Тема 31. Стекло.

Виды
стекла. Строительные конструкции и
отделочные мате­риалы, в которых
используется стекло.

Стекло
– природный экологически чистый
материал.

История:
археологически находки – фаянсовая
плитка и украшения из стекла в Египте.

В
природе встречается стекло естественного
происхождения, которое образуется при
попадании молнии в залежи кварцевого
песка.

Основы
производства: Основные
компоненты: кварцевый песок, сода,
мел,

доломит,
известняк. В стекломассу вводятся
различные

оксиды.
От них зависят эксплуатационно-технические
свойства.

Так
же вводят осветлители, обесцвечиватели,
красители, глушители, окислители,

восстановители.

Свойства
стекла:

1. Прозрачность;

2. Стойкость
   к агрессивным веществам;

3. Огнестойкость;

4. Водостойкость;

5. Звукопоглощение;

6. Прочность;

7. Хрупкость.

Технология
изготовления:

—
сбор и очистка кварца;

—
добавление примесей:

—
плавление в печи;

—
постепенное охлаждение;

—
дальнейшая обработка/отделка поверхности.

Виды
стекла по назначению:

1. Оптическое
   стекло
   — применяют для изготовления линз,
   призм и др.

2. Химико-лабораторное
   стекло
   — стекло, обладающее высокой химической
   и термической устойчивостью.

3. Строительное
   стекло
   – используется для изготовления
   стеклопакетов, перегородок;

4. Декоративное
   стекло
   – для изготовления витражей, посуды,
   элементов декора.

5. Закаленное
   стекло
   — стекло, нагретое до температуры
   закалки (650—680°C) с последующим быстрым
   равномерным охлаждением воздухом. Это
   обеспечивает повышенную механическую
   прочность, термостойкость и безопасность
   при разрушении. Разбиваясь, такое
   стекло разрушается на множество мелких
   осколков с тупыми гранями.

Например:
витрины, общественные объекты.

6. Бронированное
   стекло
   – закаленное стекло с добавлением
   химических примесей, толщиной не менее
   12мм, которое при механическом столкновении
   не раскалывается, не теряет прозрачности.

Например:
для военной техники, для сервиса банков.

7. Триплекс
   — многослойное стекло (два или более
   стекла, склеенные между собой специальной
   полимерной, способной при ударе
   удерживать осколки). Как правило,
   изготавливается путём прессования
   при нагреве.

Например:
для всего общественного транспорта.

8. Армированное
   стекло
   – стекло повышенной прочности, в
   которое вплавлена металлическая сетка.

Например:
остекление крыш.

9. Цветное,
   или тонированное стекло может
   иметь разный цвет .

Также
цветное стекло может быть двухслойным
(бесцветный слой дополняется

тонким
цветным). Тонированное стекло хорошо
использовать для витражей.

Виды
строительного стекла: 2
группы

Светопрозрачные –
оконное стекло, витринное стекло,
узорчатое, матовое и

матово-узорчатое
стекло, цветное (однослойное и
многослойное),

закаленное,
теплопоглощающее и теплоотражающее,
блоки стеклянные пустотелые,

стеклополотна,
стеклопакеты, стекло строительное
профильное.

Непрозрачные –
стемалит (плоские листы, вн. сторона
окрашена керамической

краской),
марблит (прямоугольные или квадратные
плиты, с одной столоны

рифленые,
с другой полированные), эмалированные
плитки, смальта (стекло + металл),
мозаичные плитки

Листовое
оконное стекло используется
для остекления окон и балконов.

Оно
прозрачно и бесцветно (допустим легкий
голубоватый или зеленоватый оттенок). 

Витринное
стекло толще
оконного, также оно полированное.

Обе
поверхности полированного
стекла тщательно
шлифуют и полируют,

за
счет этого изображение не искажается,
когда вы смотрите сквозь такое стекло.

Такие
виды стекол, как марблит и стемалит —
непрозрачны.

 Марблит,
или стекломрамор имеет
темный цвет (черный, темно-зеленый)

и
имитирует естественный камень (мрамор
или гранит).

Марблит
может иметь гладкую, рифленую, кованую
или мелкоузорчатую поверхность.

Чаще
стекломрамор используется для облицовки
нежилых помещений

(магазинов,
больниц и т.п.).

 Стемалит —
это закаленное стекло, покрытое с одной
стороны эмалевой краской.

Благодаря
термообработке стемалит хорошо сохраняет
цвет, стоек к воздействию

высоких
температур и атмосферных явлений,
поэтому тоже используется для облицовки.

увиолевое
стекло. пропускает
ультрафиолетовые волны в биологической
области спектра, благодаря чему его
можно использовать в детских садах,
школах, больницах,

поликлиниках
и т.п.

Многослойные
стекла склеены
из нескольких листовых стекол при
помощи

промежуточной
пленки под воздействием высокого
давления и температуры.

Оно
более безопасно, так как при разбивании
за счет пленки не разлетается на куски,

а
также улучшает тепло- и звукоизоляцию.

 Стекловолоконный
лист (стевит) 

изготавливается
из двух листовых стекол с прокладкой
из стекловолокна,

соединенных
герметиком. Стевит обладает
светорассеивающим свойством.

Материалы из стеклянных и других минеральных сплавов

Материалы из стеклянных и других минеральных расплавов

Акулова А. В.

Гр. 639

г. Шадринск, 2016

Определение

Материалы из стекла имеют искусственную аморфную структуру, их получают из минерального расплава, содержащего стеклообразующие компоненты. Переход из жидкого расплава в твёрдое стеклообразное состояние-процесс обратимый. Кроме материалов из стекла, выделяют материалы из каменных и шлаковых расплавов.

Основы производства. Сырье

Основные сырьевые компоненты для производства материалов из стекла – кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк. При этом в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щёлочно-земельные оксиды. От их количества непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты – осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители.

Осветлители

Осветлители вводят для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т.е. для ее осветления. Этим ускоряется процесс стекловарения.

Обесцвечиватели

Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зелёные или желто-зелёные оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах

Красители

Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов, главным образом оксиды тяжёлых металлов – марганца, кобальта, никеля, хрома, железа.

Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Вместе с тем существует группа стекол (цветные), для варки которых требуется восстановительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители и восстановители.

Сырьём для производства материалов их минеральных расплавов ( каменных, шлаковых) служат соответственно базальтовые, диабазовые, базальто-доломитовые и другие породы, доменные металлургические шлаки.

Номенклатура

Материалы из стекла и других минеральных расплавов можно разделить на две основные группы: светопрозрачные и непрозрачные.

Светопрозрачные материалы и изделия

• Оконное стекло
• Витринное стекло
• Флоат-стекло
• Узорчатое стекло
• Матовое стекло
• Узорчато-матовое стекло
• Цветное стекло
• Армированное стекло
• Закаленное стекло

Оконное стекло

Наиболее распространено в строительстве оконное стекло – бесцветное с гладкими поверхностями. Листы оконного стекла выпускаются, например шириной 250-1600 мм, длиной 250-2200 мм, толщиной 3-6 мм. Масса 1м² стекла 2-5 кг.

Витринное стекло

Витринное стекло представляет собой крупногабаритные бесцветные листы, как правило полированные. Один из наименьших размеров 1700х1250 мм, наибольших 2500х6000 мм при толщине 5,5-10 мм.

Флоат-стекло

Флоат-стекло толщиной от 3 до 25 мм и с наибольшим размером 3,2х6 м, получаемое формованием на расплаве металла, не имеет оптических дефектов.

Узорчатое стекло

Применяют узорчатое стекло для остекления дверей, перегородок и других ограждений для создания мягкого освещения и защиты от прямого солнечного света.

Матовое стекло

Матовое стекло получают из оконного стекла толщиной 3-6 мм при помощи пескоструйной или химической обработки одной или обеих сторон.

Матово-узорчатое стекло

Если на поверхность матированного стекла нанести слой столярного клея и подвергнуть его термообработке, то после снятия клея образуется матово-узорчатое стекло «мороз», имитирующее рисунок замёрзшего стекла.

Цветное стекло

Цветное стекло может быть однослойным, окрашенным в массе и двухслойным из бесцветной стекломассы с цветным накладным слоем толщиной 1 мм. Его применяют для декоративного остекления световых проёмов, устройства перегородок, изготовления витражей.

Армированное стекло

Армированное стекло имеет внутри параллельно поверхности сварную светлую металлическую сетку из термообработанной стальной проволоки. Прочность стекла при этом не меняется. Армированное стекло служит для остекления световых проёмов и дверей, фонарей верхнего света, для ограждения балконов, лоджий, лестниц, лифтовых шахт, устройства перегородок и светопрозрачных кровель.

Закаленное стекло

Закалённое стекло имеет сравнительно высокую механическую прочность и термостойкость. Это достигается обработкой листового стекла и последующим резким, но равномерным охлаждением поверхностей потоком воздуха, реже жидкостью. Закалённое стекло используют для остекления витрин и светопроёмов общественных зданий, сплошных стеклянных дверей, перегородок и других ограждающих конструкций, к которым предъявляются требования повышенной стойкости к возможным ударным воздействиям.

Блоки стеклянные пустотелые

Блоки стеклянные пустотелые получают сваркой по периметру двух прессованных полублоков, стекломасса которых может быть бесцветной или цветной. Внутренняя поверхность гладкая или с рельефным рисунком. Масса блоков обычно 2,4 и 4,3 кг. Стеклоблоки предназначены для кладки наружных ограждений, перегородок, заполнения светопроёмов в жилищно-гражданском и промышленном строительстве.

Стеклополотна

Стеклополотна представляют собой листы закалённого утолщённого стекла для заполнения дверных проёмов в общественных зданиях.

Стеклопакеты

Стеклопакеты получают при соединении по контуру с определённым зазором двух или более листов стекол. Площадь стеклопакета до 5 м², расстояние между стёклами 15-20 мм. Применяют стеклопакеты для заполнения оконных проёмов, витрин

Стеклопрофилит

Стекло строительное профильное формуют на прокатных установках из бесцветного или цветного стекла в виде непрерывного профильнопогонажного материала коробчатого или швеллерного сечения с гладкой, рифлёной или узорчатой поверхностями. Максимальная длина стеклопрофилита коробчатого сечения 5 м, швеллерного – 7 м. Размеры сечения могут быть разными, толщина стекла 5,5 мм. Профильное стекло используют для светопроницаемых ограждений (самонесущих стен, перегородок, кровель).

Светонепрозрачные облицовочные материалы из стекла

• Стемалит
• Марблит
• Эмалированные и стекломазаичные плитки
• Смальта
• Зеркальные, стеклокристаллические плитки
• Стеклообои

Стемалит

Стемалит – листы плоского стекла, внутренняя сторона которых окрашена керамической краской. Размер листов стемалита не менее 900х400 мм, толщина 5-7,5 мм. Такое облицовочное стекло выпускают 27 различных цветов и применяют для отделки фасадов, интерьеров общественных и промышленных зданий, ограждений балконов и лоджий.

Марблит

Марблит – материал в виде плоских прямоугольных или квадратных плит с полированной лицевой и рифлёной внутренней поверхностью. Выделяют две разновидности марблита – стекломрамор и декоративный марблит. Марблит служит для наружной и внутренней облицовок зданий различного функционального назначения.

Эмалированные плитки

Эмалированные плитки часто изготовляют из отходов оконного или витринного стекла, разрезая его по заданным размерам и покрывая с одной стороны слоем эмали, закрепляемой при термообработке. Размеры плиток 100х100 или до 200х200 мм, толщина – 4-6 мм.

Смальта

Смальта – куски глушеного цветного стекла неправильной формы толщиной 10 мм, полученное из стекломассы отливкой или прессованием. Ранее из смальты изготовляли мозаичные панно, декоративные вставки при отделке фасадов и интерьеров. В современной лаконичной архитектуре смальта применяется сравнительно редко.

Мозаичные плитки

Мозаичные плитки, например, размером 21х21х5 мм, которые получают при прокатке или прессовании стекломассы с разнообразными эстетическими характеристиками, позволяют создавать оригинальную отделку интерьеров.

Пеностекло

Пеностекло – высокопористый материал (пористость до 94%), получаемый при спекании порошка стеклянного боя с газообразователями. Используется оно в виде плит и блоков в основном для теплоизоляции стен, покрытий, кровель.

Стеклообои

Стеклообои — особый тип рулонного настенного покрытия, изготавливаемый ткацким методом из стеклонитей различной плотности и толщины, с последующей пропиткой специальным составом для придания тканому полотну стабильности. После нанесения на поверхность, стеклотканевые обои рекомендуется окрашивать латексными красками и красками на водной основе.

Из каменных расплавов (базальта, диабаза) изготавливают плиты, плитки, литую брусчатку – материалы, отличающиеся высокой прочностью, долговечностью и большой коррозийной стойкостью в агрессивных средах.

Из расплава доменного шлака (после его быстрого охлаждения) получают шлаковую пемзу (термозит), которая служит пористым заполнителем для лёгких бетонов.

Свойства

• Пористость у стеклянных материалов (за исключением теплоизоляционных и звукопоглощающих) отсутствует.
• Стеклянные светопрозрачные материалы обладают высокой стойкостью к агрессивным веществам.
• Материалы из стекла относятся к хрупким, у них отсутствуют пластические деформации.
• Поглощение света определяется коэффициентом поглощения и оптической плотностью, а также связано с толщиной стекла и особенно наличием красящих добавок. В целом оптические свойства стекол зависят от их химического состава.

Эстетические характеристики

• Эстетические характеристики материалов из стекла оценивают с помощью измерительных инструментов (микрометры, линейки, угольники, щупы) и визуально – путём сравнения с образцами-эталонами с определённого расстояния.
• При оценке внешнего вида витражей или стекломозаики учитывают способ их получения.

Область применения

Конструкционные материалы из стекла (пеностекло, стекловатные для теплоизоляции) используются в ограниченном объёме, а конструкционно-отделочные материалы – практически в каждом здании или сооружении.

Архитектурный образ современных зданий и сооружений определяется структурой несущих элементов, выявленных на фасаде, и плоскостями из стекла.

Соотношение светопрозрачных и глухих участков фасада, пропорции членения, цвет стекла – это те параметры, которые позволяют создавать навесные стены с разнообразным внешним обликом. Оригинальный внешний вид фасада получают сочетанием светопрозрачных и светонепрозрачных материалов из стекла.

Связать воедино вестибюли и фойе с окружающей средой за пределами здания – с улицей, с природой, создать впечатление лёгкости – характерное стремление архитекторов при проектировании ряда общественных зданий, в этом им помогают прозрачные стеклянные стены.

Материалы из стекла применяют для выявления пластики фасада вне зависимости от функционального назначения здания, широко применяются зеркальные стёкла с высоким отражением в видимой части спектра.

Узорчатые, матово-узорчатые, рельефные и цветные листовые стёкла для перегородок, дверных полотен оказывают огромное влияние на эстетику интерьеров различного назначения.

Не меньшую значимость имеют цветные художественные витражи, которые могут изготовляться не только традиционным способом, но и по новой технологии в сочетании с современными материалами, в том числе с железобетоном, металлическим профилями.

Принципиальное значение имеет и тот факт, что материалы из стекла остаются экологически чистыми на протяжении всего срока их эксплуатации.

Конец!

Понимание физических свойств стекла

Факты изготовления

Различные типы стекла обладают разными свойствами в зависимости от их химического состава и способа производства. Выбор правильного типа стекла для конкретного применения также означает понимание различных физических свойств, которыми обладает каждый тип стекла.

Необходимо учитывать 5 основных свойств стекла:

• Тепловые свойства
• Оптические свойства
• Химические свойства
• Электрические свойства
• Механические свойства

Тепловые свойства

Стекло оценивается по целому ряду факторов, которые сильно влияют на выбор стекла. Коэффициент теплового расширения (КТР) — это измерение расширения стекла при повышении температуры. Это важный фактор, который следует учитывать при размещении стекла в раме, поскольку стекло расширяется гораздо меньше, чем большинство металлов и пластиков, и может привести к поломке при охлаждении. Теплопроводность — это способность проводить тепло через стекло или от источника тепла/света. Это важно при рассмотрении стекла в качестве смотрового окна, подверженного воздействию высоких температур или для приложений с высоким уровнем инфракрасного излучения. Каждый тип стекла имеет максимальную рабочую температуру и степень теплового удара. Они будут определять выбор стекла в зависимости от количества тепла, которое стекло выдержит, и от того, как оно охлаждается после того, как стекло подвергается быстрому изменению температуры. Стекло может быть упрочнено для изменения этих тепловых свойств путем термоупрочнения, термозакалки или химического упрочнения. Нажмите здесь, чтобы узнать больше об упрочнении стекла.

Оптические свойства

Существует несколько важных измерений при определении количества света, проходящего через стекло. Показатель преломления определяет, насколько «изгибается» световая волна при входе или выходе из поверхности стекла. Это важно при создании определенных оптических устройств или эффектов, таких как линзы. Дисперсия измеряет разделение света на составляющие его цвета, например, призма рассеивает белый свет на цветовую полосу или эффект радуги. Пропускание измеряет количество света, проходящего через стеклянный материал, и его противоположность, отражательная способность, которая измеряет возвращение света от поверхности. Свойство поглощения — это количество световой энергии, преобразованной в тепло внутри стекла, которое не передается и не отражается. Тонированные материалы поглощают больше света, чем прозрачные.

Химические свойства

Все стекла типа натриевой извести и некоторые боросиликатные стекла содержат ионы натрия или щелочных металлов. Длительное воздействие жидкостей или паров, таких как вода, приведет к миграции ионов натрия/щелочи на поверхность стекла, что называется выщелачиванием натрия или щелочи. Это может вызвать помутнение или дымку на поверхности стекла. Пористые покрытия также могут подвергаться этому явлению, вызывая нарушение связи между покрытием и поверхностью стекла. При использовании в условиях высокой влажности или на критических поверхностях это необходимо учитывать при выборе материала. Нанесение на стекло «барьерного» покрытия, такого как диоксид кремния, ограничит количество реакции. Кислотостойкость и щелочестойкость измеряют время, необходимое для удаления слоя заданной толщины для каждого испытания.

Электрические свойства

При выборе стекла для электрических или электронных устройств необходимо учитывать несколько характеристик. Объемное удельное сопротивление — это сопротивление в омах между противоположными гранями кубического сантиметра испытуемого стекла. Это важно, когда стекло используется в качестве электрического изолятора. Диэлектрическая проницаемость стекла представляет собой отношение энергии, запасенной в конденсаторе со стеклом в качестве диэлектрика, к энергии, запасенной в том же конденсаторе с воздухом в качестве диэлектрика. Он измеряет способность стекла накапливать электрическую энергию и зависит от частоты напряжения, подаваемого на конденсатор. Это важно, когда стекло используется в качестве подложки для электрических или электронных устройств. Удельное поверхностное сопротивление представляет собой отношение градиента потенциала, параллельного току вдоль его поверхности, к току, приходящемуся на единицу ширины поверхности. Этот метод используется для измерения проводимости стекла с покрытием.

Механические свойства

Механические свойства стекла определяют степень нагрузки, которую может выдержать стекло. Напряжение определяется как перпендикулярная сила на единицу площади, приложенная к объекту таким образом, что сжимает (напряжение сжатия) или растягивает (напряжение растяжения) объект. Прочность способность стекла противостоять этим нагрузкам. Неупрочненные стеклянные материалы имеют относительно низкую прочность на растяжение, но высокую прочность на сжатие. Таким образом, большая часть поломок стекла происходит из-за разрушения при растяжении. Механические свойства измеряются различными способами: испытание на модуль разрыва (MOR) измеряет прочность на изгиб или изгиб; модуль сдвига измеряет силу сдвига или скручивания, которую может выдержать стекло; Число твердости по Кнупу (KHN) измеряет твердость стекла; плотность — значение массы на единицу объема, удельный вес — отношение плотности стекла к плотности воды.

Справочник по стеклу

Связанные с производством факты

Frit — прочные, термостойкие чернила, состоящие из стеклянных и керамических частиц. Состав фритты способствует адгезии краски…

подробнее

Трафаретная печать изображений включает нанесение чернил через сетчатый экран для получения изображения, а затем отверждение чернил для прилипания к подложке. Цифровой…

подробнее

Натронная известь — это флоат-стекло, которое может быть закалено при нагревании или подвергнуто химическому упрочнению. Не требует специальной обработки при использовании, поэтому…

подробнее

Механические свойства стекла: дизайн, способный выдерживать нагрузки, удары и истирание | Kopp Glass

При разработке линзы для суровых условий необходимо выбрать материал, устойчивый к давлению, истиранию и ударам. Некоторые приложения, такие как внешнее освещение самолетов, могут использовать материал на пределе своих возможностей. Внешние линзы самолета подвергаются воздействию смога, пыли и других загрязнителей воздуха на очень высоких скоростях; возникающие в результате удары могут повредить поверхность линзы, иногда до такой степени, что она больше не может соответствовать требованиям к передаче.

Правильный выбор материала для линзы, фильтра или другого компонента оптической системы имеет решающее значение для успешного проектирования продукта. Физические свойства материала определяют его способность сопротивляться повреждениям и предотвращать выход из строя. В этой статье мы рассмотрим механические и химические свойства стекла, включая модули упругости, прочность, твердость, ударопрочность и химическую стойкость, и продемонстрируем их влияние на различные области применения.

Напряжение, деформация и упругие свойства

Возможно, вы удивитесь, узнав, что стекло является эластичным материалом на атомарном уровне. Это означает, что под нагрузкой стекло будет деформироваться из-за природы его структуры атомных связей. Однако это изменение не является постоянным, и когда напряжение снимается, стекло возвращается к своей первоначальной форме. Напряжение на стекле определяется силой, приложенной к единице площади,

Приложенное напряжение может быть однородным, то есть даже по всему образцу стекла, или может иметь место градиент напряжения, когда одна область испытывает большее напряжение, чем другая. Штамм, e описывает деформацию стекла. Это частичное изменение длины из-за напряжения сжатия или растяжения,

Упругий характер стекла описывается его модулями упругости. Эти модули многое говорят вам о том, насколько стекло будет деформироваться под нагрузкой и в каком направлении оно будет деформироваться. Они определяются соотношениями между разнонаправленными элементами напряжений и деформаций. Тремя важными и часто используемыми модулями упругости являются модуль Юнга, коэффициент Пуассона и модуль сдвига.

Модуль Юнга:

Y = σ _x / e _x

Модуль Y является мерой жесткости стекла. Большие значения Y указывают на более жесткие стекла, которые не будут так сильно деформироваться при приложении нагрузки.

Коэффициент Пуассона: 

ν = -e _y  / e _x

Коэффициент Пуассона,  v , показывает взаимосвязь между удлинением и сжатием материала при приложении напряжения к одному направление. Материал обычно будет удлиняться по длине в направлении приложенного растягивающего напряжения и уменьшаться в размерах в перпендикулярном направлении.

Модуль сдвига:

G = σ _xy e _xy

Модуль сдвига G связывает напряжение сдвига и деформацию сдвига. Это показатель жесткости стекла.

Поскольку стекло является изотропным материалом, а это означает, что объемные свойства не зависят от направления (в отличие от многих кристаллических материалов), если вы знаете по крайней мере два из ранее упомянутых модулей упругости, вы можете определить любой из остальных.

Применение:

Важно понимать, что хотя стекло эластично по своей природе на микроскопическом уровне, оно также является очень жестким материалом на макроуровне. Это означает, что для типичных напряжений, приложенных к стеклу, результирующая деформация очень мала. Таким образом, в большинстве применений напряжение, приложенное к стеклянному предмету, не приведет к его отклонению от заданных размеров.

Но знание модуля Юнга может быть очень полезным при прогнозировании прочности или ударопрочности куска стекла. Допустим, вы разрабатываете линзу, которая должна выдерживать большие нагрузки без поломок, например, внешний фонарь для подводной лодки. Или вы проектируете линзу взлетно-посадочной полосы, которая будет подвергаться воздействию гравия и града. При прочих равных условиях стекло с более высоким модулем Юнга является лучшим выбором, поскольку оно будет более устойчивым к разрушению как при постоянном давлении, так и при внезапном ударе. Это будет обсуждаться более подробно в следующих разделах.

Прочность: как противостоять нагрузкам

Прочность материала — это величина нагрузки, которую он может выдержать до разрушения. Для идеального теоретического стекла прочность определяется как

, где γ _f — энергия поверхности разрушения, Y — модуль Юнга, а a ₀ — расстояние между атомы в стекле . Обычно это оказывается порядка ГПа (гигапаскалей (10 ⁹ Па). На практике, однако, стекла обычно имеют прочность намного ниже, в диапазоне 14-70 МПа (мегапаскалей (10 ⁶ Па). Это связано с тем, что ни одно стекло не является настолько совершенным, насколько это теоретически возможно, а небольшие дефекты всегда присутствуют в реальном стекле. С учетом этих несовершенств прочность переписывается как

, где c  – размер дефекта. Прочность сильно снижается для дефектов, превышающих межатомное расстояние  a ₀ . Даже если дефект размером 4 микрона прочность снижается примерно в 200 раз.

Для большинства готовых изделий из стекла, включая полированное стекло, формованное стекло и флоат-стекло, поверхность обрабатывается до качества порядка микрона. Это также означает, что на поверхности стекла присутствуют дефекты размером около микрона. Таким образом, чистота поверхности является одной из причин, по которой фактическая прочность стекла составляет порядка МПа.

Применение:

При выборе стекла в качестве материала для вашего применения знание прочности стекла поможет гарантировать, что оно выдержит прилагаемое усилие и будет соответствовать определенным требованиям к давлению. Стеклянная посуда, используемая в военно-морских приложениях, таких как навигационные, предупреждающие или сигнальные огни, должна пройти испытания на гидростатическое давление в соответствии с военным стандартом MIL-DTL-24560A. Например, стеклянные линзы, установленные в наружном освещении подводных лодок, должны выдерживать давление 10-15 МПа.

Стекла чаще всего выходят из строя из-за дефектов на поверхности при воздействии растягивающих (например, разрывающих) напряжений. Для проверки прочности стекла часто используется стандарт ASTM C158: методы испытаний прочности стекла на изгиб . В этом методе используется испытание на изгиб в трех или четырех точках для определения прочности стекла, и его можно использовать для прогнозирования прочности при нанесении. Если стеклу требуется способность выдерживать большие нагрузки, для повышения его прочности можно использовать химические и термоупрочняющие процессы.

Твердость: как противостоять истиранию

Твердость — это способность материала сопротивляться царапанию, разрушению или необратимой деформации острыми краями другого материала. Другими словами, это мера сопротивления материала истиранию. Хотя иногда можно услышать, что прочность и твердость рассматриваются как синонимы, на самом деле это отдельные свойства. Прочность относится к сопротивлению сыпучего материала приложенному давлению, а твердость относится к сопротивлению поверхности маленьким острым снарядам.

Твердость стекла можно измерить с помощью теста на царапание (шкала Мооса) или теста на вдавливание (твердость по Виккеру). Однако оба эти теста выполняются только в отдельных точках на поверхности материала. Часто более полезно измерить сопротивление истиранию всей поверхности. Метод Табера часто используется для определения сопротивления истиранию всей поверхности, когда два шероховатых колеса вращаются по обе стороны от материала и имитируют истирание. Испытание падающим песком является еще одним распространенным испытанием на стойкость к истиранию, при котором поверхность материала подвергается ударам песком, карбидом кремния или другими мелкими частицами в известных количествах и нормах для измерения сопротивления истиранию. Посмотрите наше видео ниже, чтобы узнать больше об испытаниях на истирание и о сравнении различных материалов.

Применение:

Стеклянные линзы, устанавливаемые вне помещений, например, для наружного освещения самолетов, часто подвергаются абразивному воздействию. При разработке линз для таких суровых условий важно знать, как будет изнашиваться поверхность вашего материала, поскольку истирание может отрицательно сказаться на характеристиках. Например, при царапании поверхности прозрачного материала светопропускание уменьшается. Когда на поверхности накапливается достаточно царапин, деталь может выходить за пределы требуемого диапазона оптических характеристик. Также важно помнить, что небольшие дефекты поверхности, возникающие в результате истирания, могут повлиять на прочность стеклянной линзы и привести к ее преждевременному выходу из строя, как мы обсуждали в предыдущем разделе.

При разработке приложений, требующих высокой прочности, высокой передачи и стойкости к истиранию в экстремальных условиях, лучше всего выбирать твердое стекло. Посмотрите видео ниже или прочитайте статью в нашем блоге, чтобы узнать больше о влиянии истирания на передачу и увидеть, как стекло обеспечивает значительно более высокую стойкость к истиранию по сравнению с другими материалами, такими как пластик.

Ударопрочность

Часто требуется, чтобы стекло выдерживало не только постоянное напряжение или истирание поверхности, но и удары. Удар обычно определяется как большая сила, которая мгновенно прикладывается к одному месту на материале. О стеклах говорят, что они устойчивы к ударам, если они сохраняют качество своей поверхности, а также сопротивляются разрушению.

Повышена ударопрочность благодаря более высоким значениям прочности, твердости и ударной вязкости. Материал может быть прочным и жестким, но не обязательно твердым, а это означает, что удар повредит поверхность, но не сломает материал. Или, наоборот, материал может обладать высокой твердостью, но не быть прочным и жестким, а это означает, что удар не будет стирать поверхность, но материал все же может разрушиться внутри. В отличие от других материалов, стекла обычно прочные, твердые и жесткие, что обеспечивает высокую ударопрочность. Кроме того, механизмы термоупрочнения и химического упрочнения могут использоваться для дальнейшего повышения присущей стеклу ударопрочности.

Применение:

Ударопрочность стеклянной детали сильно зависит от ее применения; стекло, подходящее для одного применения, может не подойти для другого. Галька и гравий часто выбрасываются на взлетно-посадочную полосу аэродрома колесами самолета; системы огней взлетно-посадочных полос должны выдерживать эти удары без отказа. В отличие от этого, встраиваемые в землю дорожные светильники подвержены разным воздействиям окружающей среды и, как следствие, предъявляют к ним разные требования.

Обычно линзы или стеклянные компоненты должны соответствовать определенным требованиям или стандартам ударопрочности для их применения. Например, стеклянная линза для фонаря вертолетной площадки должна соответствовать стандарту MIL-DTL-24560A(SH) и быть в состоянии выдержать без повреждений удар трехфунтового стального шара, упавшего на центр стеклянной посуды с высоты двух футов. . Соответствие этому и подобным стандартам требует правильного сочетания конструкции линзы, выбора состава стекла и дополнительных процессов термоупрочнения.

Химическая стойкость

Химическая стойкость стекла является мерой его долговечности при воздействии или погружении в соответствующие химические вещества. Важно понимать, как стекла реагируют на кислоты и щелочи, но не менее важно знать, разлагаются ли они в воде или даже из-за влажности воздуха. Обычно только поверхностный слой стекла подвергается воздействию воды или других жидкостей, но некоторые из более экзотических составов стекла, такие как фосфаты или халькогениды, могут со временем разлагаться или даже растворяться из-за влажности воздуха.

Большинство коммерческих стекол, включая кремнезем, силикаты натронной извести и боросиликаты, обладают высокой химической стойкостью. Это связано с тем, что эти стекла имеют прочные связи между атомами и высокую сетевую связность. Для менее прочных составов стекла, таких как фосфаты или халькогениды, деградация происходит, когда стекло подвергается воздействию химического вещества, которое вызывает разрыв более слабых сетевых связей.

Когда речь идет о проведении испытаний на химическую стойкость, не существует жестких правил. Очки можно погружать в воду, кислоты, основания или любую другую интересующую жидкость. Измерения можно проводить на сыпучих или матовых образцах стекла. Испытания могут быть закрытыми, когда жидкость постоянна, или открытыми, когда жидкость (и растворенное стекло) постоянно заменяется. Также могут быть проведены испытания на атмосферостойкость, когда стекло подвергается воздействию водяного пара и измеряется потеря веса. Поэтому при рассмотрении проектных спецификаций важно знать и определять соответствующие параметры испытаний, чтобы полностью понять способность стекла выдерживать применимое химическое воздействие.

Применение:

Прежде чем выбирать материал для применения, необходимо знать, каким условиям окружающей среды он будет подвергаться. Например, внешние линзы самолетов могут подвергаться воздействию различных агрессивных химикатов, таких как противообледенительные жидкости, топливо на нефтяной основе, гидравлические жидкости и загрязнители воздуха. Материалы, выбранные для этих линз, должны быть очень устойчивыми к этим химическим веществам, чтобы предотвратить деградацию и выход из строя. В другом примере осветительные приборы, установленные в прибрежных районах, часто подвергаются воздействию повышенной влажности и солености воздуха. Чтобы снизить затраты на постоянную замену линз и техническое обслуживание, лучше всего выбрать такой материал, как стекло, который хорошо выдерживает атмосферные воздействия и сохраняет высокое пропускание.

В некоторых строгих условиях применения линзы или фильтрующий материал должны выдерживать определенные условия окружающей среды, например устойчивость к влажности. Например, очки, используемые в системах визуализации ночного видения (NVIS), должны пройти испытание на влажность, указанное в стандарте MIL-STD-810E. Здесь отслеживается деградация поверхности стекла в зависимости от времени и относительной влажности при постоянной температуре.

Механические свойства: часть расчетного уравнения

Механические свойства материала играют решающую роль в успехе системы освещения. Прочность, твердость, сопротивление истиранию и ударам, а также химическая стойкость материала должны учитываться при выборе материала для вашего применения.

Однако не всегда легко определить, какой материал лучше. Помимо этих механических свойств, на этапе проектирования системы освещения следует учитывать оптические и тепловые свойства потенциальных материалов. Там, где один материал может иметь сильные физические характеристики, он может не соответствовать необходимым тепловым требованиям для применения. Понимание взаимосвязи между этими свойствами и их влиянием на дизайн продукта поможет вам разработать успешные системы освещения.