО, В2О3, Аl2О3, МgО, ВаО, ZnО, РbО. Особенно сильно влияние СаО, В2О3 (до 12%), Аl203.
Коэффициент Пуассона равен отношению поперечной и продольной деформаций тела. Для стекол разных составов этот коэффициент равен 0,11-0,3.
Модуль сдвига определяет способность стекла сопротивляться деформации сдвига или скола и равен отношению касательного напряжения к углу сдвига. Модуль сдвига для стекла составляет (2-4,5) x 10(4) МПа.

Твердость — одна из основных характеристик любого материала, в том числе и стекла; имеет большое значение для механической обработки. Кроме того, твердость стекла определяет его устойчивость к абразивному повреждению при эксплуатации.
Существует несколько методов определения твердости стекла. Наиболее распространены методы внедрения, шлифования и царапания.
Твердость стекла зависит от его химического состава. Наиболее мягкими являются свинцовые стекла, наиболее твердыми — кварцевые, а также некоторые боросиликатные с содержанием В2О3 до 10-12%.
Микротвердость стекла обычно оценивается на приборе путем вдавливания в стекло под нагрузкой алмазной пирамиды. Микротвердость различных стекол составляет 400-1200 МПа.

Прочность — это сопротивление стекла механическому разрушению. В зависимости от разрушающих усилий различают предел прочности при растяжении, сжатии, изгибе, ударе и вдавливании. Стекло обладает сравнительно высоким пределом прочности при сжатии и низким — при ударе. Прочность стекла зависит от состояния его поверхности, химического состава, степени отжига, однородности, состава и температуры окружающей среды. Предел прочности массивного стекла при растяжении или изгибе в зависимости от состава и состояния поверхности составляет 25-100 МПа, при сжатии — 500-800 МПа, при ударном изгибе — 15-20 МПа. В то же время теоретическая прочность стекол намного превышает эти значения.

• Share

где Е — модуль упругости.
Для листового стекла Е = 70 x 10(3) МПа и вычисленная по формуле теоретическая прочность стекла Е = 7000 МПа.
Основной причиной резкого различия теоретической и реальной прочности стекла является наличие трещин, царапин и неоднородностей на его поверхности и в объеме.
Решающее влияние на прочность промышленных стекол и стеклоизделий оказывает состояние поверхности и наличие на ней дефектов. Так как при изготовлении стеклоизделий невозможно сохранить их поверхность в бездефектном состоянии, прочность, вне зависимости от химического состава, имеет низкую величину и путем изменения химического состава существенно повысить ее не удается. Прочность стекла увеличивают SiO2, Аl2О3, В2О3, МgО, ВаО, TiO2, уменьшают щелочные оксиды, РbО.
Прочность стекла зависит от степени отжига. С увеличением остаточных напряжений в стекле в 1,5-2 раза сопротивление изгибу уменьшается на 9-12%.
К способам существенного повышения прочности изделий относятся воздушная и жидкостная закалка, травление, ионообменное упрочнение в расплавах солей, нанесение на поверхность оксидно-металлических покрытий.
С помощью этих способов можно повысить предел прочности при изгибе до 200-700 Мпа. Наиболее эффективны для дальнейшего повышения прочности стекла комбинированные способы (ионный обмен + закалка; травление + адгезионный защитный слой; травление + ионный обмен и т.п.). Возможно применение новых технологических воздействий на стекло с целью повышения его прочности.

Хрупкость — типичное свойство стекла, разрушение которого не сопровождается пластической деформацией при различных способах механического нагружения, в том числе при динамическом и статическом. Хрупкое разрушение стекла под действием напряжений начинается с поверхности, вследствие образования и роста микротрещин. Обычно мерой хрупкости считают сопротивление нагрузкам (удару). Предел прочности стекла при ударе характеризуется суммарной работой ударов, вызывающих разрушение единицы объема стекла. Предел прочности при ударе зависит от состояния поверхности, толщины образца, степени отжига и химического состава стекла. Из компонентов стекла в наибольшей степени повышает предел прочности при ударе В2О3; увеличение содержания МgО, SiO2, Аl2О3 уменьшает хрупкость на 5-20%. Остальные оксиды мало влияют на хрупкость стекол. Предел прочности при ударе закаленных стекол в 5-7 раз выше, чем отожженных. С повышением температуры предел прочности при ударе возрастает.

Химическая устойчивость стекла
Химической устойчивостью стекла называется его способность противостоять разрушающему действию воды, влаги и газов атмосферы, растворов солей и различных химических реагентов.
Стекло по сравнению с другими материалами отличается высокой химической устойчивостью, которая зависит от его химического состава и природы действующего реагента.
По характеру действия на стекло реагенты можно разделить на две группы. К первой группе относятся вода, атмосферная влага, растворы кислот (кроме плавиковой и фосфорной), нейтральные или кислые растворы солей, т.е. реагенты с рН, равным 7 и ниже. Ко второй группе относятся реагенты с рН среды выше 7, т.е. растворы щелочей, карбонатов и других компонентов. По механизму воздействия к этой группе относятся также плавиковая и фосфорная кислоты.
Природа химической устойчивости и сущность процессов, происходящих при разрушении стекла, подробно изучены И.В.Гребенщиковым. Он установил, что силикаты, находящиеся на поверхности стекла, вступая во взаимодействие с водой или влагой воздуха, гидролизуются, образуя щелочь и гель кремниевой кислоты. Щелочь вымывается с поверхности стекла, а гель кремниевой кислоты остается и образует защитную пленку. Кремниевая кислота замедляет процесс дальнейшего разрушения стекла. От толщины слоя защитной пленки и его плотности зависит скорость диффузии через этот слой молекул воды. Процесс разрушения стекла резко замедляется при толщине защитной кремнеземистой пленки более 50 нм.
Схему гидролиза щелочных силикатов поверхностного слоя стекла можно представить в следующем виде:

• Share

Разрушение стекла возможно не только при его прямом смачивании, но и при неудовлетворительных условиях упаковки, хранения и транспортировки. Условия, способствующие конденсации влаги на поверхности стекла, являются неблагоприятными и приводят к его разрушению.
Химическая устойчивость силикатных стекол к действию реагентов первой группы существенно зависит от их химического состава, в основном от содержания в стекле кремнезема и щелочных оксидов. Введение в стекло кремнезема значительно повышает химическую устойчивость стекла, а введение щелочных оксидов, наоборот, значительно ее снижает. Калиево-натриевые стекла химически более устойчивы, чем чисто натриевые или чисто калиевые (эффект двух щелочей). Силикаты щелочноземельных металлов более химически устойчивы, чем силикаты щелочных металлов. Цинксодержащие стекла отличаются высокой химической устойчивостью, а свинецсодержащие стекла – низкой. Введение оксидов алюминия и бора, эффективно повышает химическую устойчивость.
Изделия из листового, тарного и бытового стекла в основном подвергаются действию реагентов первой группы, поэтому обычно определяют водоустойчивость стекол методом выщелачивания поверхности изделий или зерен стеклянного порошка под воздействием воды.
Водоустойчивость выражают в миллилитрах 0,01 н. раствора соляной кислоты, пошедшей на титрование выщелоченных компонентов. Для сравнительной оценки химической устойчивости промышленных стекол установлена следующая гидролитическая классификация (табл. 1).

Таблица 1. Гидролитические классы водостойкости стекла

Большинство промышленных натрий-кальций-силикатных стекол относится к III, калий-свинцово-силикатных- к III и IV гидролитическим классам.
Реагенты второй группы разрушают непосредственно кремне-кислородный каркас стекла. В результате полностью удаляются поверхностные слои, причем скорость разрушения остается постоянной, а глубина разрушения пропорциональна времени действия раствора. Схему действия на стекло реагентов второй группы можно представить в следующем виде:

• Share

В результате воздействия щелочей на стекло образуются стабильные анионы типа SiO32–, SiO4 4–, Si2О52– и соответствующие легкорастворимые силикаты щелочных металлов. Сила воздействия гидроксидов щелочных металлов при одинаковой нормальности уменьшается в ряду NаОН – КОН – LiОН – NН4ОН. Растворы карбонатов натрия и калия также оказывают сильное разрушающее действие на стекло. Щелочеустойчивость стекол мало зависит от их состава.
При воздействии на стекло плавиковой кислоты разрушение стекла сопровождается образованием летучих фтористых соединений кремния. Плавиковая кислота обладает наибольшим разрушающим воздействием на стекло.
Химическая устойчивость стекол к реагентам второй группы значительно ниже, чем к реагентам первой группы. После действия реагентов второй группы поверхность стекла становится матовой, ухудшается прозрачность.