Неорганічне скло: характеристика, застосування

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький Національний університет ім. Ю. Федьковича

Реферат на тему:

“Неорганічне скло: характеристика, застосування”

Виконала:

Студентка 315 групи

Максимчук Н.

Чернівці - 2015р

Загальні відомості

Неорганічне скло - аморфний полімерний матеріал, що отримується при твердінні розплаву оксидів Si кремній, А1 алюміній, В бор, Р фосфор, As арсеній, Pb свинець й інших елементів. Воно не має певної точки плавлення або затвердіння й при охолодженні переходить із розплавленого, рідкого стану у високов'язкий стан, а потім у твердий, зберігаючи при цьому невпорядкованість і неоднорідність внутрішньої будови.

До складу неорганічного скла входять скло-утворювальні оксиди; оксиди, що модифікують (лужні й лужноземельні) типу Ме2О і МеО, що змінюють фізико-хімічні властивості скла; технологічні добавки (оксиди алюмінію, заліза, свинцю, титану, берилію й ін.), що заміщають скло-утворювальні оксиди й надають склу необхідні споживчі властивості. Модифікуючі оксиди вводять у процесі варіння скла. Глинозем А1203 підвищує механічну міцність, а також термічну й хімічну стійкість стекол. При додаванні В2О3 підвищується швидкість скловаріння, поліпшується посвітління й зменшується схильність до кристалізації. Оксид свинцю Р60, що вводять головним чином при виготовленні оптичного скла й кришталю, підвищує показник світлозаломлення. Оксид цинку ZnО знижує температурний коефіцієнт лінійного розширення скла, завдяки чому підвищується його термічна стійкість.

Технологічні домішки поділяють за їх призначенням на такі групи: освітлювачі - речовини, що сприяють видаленню зі скломаси газових бульбашок (сульфат натрію, плавиковий шпат); знебарвлювані - речовини, що знебарвлюють скляну масу; глушителі - речовини, що роблять скло непрозорим.

Скло-утворювальні оксиди (наприклад, SiО2, А12О3, В2О3, Р2О3) утворюють просторову сітку з однорідних ланцюгів-поліедрів, а оксиди, що модифікують, розміщуючись усередині осередків сітки, послабляють або розривають зв'язки в скло-утворювальних оксидах і знижують міцність, термо-хімічну стійкість скла, але дозволяють регулювати температуру його розм'якшення й інші властивості.

Будова кварцових стекол (рис. 18 а) є найбільш простою. Тут просторова сітка утворена із з'єднаних вершинами тетраедрів SiО4. Зв'язки між кремнієм і киснем міцні, тому скло мало розширюється при нагріванні, плавиться при температурі вище 1700°С, після плавлення грузьке й погано формується. Осередки між тетраедрами досить великі, вони розширюються при нагріванні, і скло втрачає вакуумну щільність: при температурі 150°С воно пропускає гелій, вище 300°С - водень, а вище 800°С - повітря. У силікатних стеклах катіони металів оксидів, що модифікують, і технологічних добавок містяться (рис. 18 б) між негативно зарядженими тетраедрами SiО4, не порушуючи будови силікатного каркаса. При цьому кути між зв'язками Si - ПРО - Si змінюються в більш широких (120-180°С) межах, ніж у кварцовому склі.

Властивості неорганічних стекол ізотропні. До основних властивостей належать:

* щільність - 2200-6500 кг/м3 (для скла з оксидами свинцю або барію - до 8000 кг/м3);

* температури для промислових стекол: стеклування -425-600°С; розм'якшення - 600-800°С; коефіцієнт тепло-провідності - 0,7-15 Вт/(м *К);

* температурний коефіцієнт лінійного розширення: для кварцових стекол - 5,6-107°С-1; для будівельних стекол - 9,0 -108°С-1;

* о сж = 500-2000 МПа; *о розт =30-90МПа; *озг = 50-150 Мпа;

Більш високі характеристики міцності має скло безлужного складу й кварцове:

модуль Юнга - (7 - 7,5>104 МПа; модуль зсуву - (2 - 3) * 104 МПа; коефіцієнт Пуассона - 0,184-0,26; твердість - 5 -7 од. за Моосом; ударна в'язкість -1,5-2,5 кдж/м2; питомий електроопір 1012-1018 Ом * см; діелектрична проникність - 3,5-16; *напівпровідникові властивості; хімічна стійкість; високі оптичні властивості. За оптичними властивостями розрізняють прозоре, пофа-рбоване, безбарвне й скло, що розсіює світло.

До споживчих властивостей неорганічних стекол відносять прозорість, високу стійкість до атмосферних впливів, водонепроникність і повітронепроникність, термостійкість. Термостійкість скла характеризує його довговічність в умовах різких змін температури й визначається різницею температур, що скло може витримати без руйнування при різкому охолодженні у воді (Т=0°С). Для більшості видів стекол термостійкість коливається від 90 до 170°С, а для кварцового скла вона становить 800 -1000°С.

Скло піддається механічній обробці: його можна пиляти циркулярними пилками з алмазним набиванням, обточувати побідитовими різцями, різати алмазом, шліфувати, полірувати.

Способи впливу на властивості неорганічних стекол визначаються необхідністю нейтралізувати дефектний поверхневий шар. Їх можна розділити на чотири групи: механічну обробку (полірування), хімічну обробку (травлення), термічну обробку (загартування), хіміко-термічну обробку. Так, загартування, при якому можна одержати анізотропію властивостей, і хіміко-термічна обробка скла в кілька разів підвищують показники міцності й ударну в'язкість, а також збільшу-ють термостійкість. Травлення загартованого неорганічного скла кислотою сприяє видаленню поверхневих дефектів і також підвищує міцність і термостій-кість.

Неорганічне скло класифікується за видом скло утворювальної речовини, видом модифікаторів, технологією виготовлення й призначенням.

За видом склоутворювальної речовини неорганічне скло поділяється на силікатне (Si02), алюмосилікатне (А1203 - Si02), боросилікатне (В203 - Si02), алюмоборосилікатне (А1203 - В205 - Si02), алюмофосфатне (А1203 - Р205), халькогенідне (наприклад, As31Ge30Se21Telg0), галогенідне й інші скло.

За видом модифікаторів розрізняють лужні, безлужні й кварцові неорганічні стекла. Міцність лужних стекол під дією вологи зменшується вдвічі, тому що вода вилужує скло. При цьому утворюються лужні розчини, які розклинюють скло, викликаючи появу мікротріщин у поверхневому шарі.

За технологією виготовлення неорганічне скло може бути отримане видуванням, литвом, штампуванням, витягуванням в листи, трубки, волокна й ін.

Класифікація скла за призначенням і сферою застосування.

За призначенням неорганічні стекла поділяються на технічне, будівельне й побутове (склотара, посудне, побу-тове й ін.).

Технічне скло за сферою застосування ділиться на електротехнічне, транспортне, оптичне, світлотехнічне, термостійке, тугоплавке, легкоплавке, хіміко-лабораторне й ін. неорганічне скло розплав оксид

Основні дані технічних стекол

Характерні властивості:

Високі значення питомого електроопору, більша електрична міцність (16-50 кв/мм), низькі значення діелектричних втрат (t 0,0018-0,0175) і порівняно висока діелектрична проникність (Е-3,5-16), що підвищується при збільшенні концентрації РЬО або ВаО. При нагріванні в інтервалі температур 200-400°С питомий електроопір зменшується в 108 -1010разів, що пов'язано зі збільшенням рухливості лужних іонів, і скло втрачає свої ізолювальні властивості. Оксиди важких металів - свинцю і барію - зменшують рухливість іонів й знижують втрати.При впаюванні металу в скло, при зварюванні скла різного складу в склі з'являються термічні напруги через розходження температурних коефіцієнтів лінійного розширення. Якщо температурні коефіцієнти обох матеріалів близькі, то спаї скла з матеріалом називаються погодженими спаями, а якщо різні неузгодженими спаями. Специфічними властивостями скла є їхні оптичні властивості: світлопрозорість, відбиття, розсіювання,поглинання й переломлення світла. Коефіцієнт переломлення такого скла становить 1,47-1,96, коефіцієнт розсіювання знаходиться в інтервалі 20-71 Оптичні властивості скла залежать від їх кольору, що визначається хімічним складом скла, а також від стану поверхні виробів. Оптичні вироби повинні мати ізотропну, вільну від напруг структуру, яку одержують відпалом, і гладкі поліровані поверхні. Звичайне незабарвлене листове скло пропускає до 90%, відбиває приблизно 8% і поглинає близько 1% видимого й частково інфрачервоного світла; ультрафіолетове випромінювання поглинається майже повністю. Кварцове скло є прозорим для ультрафіолетового випромінювання.

Матеріали й вироби з скла

Скловолокно- волокнистий матеріал, одержуваний з розплавленої скломаси. Найбільш широко застосовується безлужне алюмо-боросилікатне Е-скло, а також високоміцне скло на основі оксидів: SiО2, A12О3, Mg. Діаметр скловолокна коливається від 0,1 до 300 мкм. Форма перетину може бути у вигляді кола, квадрата, прямокутника, трикутника, шестикутника. Випускаються й порожнисті волокна. За довжиною волокно поділяється на шпательне (від 0,05 до 2-3 м) і безперервне. Щільність скловолокна - 2400-2600 кг/м3. Міцність елементарних скляних волокон у кілька десятків разів вища об'ємних зразків скла: міцність на розтягання досягає для безперервних волокон діаметром 6-10 мкм - 1500-3000 Мпа. Скловолокно має високі тепло-, електро- і звукоізоляційні властивості, воно термо- і хімічно стійке, негорюче, не гниє.

Поверхню скляних волокон під час транспортування й різних видах перероблення замаслюють для запобігання стиранню, тому що від стану поверхні волокон залежить їхня міцність. Зі скловолокна виготовляють скловату, тканини й сітки,а також неткані матеріали у вигляді джгутів і полотен, скломатів.

Скловата - матеріал зі скляних волокон, діаметр яких для виготовлення теплоізоляційних виробів не повинен перевищувати 21 мкм. Структура вати повинна бути пухкою - кількість пасм, що складаються з паралельно розміщених волокон, не більше 20% за масою. Щільність у пухкому стані не повинна бути більше 130 кг/м3. Теплопровідність - 0,05 Вт/(м·К) при 25°С. Скляну вату з безперервного волокна застосовують для виготовлення теплоізоляційних матеріалів і виробів при температурах ізольованих поверхонь від - 200 до +450°С.

Скловата із супертонкого волокна має щільність 25 кг/м3, теплопровідність - 0,03 Вт/(м·К), температуру експлуатації - від -60 до +450°С, звукопоглинання - 0,65-0,95 у діапазоні частот 400-2000 Гц. Скловата із супертонкого волокна, а також вироби на її основі використовуються в будівництві як звукоізоляційний матеріал.

Скломати(АСІМ, АТІМС, АТМ-3) - матеріали, що складаються зі скловолокон, розміщених між двома шарами склотканини або склосітки, прошитої склонитками. Вони застосовуються при температурах 60-600°С як армуючі елементи у композиційних матеріалах.

Склоруберойд і скловойлок- рулонні матеріали, одержувані шляхом двостороннього нанесення бітумної (бітумно-гумової або бітумно-полімерної) в'язкої речовини, відповідно на скловолокнисте полотно або скловойлок і покриті з одного або двох боків суцільним шаром посипки. Сполучення біостійкої основи й просочення з підвищеними фізико-механічними властивостями дозволяють досягти довговічності для склоруберойду близько 30 років. Залежно від виду посипання, що запобігає злипанню при зберіганні в рулонах, і призначення склоруберойд випускають таких марок: С-РК (із грубозернистим посипанням), С-РЧ (з лускатим посипанням), С-РМ (з пилоподібним або дрібнозернистим посипанням). Застосовують руберойд-руберойд-стек-руберойд для верхнього й нижнього шарів покрівельного килима й для обклеювальної гідроізоляції.

Гідросклоізол -- гідроізоляційний рулонний матеріал, призначений для гідроізоляції залізобетонних виробів тунелів (марка Т), пролітних будов мостів, шляхопроводів й інших інженерних конструкцій (марка М).

Гідросклоізол складається зі склооснови (тканої або нетканої сітківки, дубльованої склополотном), покритої по обидва боки шаром бітумної маси, у яку входять бітум, мінеральний наповнювач (близько 20%) з меленим тальком, магнезитом, а також пластифікатором. Відрізняється, крім високої водонепроникності, гарними міцнісними показниками при розтяганні в поздовжньому напрямку. Він витримує розривне навантаження при вищій категорії якості 735 Н. Теплостійкість - 60-65°С, температура крихкості - від -20 до -10°С.Гідросклоізол наклеюють без застосування мастик - рівномірним плавленням (наприклад, використовуючи полум'я газового пальника) його поверхні.

Піноскло (комірчасте скло) - комірчастий матеріал, одержуваний спіканням тонко здрібненого скляного порошку й пороутворювача. Виробляють зі скляного бою або використовують ті самі сировинні матеріали, що й для виробництва інших видів скла: кварцовий пісок, вапняк, соду й сульфат натрію. Пороутворювачами можуть бути кокс і вапняк, антрацит і крейда, а також карбіди кальцію й кремнію, що виділяють при спіканні вуглекислий газ, який утворює пори.Піноскло має специфічну будову - у матеріалі стінок великих пор (0,25-0,5 мм) утримуються дрібні мікропори, що обумовлює малу теплопровідність (0,058-0,12 Вт/(м·К) при досить великій міцності, водостійкості й морозостійкості. Пористість різних видів піноскла становить 80 - 95%; щільність - 150-250 кг/м3; міцність - 2-6 МПа. Має високі тепло- і звукоізоляційні властивості. Піноскло - горючий еріал з високою (до 600°С) теплостійкістю. Легко обробляється (пиляється, шліфується); воно добре склеюється, наприклад, із цементними матеріалами.Плити з піноскла застосовують для теплоізоляції огорож конструкцій будинків (стін, перекриттів, покрівель й ін.), у конструкціях холодильників (ізоляція поверхонь із температурою експлуатації до 180°С), для декоративної обробки інтер'єрів. З піноскла з відкритими порами виготовляють фільтри для кислот і лугів.

Склопор одержують шляхом грануляції й спучування рідкого скла з мінеральними добавками (крейдою, меленим піском, золою ТЕС й ін.). Випускається трьох марок: СЛ - с0 = 15-40 кг/м3, л = 0,028-0,035 Вт/(м · К); 

Л - с0 = 40-80 кг/м3, л = 0,032-0,04 Вт/(м·К); 

Т - с0 = 80-120 кг/м3, л = 0,038-0,05Вт/(м·К).

У сполученні з різними зв'язуючими речовинами склопор використовують для виготовлення штучної, мастичної і заливальної теплоізоляції. Найбільш ефективне застосування склопору в ненаповнених пінопластах, тому що введення його в пінопласт дозволяє знизити витрати полімеру й значно підвищити вогнестійкість теплоізоляційних виробів.

Армоване скло - конструкційний виріб, одержуваний методом безперервного прокату неорганічного скла з одночасним закочуванням усередину листа металевої сітки з відпаленого хромованого або нікельованого сталевого дроту. Це скло має межу міцності при стиску 600 Мпа, підвищену вогнестійкість (до 1,3 год), безосколочне при руйнуванні, світлопроникність - більше 60%. Може мати рівну, кутикову або візерункову поверхню, бути безбарвним або кольоровим.Армоване скло застосовують для скління ліхтарів верхнього світла, віконних плетінь, облаштування перегородок, сходових маршів та ін.

Сітали

Сітали (склокристалічні матеріали) - штучний матеріал на основі неорганічного скла, одержуваний шляхом повної або частково керованої кристалізації в них.Термін «сітали» утворений від слів: «скло» й «кристали». За структурою й технологією одержання сітали займають проміжне положення між звичайним склом і керамікою. Від неорганічного скла вони відрізняються кристалічною будовою, а від керамічних матеріалів - більш дрібнозернистою й однорідною мікрокристалічною структурою.До складу сіталів входять:

оксиди - Li20, A1203, Si02, Mg, СаО й ін.;

Нуклеатори (каталізатори кристалізації) - солі світлочутливих металів - An, Ag, Сu, що є колоїдними барвниками й наявні в склі у вигляді тонкодисперсних частинок, Нуклеатори є додатковими центрами кристалізації. Вони повинні мати кристалічні ґратки, подібні кристалічним фазам, що виділяються зі скла, і сприяти рівномірній кристалізації всієї маси;

Глушителі (погано розчинні частинки) - фтористі й фосфатні сполуки, Ті02 й ін.

Структура сіталів дрібнокристалічна, однорідна, характеризується відсутністю пористості. Середній розмір кристалітів у сіталах 1-2 мкм. Вміст кристалічної фази - не менше 40-50%. Кристаліти зростаються між собою або зв'язані прошарками залишкового аморфного скла. Кількість склофази не перевищує декількох відсотків. Безладна орієнтація кристалітів приводить до відсутності в сіталах анізотропії.Регулюючи режими термообробки, можна змінювати ступінь кристалізації й розміри кристалів, що відбивається на властивостях виробу. Властивості сіталів ізотропні й в основному визначаються фазовим складом та їхньою структурою.

Рисунок 19 - Схема кристалізації скла при утворенні сіталів за допомогою нуклеаторів

За зовнішнім виглядом сітали можуть бути непрозорими (глухими), прозорими, а також пофарбованими (темних, коричневих, сірих, кремових і світлих кольорів). Міцність їх залежить від температури: до 700-780°С вона знижується незначно, а при більш високих температурах швидко падає. Жароміцність сіталів становить 800-1200°С.Причина особливо цінних властивостей сіталів полягає в їхній винятковій дрібнозернистості й майже ідеальній полікристалічній структурі. У них зовсім відсутня будь-яка пористість. Усадка матеріалу під час його переробки незначна. Велика абразивна стійкість робить їх малочутливими до поверхневих дефектів.Деталі із сіталів з'єднують одна з одною й іншими матеріалами за допомогою склокристалічного цементу з подальшою термічною обробкою при 400-600°С, клеїв і замазок на основі епоксидної смоли й рідкого скла, металізацією з подальшим паянням. Сітали класифікують залежно від способу виробництва, від характеру вихідних матеріалів і за призначенням. Сіталові вироби одержують, як правило, шляхом плавлення скляної шихти спеціального складу, охолодження розплаву до пластичного стану й подальшого формування методами скляної або керамічної технології (витягування, видування, прокатка, пресування), а потім сіталізацією. Такі вироби одержують також порошковим методом спікання.За характером вихідних матеріалів і властивостей виділяють: петросітали, шлакоситали й технічні сітали. Різновидом сіталів є сіталопласти - композиційні матеріали, одержувані на базі пластичних мас (фторопластів) і сіталів. Петросітали одержують на основі габроноритових, діабазових й інших гірських порід, шлакосітали - з металургійних або паливних шлаків. Технічні сітали виготовляють на основі штучних композицій з різних хімічних сполук - оксидів, солей.За призначенням сітали поділяють на конструкційні (будівельні й машинобудівні), технічні, радіо-, електро- і фототехнічні.На основі сіталів одержують різні клеї для склеювання металу, скла, кераміки. Найбільше поширення в будівництві одержали шлакоситали й піношлакосітали. Шлакосітали - сітали з вогненно-рідких металургійних шлаків. Щільність - 600-2700 кг/м3; усж = 250-550 МПа, узг = 65-130 МПа, Е = 11 · 104 МПа, робочі температури - до 750°С, водопоглинання практично дорівнює нулю; високі кислото- і лугостійкість. Вироби зі шлакосіталу дешеві й відрізняються високою довговічністю. Ці вироби використовуються для сходових маршів, плиток підлог, внутрішніх перегородок, як покрівельний і стіновий матеріал, для облицювання відповідальних частин гідроспоруджень, а також у дорожньому будівництві як плити для тротуарів, дорожніх покриттів, бортових каменів. Листовий шлакосітал (можна одержувати будь-яких кольорів) використовується як декоративно-оздоблювальний матеріал для зовнішнього й внутрішнього облицювання споруджень. Шлакосітали можуть бути отримані будь-яких кольорів, а за довговічністю вони конкурують із базальтами й гранітами. Піношлакосітал - спінений шлакосітал із комірчастою структурою. Ефективний теплоізоляційний матеріал з незначним водопоглинанням і малою гігроскопічністю. Робочі температури - до 750°С. Піношлакосітали використовують для утеплення стін і звукоізоляції приміщень, а також для ізоляції трубопроводів теплотраси й промислових печей.

У машинобудуванні сітали застосовують для виготовлення підшипників, деталей двигунів, труб, жаростійких покриттів, лопат компресорів, точних калібрів металорізальних верстатів, метрологічних мір довжини, фільєр для витягування синтетичного волокна, абразивів для шліфування; у хімічному машинобудуванні - пар тертя, плунжерів, деталей хімічних насосів, реакторів, мішалок, запірних клапанів. Радіо- й електротехнічні сітали використовуються для виготовлення підкладок, оболонок, плато, сітчастих екранів, антенних обтічників й ін., а також як жаростійкі покриття для захисту металів від дії високих температур. Фототехнічні сітали застосовуються для виготовлення сітчастих екранів телевізорів, коліматорів світла, дорожніх знаків, дзеркал телескопів, для заміни фотоемульсій діапозитивів, на шкалах приладів й ін. Розподільна здатність і якість зображення у фотосіталів вищі, ніж у звичайних фотоемульсій.

Список літератури

1. Мозберг Р.К. Матеріалознавство. -М.: Вища школа, 1991.

2. Кулезньов В.Н., Шершньов В.А. Хімія та фізика полімерів: Підручник для вузів. -М.: Вища школа, 1988. 

3. Хімічна технологія кераміки та вогнетривів /За ред. Д.М.Полубояринова. -М.: СИ, 1972.

Размещено на Allbest.ru