Промишлено стъкло, наричано още архитектурно стъкло, твърд материал, който обикновено е лъскав и прозрачен на външен вид и който показва голяма издръжливост при излагане на естествените елементи. Тези три свойства - блясък, прозрачност и дълготрайност - правят стъклото предпочитан материал за такива предмети от бита като прозорци, бутилки и електрически крушки. Но нито едно от тези свойства само по себе си, нито всички заедно са достатъчни или дори необходими за пълно описание на стъклото. Определено според съвременните научни вярвания, стъклото е твърд материал, който има атомната структура на течност. Посочено по-подробно, след определението, дадено през 1932 г. от физика В. В. Захариасен, стъклото е разширена, триизмерна мрежа от атоми, които образуват твърдо вещество, което няма дългосрочна периодичност (или повтарящо се, подредено подреждане), типично за кристалните материали.
Обикновено стъклото се образува при охлаждане на разтопена течност по такъв начин, че да се предотврати подреждането на атомите в кристална формация. Вместо рязката промяна в структурата, която се случва в кристален материал, като метал, когато той се охлажда под точката на топене, при охлаждането на стъклообразуваща течност има непрекъснато втвърдяване на течността, докато атомите на практика не се замразят в повече или по-малко произволна подредба, подобна на подредбата, която са имали в течно състояние. Обратно, при прилагане на топлина върху твърдо стъкло, има постепенно омекване на структурата, докато достигне течно състояние. Това монотонно променящо се свойство, известно като вискозитет, позволява стъклените изделия да се правят непрекъснато, със суровини, разтопени до хомогенна течност, доставяни като вискозна маса до формовъчна машина, за да се направи конкретен продукт, и след това се охлаждат до твърд продукт и твърдо състояние.
Тази статия описва състава и свойствата на стъклото и неговото образуване от разтопени течности. Той също така описва процесите на индустриално производство и стъклообразуване и разглежда историята на производството на стъкло от древни времена. По този начин статията се фокусира върху състава и свойствата на оксидните стъкла, които съставляват по-голямата част от търговския тонаж на стъкло, както и върху конвенционалните методи за термично синтезиране или стопяване на стъкло. Въпреки това се обръща внимание и на други неорганични стъкла и на по-малко конвенционалните производствени процеси.
За подробно третиране на физиката на стъкленото състояние вижте статията аморфно твърдо вещество. За цялостно лечение на различните артистични приложения на стъклото вижте витражи и стъклени съдове.
Стъклени състави и приложения
Оксидни чаши
Silica базирани
От различни семейства от стъкло от търговски интерес повечето се основават на силициев диоксид или силициев диоксид (SiO 2), минерал, който се среща в голямо изобилие в природата - особено в кварцовите и плажните пясъци. Стъклото, направено изключително от силициев диоксид, е известно като силициево стъкло или стъкловиден силициев диоксид. (Нарича се още кондензиран кварц, ако се получава от топенето на кварцови кристали.) Силициевото стъкло се използва там, където са желани висока температура на работа, много висока устойчивост на термичен удар, висока химическа издръжливост, много ниска електрическа проводимост и добра ултравиолетова прозрачност. Въпреки това, за повечето изделия от стъкло, като контейнери, прозорци и електрически крушки, основните критерии са ниската цена и добрата трайност, а чашите, които най-добре отговарят на тези критерии, се основават на системата сода-вар-силициев диоксид. Примерите за тези очила са показани в таблицата Състав на представителните оксидни чаши.
| Състав на представителни оксидни чаши | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| оксидна съставка (тегловни проценти) | ||||||
| семейство стъкло | апликация на стъкло | силициев диоксид
(SiO 2) |
сода
(Na 2 O) |
вар
(CaO) |
алуминиев оксид
(Al 2 O 3) |
магнезия
(MgO) |
| стъкловиден силициев диоксид | тръбни пещи, силициеви тигели | 100,0 | - | - | - | - |
| сода-варов силикат | прозорец | 72.0 | 14.2 | 10.0 | 0.6 | 2.5 |
| контейнер | 74.0 | 15.3 | 5.4 | 1.0 | 3.7 | |
| крушка и тръба | 73.3 | 16.0 | 5.2 | 1.3 | 3.5 | |
| прибори за хранене | 74.0 | 18.0 | 7.5 | 0.5 | - | |
| натриев боросиликат | химически стъклария | 81.0 | 4.5 | - | 2.0 | - |
| оловно-алкален силикат | оловен "кристал" | 59.0 | 2.0 | - | 0.4 | - |
| телевизионна фуния | 54.0 | 6.0 | 3.0 | 2.0 | 2.0 | |
| алуминиев силикат | стъклена халогенна лампа | 57.0 | 0.01 | 10.0 | 16.0 | 7.0 |
| фибростъкло "E" | 52.9 | - | 17.4 | 14.5 | 4.4 | |
| оптичен | "Корона" | 68.9 | 8.8 | - | - | - |
| оксидна съставка (тегловни проценти) | ||||||
| семейство стъкло | апликация на стъкло | борен оксид
(B 2 O 3) |
бариев оксид
(BaO) |
оловен оксид
(PbO) |
калиев оксид
(K 2 O) |
цинков оксид
(ZnO) |
| стъкловиден силициев диоксид | тръбни пещи, силициеви тигели | - | - | - | - | - |
| сода-варов силикат | прозорец | - | - | - | - | - |
| контейнер | - | следа | - | 0.6 | - | |
| крушка и тръба | - | - | - | 0.6 | - | |
| прибори за хранене | - | - | - | - | - | |
| натриев боросиликат | химически стъклария | 12.0 | - | - | - | - |
| оловно-алкален силикат | оловен "кристал" | - | - | 25.0 | 12.0 | 1.5 |
| телевизионна фуния | - | - | 23.0 | 8.0 | - | |
| алуминиев силикат | стъклена халогенна лампа | 4.0 | 6.0 | - | следа | - |
| фибростъкло "E" | 9.2 | - | - | 1.0 | - | |
| оптичен | "Корона" | 10.1 | 2.8 | - | 8.4 | 1.0 |
След силициев диоксид много от чашите със сода-вар имат своите основни съставки сода или натриев оксид (Na 2 O; обикновено получени от натриев карбонат или сода) и вар или калциев оксид (CaO; обикновено получени от печени варовик). Към тази основна формула могат да се добавят други съставки, за да се получат различни свойства. Например чрез добавяне на натриев флуорид или калциев флуорид може да се получи полупрозрачен, но не прозрачен продукт, известен като опалово стъкло. Друг вариант на базата на силициев диоксид е боросиликатно стъкло, което се използва там, където се желае висока устойчивост на термични удари и висока химическа издръжливост - както в химическите стъклени изделия и автомобилните фарове. В миналото оловното "кристално" прибори за хранене се правеше от стъкло, съдържащо големи количества оловен оксид (PbO), което придава на продукта висок коефициент на пречупване (оттук и блясъка), висок модул на еластичност (следователно звучност, или "пръстен ”) И дълъг работен диапазон от температури. Оловен оксид също е основен компонент в стъклените припои или в уплътнителните чаши с ниски температури на изпичане.
Други стъкла на основата на силициев диоксид са алумосиликатните стъкла, които са междинни между стъкловидния силициев диоксид и по-често срещаните чаши от сода-силициев диоксид в термични свойства, както и по цена; стъклени влакна като E стъкло и S стъкло, използвани в подсилена с влакна пластмаса и в термоизолационна вълна; и оптични очила, съдържащи множество допълнителни основни компоненти.
Nonsilica
Оксидните чаши, които не са базирани на силициев диоксид, са с малко търговско значение. Те обикновено са фосфати и борати, които имат известна употреба в биорезорбируеми продукти, като хирургическа мрежа и капсули, освобождаващи време.
Очила с ноноксид
Тежки метални флуоридни очила
От ноноксидните стъкла, флуоридните стъкла с тежки метали (HMFG) имат потенциална употреба в телекомуникационните влакна, поради относително ниските си оптични загуби. Те обаче са изключително трудни за образуване и имат слаба химическа издръжливост. Най-изследваната HMFG е така наречената ZBLAN група, съдържаща флуориди от цирконий, барий, лантан, алуминий и натрий.
Стъклени метали
Друга група от неноксиди са стъклените метали, образувани при бързото гасене на течни метали. Може би най-проучваният стъклен метал е съединение от желязо, никел, фосфор и бор, което се предлага в търговската мрежа като Metglas (търговска марка). Използва се в гъвкави магнитни екраниращи и силови трансформатори.
Полупроводникови твърди частици
Краен клас от неноксидни, некристални вещества са халкогенидите, които се образуват чрез стопяване на халкогенните елементи сяра, селен или телур с елементи от група V (напр. Арсен, антимон) и група IV (например германий) на периода таблица. Благодарение на своите полупроводникови свойства халкогенидите са намерили приложение в устройства за превключване на праг и памет и в ксерография. Свързан краен член на тази група са елементарните аморфни полупроводникови твърди частици, като аморфен силиций (a-Si) и аморфен германий (a-Ge). Тези материали са в основата на повечето фотоволтаични приложения, като например слънчевите клетки в джобните калкулатори. Аморфните твърди вещества имат атомен ред, подобен на течността, но не се считат за истински очила, тъй като при нагряване не проявяват непрекъсната трансформация в течно състояние.
Стъклена керамика
В някои чаши е възможно да се постигне определена степен на кристализация в нормално случайната атомна структура. Стъклените материали, които проявяват такава структура, се наричат стъклокерамика. Търговско полезна стъклокерамика е тази, при която е постигната висока плътност на неориентирани кристали с равномерни размери, по-голямата част от материала, а не на повърхността или в отделни области. Такива продукти неизменно притежават якост, далеч надвишаваща тези на основното стъкло или на съответната керамика. Изключителни примери са съдовете за готвене Corning Ware (запазена марка) и зъбните импланти Dicor (запазена марка).
Стъклени композити
В допълнение към стъклената керамика, полезни продукти от стъкло могат да бъдат направени чрез смесване на керамични, метални и полимерни прахове. Повечето продукти, произведени от такива смеси или композити, проявяват свойства, които са комбинации от свойствата на различните съставки. Добри примери за композитни продукти са подсилените със стъклени влакна пластмаси, които се използват като твърди еластични твърди частици и дебелослоен проводник, резистор и диелектрични пасти с адаптирани електрически свойства за опаковане на микросхеми.
