Вырезкова А.В.
Иркутский национально исследовательский технический университет,
Россия
Стекло как материал
XXI век – век
постиндустриального общества, которое характеризуется высокопроизводительной промышленностью,
индустрией знаний. Научные разработки становятся главной движущей силой
экономики — базой индустрии знаний. В разных областях науки совершается
множество открытий, дающих новую пищу для размышлений.
Стекло – материал, который не может не привлекать внимание ученых
и инженеров. Стекло - это такое состояние аморфного вещества, которое получается
при затвердевании переохлажденной жидкости. Определить понятие стекло и
стеклообразное состояние непросто, т.к. между стеклом и жидкостью, с одной
стороны, и стеклом и кристаллом – с другой, имеется непрерывный переход. Таким
образом, лучше называть стеклом твердое вещество с достаточно плотной упаковкой
атомов, в котором при наличии ближнего порядка отсутствует дальний порядок.
Рассматривая
стекло, как строительный материал, можно составить классификацию стекла,
характеристики разных видов и провести сравнительный анализ. Определить
различия прочности, жесткости, расчетных сопротивлений разных видов стекла,
преимущества и недостатки новых разработок в данной области.
Слово «стекло» обычно ассоциируется у нас с прозрачным твердым телом,
которое очень хрупко и легко может разбиться при ударе. Исключительное значение
стекла в нашей жизни объясняется его замечательными свойствами, резко
отличающими его от всех известных нам материалов. Безусловно, самое примечательное
из них — прозрачность. Чтобы составить себе ясное представление о степени
прозрачности стекла, вспомним, что пластинка толщиной в один сантиметр, изготовленная
из высокосортного стекла может пропускать больше 99% падающего на нее света.
Вторым замечательным свойством
стекла следует считать его химическую устойчивость. По существу, разрушающее
действие на стекло оказывает лишь одно вещество — плавиковая кислота. Все же
остальные химические соединения совсем не действуют на стекло или производят лишь
незначительные повреждения его поверхности, медленно проникающие вглубь.
Исключительно высокая химическая стойкость стекла великолепно защищает
стеклянные изделия от воздействия так называемых атмосферных агентов — дождей,
морозов, солнечных лучей.
Главный потребитель стекла —
строительное дело. Больше половины всего выплавляемого стекла перерабатывается
на листы для остекления зданий. Вторая по величине группа стеклянных изделий— это так называемое «полое» стекло,
т. е. сосуды самого разнообразного типа, фасона и назначения — для жидкостей,
порошков, газов, для продуктов питания, химикалий и т. д. Не менее почетное
место стекло занимает и в пищевой промышленности— бутылки, консервная тара,
хозяйственные банки, бытовая столовая посуда и т. п. В качестве совершенно
незаменимого материала стекло выступает там, где речь идет о хранении
химических активных веществ, например в лабораторной технике, которая
немыслима без стеклянной химической посуды. Не забудем и транспорт, который
потребляет громадное количество специального листового стекла для остекления
автомашин, самолетов, троллейбусов, трамваев, железнодорожных вагонов,
пароходов. Так же стекло широко используется при производстве стеклянной ваты,
стеклянного волокна и тканей из него. Последнее - применение стекла в
изобразительном искусстве.
Время не стоит на месте и с
развитием новых технологий и стеклу находится все новое и новое применение.
Например, недавно, в сентябре 2015 года, в горах
Юньтайшань в Китае был открыт уникальный стеклянный мост, длина которого
составила 260 метров. Высота, на которой он расположен, - 180 метров. Инженеры,
спроектировавшие мост, уверяют, что на одном квадратном метре мост выдерживает
до 800 килограммов. Однако недавно в китайских СМИ появилась новость о том, что
стекло треснуло от падения металлического термоса с водой, принадлежавшего
одному из туристов. Официальные представители успокоили туристов, заявив, что
трещины не представляют никакой угрозы для безопасности находящихся на мосту,
так как треснул всего лишь один из слоев стекла.
Но чаще в
строительстве стекло используют для остекления витрин или оконных проемов. Для
таких целей подходит обычное витринное стекло. Стекло листовое высокоотражающее
– обычное оконное стекло, но на поверхность такого листового оконного стекла
нанесена специальная полупрозрачная пленка, которая отражает свет. Пленка для
стекла листового высокоотражающего изготавливается на основе окиси титана.
Стекло листовое радиозащитное – это также разновидность оконного стекла, на
поверхность которого нанесена экранизирующая пленка. Такую пленку наносят на
оконное стекло в процессе его формирования на машинах. Армированное стекло на
поточных линиях, изготавливается методом непрерывного проката с одновременным
закатыванием листа металлической сетки. Армированное стекло может иметь или
гладкую или узорчатую поверхность, быть или цветным или бесцветным. Все эти
виды стекла используются в качестве оконных или витринных.
Ситаллы – это
листовое стекло, самой разнообразной фактуры, покрытое с одной стороны
керамическими кристаллами разнообразного цвета. Изготавливают ситаллы из
неполированного оконного стекла или прокатного стекла. Ситаллы используют для
облицовки зданий, как с внутренней, так и наружной стороны, а также используют
для изготовления стеновых панелей и плит полов.
Армированное стекло — листовое стекло с металлической сеткой,
безопасное и пожаростойкое, которое при пожаре образует эффективную преграду
против дыма и горячих газов. При пожаре оно может треснуть, однако арматура
удерживает его на месте, предотвращая тем самым распространение огня. Осколки
стекла не выпадают даже при образовании нескольких разломов, а удерживаются на
месте арматурой. И хотя такое стекло уже «прошлый век», оно все равно
пользуется спросом из-за своей доступной цены.
Закаленное стекло более стойкое, чем армированное, и в 10 раз
прочнее обычного. «Закаливающие процедуры» проводят таким образом: горячее
стекло сразу после изготовления быстро остужают холодным воздухом. В результате
ему не страшны ни мороз, ни жара. Но тем не менее, если по закаленному стеклу
хорошенько двинуть, оно рассыплется на множество стеклянных осколков-крошек.
Именно закаленные стекла применяют для «остекления» автомобилей, автобусов и
прочего транспорта, входных дверей и перегородок.
В настоящее
время известно, что в стеклообразное состояние можно перевести вещества
различной природы. Это и расплавы ряда чистых оксидов и их смесей в
бесчисленных вариантах, и солеобразные расплавы - халькогенидные, галогенидные,
нитратные и др. В стеклообразном состоянии легко могут быть получены и многие
органические вещества. Стекла легко образуются водными растворами многих солей
и их смесей. В последнее десятилетие стали известны металлические стекла,
полученные особо быстрым охлаждением сплавов разных металлов. Таким образом, в
стеклообразном состоянии могут находиться вещества самого разного химического
типа, с самыми разными видами химических связей - ковалентных, ионных, металлических
- и разнообразными физико-химическими свойствами.
Китайские
и английские ученые создали металлические стекла на основе церия с довольно
необычными для такого рода веществ свойствами. Металлические стекла - это
аморфные вещества, являющиеся проводниками. Их обычно получают за счет быстрого
охлаждения расплава, в результате чего материал (сплав), оказавшись при
температуре перехода в стеклообразное состояние, не кристаллизуется, а
затвердевает в аморфном состоянии. Хотя наиболее термодинамически выгодным для
сплава является кристаллическое состояние, аморфная структура обладает очень
большим временем жизни - десятки и сотни лет. Металлические стекла в ряде
случаев обладают уникальными механическими и магнитными свойствами (такими как
твердость, прочность на растяжение и т.д.), что обуславливает их практические
применения. Однако при комнатной температуре все металлические стекла являются
очень хрупкими.
Другой
класс аморфных материалов, гораздо более широко применяемых в промышленном
производстве, это полимерные стекла (пластмассы). Обладая существенно меньшей
прочностью, они в то же время имеют существенно меньшую температуру
стеклования, чем металлические стекла, и легко подаются обработке при
нагревании вследствие высокой пластичности.
Исследователи
из Лаборатории материаловедения в Беркли под руководством Роберта Ричи нашли
путь устранения недостатков, присущих подобным стёклам. Они разработали стекло
на основе палладия, аморфное по своей структуре, которое имеет такую же
усталостную прочность, как и обычные конструкционные материалы с
поликристаллической структурой на основе стали, алюминия или титана. Теперь,
когда добавки палладия позволили преодолеть его главный технологический
недостаток, такое стекло может с полным правом претендовать на роль материала
21 века.
Современные ученые уделяют такому материалу,
как стекло, особое внимание, ведь его уникальные качества позволяют
использовать его там, где не подойдет ни один другой материал.
Стекла бывают разных видов и
применяются для разных целей, но, наверное, нет в мире ни одного настолько
популярного и необходимого материала. Возможно, с течением времени и появится
что-то новое, но пока без стекла нам не обойтись.
Литература:
1. Качалов Н.
«Стекло» 1959г.
2. Гриднев С.А.
«Дипольные стекла» 1998г.
4. http://www.festivalnauki.ru/