Появилось сверхтвердое стекло, которое прочнее алмаза и которое легко производить

Елизавета
Приставка

Новостной редактор

Авторы новой работы сделали из молекулярной модели бакибола новое сверхтвердое алмазное стекло.

Читайте «Хайтек» в

Авторы новой работы использовали дробленные молекулярные сферы из углерода, чтобы создать новый материал, который также обладает высокой теплопроводностью — его можно использовать в электронике. 

Углерод — это универсальный инструмент, из которого можно сделать множество стабильных структур в различных атомных конфигурациях — от графена до алмаза. Это могут быть повторяющиеся кристаллические узоры или аморфные, как стекло. Сами атомные связи могут образовываться в двух или трех измерениях — это определяет твердость материала. Но есть формы, например, алмазное стекло, которые сложнее изготовить, чем другие.

Мы давно изучали, как синтезировать аморфный углеродный материал с трехмерными связями. Хитрость заключается в том, чтобы найти правильный исходный компонент.

Инвэй Фей, автор нового исследования

Если поместить графит под высокое давление, то получится кристаллическая решетка алмаза. Было бы логично использовать алмаз для изготовления алмазного стекла, но его температура плавления 4,227 °C — это слишком высоко для практического использования. Поэтому авторы искали такую форму углерода, которая могла бы стать достаточно атомарно неупорядоченной, прежде чем подвергнуться давлению.

Так исследователи пришли к фуллерену, или бакиболу — это молекулярное соединение, которое выглядит как выпуклые замкнутые многогранники. Оно состоит из 60 атомов углерода, расположенных в форме полого футбольного мяча.

Команда нагревала его до тех пор, пока шар не превратился в хаотичный набор. Далее вещество поместили под давление. В результате получилось алмазоподобное стекло. Его сделали в виде кусочков миллиметрового размера.

Полученное стекло выдержало 102 гигапаскаля. Это выше, чем природный алмаз, но ниже, чем AM-III — форма стекла, недавно синтезированная в Китае, она выдержала до 113 гигапаскалей. 

Команда также утверждает, что новое сверхтвердое стекло обладает самой высокой теплопроводностью из всех аморфных материалов — k 26. Также его можно синтезировать при температурах от 900 до 1 000 °C, это находится в пределах досягаемости промышленного производства.

Читать далее

Посмотрите, как выглядит Сатурн с Луны. Фото сделал орбитальный аппарат НАСА

«Хаббл» завершил путешествие по внешней Солнечной системе: что он там увидел

Термоядерный реактор KSTAR установил рекорд: он удержал плазму дольше, чем когда-либо

Какой температуре плавится песок?

Как сделать стекло в домашних условиях своими руками

Чтобы изготовить стекло дома, понадобится специальная печь, обеспечивающая нагрев до высоких температур. В домашних условиях используют муфельную, электрическую или горшковую печку, а также жаровню на древесном угле.

Специальные стекла можно плавить в электрической, горшковой или муфельной печи.

Второй вариант более простой, но небезопасный, так как во время нагрева до гипермаксимальных температур гриль может сам расплавиться. Мы расскажем, как варить стекло в специальной печи.

1. Подготовьте огнеупорный тигель (плавильный горшок).
2. Всыпьте в тигель песок, соду и известь, причем примеси должны занимать не более 30% в составе.
3. Поставьте тигель в печь и расплавьте состав при максимально высокой температуре (1500-1700⁰С).
4. После того, как компоненты расплавятся, разлейте жидкий сплав по формам для отливки.
5. Последний этап – обжиг в печи, охлажденной до 400-600⁰С. Так стеклянное изделие сделается твердым и прочным.

Тигель должен выдерживать исключительно высокую температуру, которая достигается в печи.

Вот так можно приготовить стекло дома, если у вас есть специальное оборудование.

Важно! При работе соблюдайте технику безопасности: используйте сварочную маску, термостойкие рукавицы, не подходите близко к печи.

Как делают стекло из песка

Скорее всего, вы знаете, что для изготовления стекла необходим песок, и действительно, он является самым главным ингредиентом. Чтобы стеклянное изделие получилось прозрачным, применяют кварцевый песок без примесей металлов, которые придают материалу цветные оттенки.

Чтобы изготовить стекло понадобится кремнистый песок, который иначе называют кварцевым.

Так как у кварцевого песка температура плавления 2300⁰С, то необходимы компоненты, которые помогут снизить ее, чтобы сделать процесс изготовления проще и доступнее. Таким ингредиентом стал карбонат натрия или обыкновенная кальцинированная сода, благодаря которой температуру плавки удалось понизить практически вдвое.

Сода (карбонат натрия) понижает температуру, необходимую для производства стеклянного полотна.

Из-за соды стекло получается водопроницаемым, что делает его непрактичным в быту и на производстве. Чтобы придать материалу прочности в сплав добавляют оксид кальция или известь. Дополнительно в составе могут присутствовать оксиды магния или алюминия для максимальной устойчивости к физическим и химическим факторам.

Для производства тонкого декоративного стекла, например, хрусталя в качестве добавки используют оксид свинца, которые придает изделиям блеск и хрупкость. В линзах очков обычно присутствует оксид лантана из-за способности преломлять лучи света.

Наиболее применяемой добавкой в производстве декоративного стекла выступает оксид свинца, придающий блеск.

Сапфировое стекло для очков изготавливают с добавлением оксида алюминия благодаря чему оно обретает максимальную твердость и устойчивость к физическим повреждениям. Чтобы изготовить цветное стекло, в сплав добавляют оксид железа для получения красного цвета, никель для коричневого и фиолетового оттенка, медь и хром для зеленого, кобальт для синего и другие металлы.

На производстве стекло изготавливают в несколько этапов: на первом ключевые компоненты плавят вместе в печи до получения однородного сплава, затем отправляют в емкость из олова, которое не смешивается со стеклом, сохраняя его однородность. Уже на этом этапе стекло постепенно охлаждается, становится гладким и тонким.

Для получения однородной массы надо удалить пузырьки – чтобы получить такой эффект стекловары делают постоянные помешивания, пока расплавленная стекольная масса не загустеет.

Полностью остывает сплав при движении по конвейеру, длина которого может достигать 100 м, это необходимо для предотвращения образования избыточного давления внутри сплава, что может привести к будущему браку. После конвейера стекло подвергается дальнейшей обработке для создания различных изделий.

Различаются стекла лишь составляющим материалом, которое используется для изготовления. А вот сам процесс практически одинаковый.

Обзор видов

В зависимости от способа добычи песка, различают несколько видов природного материала (рядовой, черный, серый и т. д.). Рассмотрим основные из них.

Речной

Как можно догадаться из названия данного материала, его добывают со дна рек. При этом стоит иметь в виду, что в состав речного песка входят камни, но зато полностью отсутствует глина. Благодаря такому составу речной песок – это важная составная часть практически всех бетонных смесей. Что касается фракционного подразделения, то речной песок относится к средней категории.

Карьерный

Отличительная черта материала, которые добывают из карьеров – это наличие большого количества разнообразных примесей (например, глина, растения, органические остатки и т. д.). В связи с тем, что в состав карьерного материала входят фракции разного размера, песок очень пыльный. Для того чтобы очистить карьерный песок, используют воду или сито.

Искусственный

Несмотря на то что большая часть песка относится к категории природных материалов, на строительном рынке можно найти и искусственные разновидности. Для их получения применяют самые разнообразные комплексные техники, например, разделение горных пород на мелкие фракции. Искусственный песок подразделяется на несколько разновидностей.

Керамзитовый искусственный песок – это материал, который получают благодаря обработке сырья (применяют такие техники, как дробление, вспенивание, термические методы и т. д.). Благодаря тому, что для обработки сырья не используют дополнительные химические компоненты, он представляет собой экологически чистый материал, который не наносит вреда пользователю. Фракции, из которых состоит песок, являются пористыми по своей структуре. К отличительным характеристикам материала также можно отнести такие свойства, как долговечность и стойкость по отношению к воде.

Количество кубометров в тонне

Перед началом любого строительства необходимо точно рассчитать, сколько материала понадобиться на определенные сооружения. Это очень важный этап, поэтому в строительных компаниях создаются целые отделы для осуществления таких расчётов и составления смет.

Но и самостоятельно можно осуществить такие расчёты, если вы сами решили заняться строительством своего дома. Для того, чтобы у вас не осталось лишнего материала или наоборот не хватило его, необходимо грамотно осуществить подсчет веса щебня в 1 м3 или в тонне или осуществить перевод м3 в тонны.

Для нахождения данного значения обычно пользуются услугами специальных лабораторий. Для определения насыпной плотности щебня проводят специальные тесты с помощью которых и определяют плотность материала. Каким способом возможно перевести тонну щебня в куб?

Для перевода тонны щебня в кубометры следует вес материала разделить на объемную плотность. Рассмотрим на примере. Допустим, вы заказали самосвал, грузоподъемность которого составляет 20 тонн. Итак, вес щебня получается 20000 кг, а его насыпная плотность 1500 кг/м3.

После проведения расчетов мы получаем в результате объем, который равен 13,3 куба. Таким образом, самосвал, грузоподъемность которого составляет 20 тонн, способен перевезти 13,3 куб м продукта.

Напомним, что плотность щебня в 1500 кг/м3 не является постоянной. Она зависит от значения фракций и варьируется в пределах от 1400 до 1600 кг/м3.

Для более удобного расчета можно воспользоваться таблицей, в которой показан вес щебня 1 м3 с учетом значения фракции.

Таблица 1

Таблица 2

Материал месяца: боросиликат

Опубликовано Шейлой Рейнольдс на 15 февраля 2018 г. 18:41 | Оставить комментарий

В конце 19 ^-го -го века немецкий стеклодув по имени Отто Шотт разработал то, что было тогда революционно новым типом стекла: оно включало борную окись, что отличало продукт от стеклянных изделий на основе натронной извести, представленных на рынке. . Этот уникальный материал стал известен как боросиликатное стекло или просто боростекло.

Боросиликат

может использоваться в самых разных областях благодаря его превосходной стойкости к экстремальным и колебательным температурам, а также высокой устойчивости к химическим веществам.

Преимущества и особенности боросиликатного стекла

Боросиликатное стекло

имеет высокую температуру плавления, что делает его гораздо более термостойким, чем многие стандартные типы стекла. А благодаря низкому коэффициенту теплового расширения он способен сохранять свою прозрачность и прочность даже при воздействии экстремально высоких температур; он может выдерживать рабочую температуру 515 ° F и не плавится, пока не достигнет 3000 ° F.

Боросиликатное стекло

содержит обычные ингредиенты, обычно используемые в производстве стекла — кварц, карбонат натрия и оксид алюминия — с добавлением 5-13% оксида бора, который придает стеклу его уникальные свойства.

Боросиликатное стекло, как правило, труднее производить, чем другие виды стекла, поскольку оно требует более высокой температуры плавления. Тем не менее, он по-прежнему очень экономичен, а преимущества огромны, учитывая низкую стоимость продукта. Кроме того, стоимость производства боросиликатного стекла меркнет по сравнению с альтернативой: регулярной заменой некачественного стекла, которое не выдерживает колебаний или экстремальных температур.

Естественно, с тех пор различные инновации улучшили оригинальный дизайн стекла Schott, и сегодня доступно несколько типов боросиликатного стекла, таких как BOROSILICATE33® и PYREX®, для различных областей применения. Но основные принципы остаются прежними; уникальные характеристики стекла позволяют ему иметь низкий коэффициент теплового расширения, примерно одну треть от коэффициента теплового расширения типичного известково-натриевого стекла. Хотя боросиликат может выдерживать высокие температуры и тепловой удар, возможно растрескивание. Хотя вряд ли разобьется.

Общие области применения боросиликатного стекла

Как упоминалось ранее, боросиликатное стекло можно использовать в самых разных отраслях промышленности. Его устойчивость к высоким температурам делает его подходящим для различных применений, связанных с теплопередачей, будь то производство телескопов и других типов точной оптики или создание мощных осветительных приборов, таких как светодиодные лампы и фонари для использования в киноиндустрии. Стекло Boro также идеально подходит для горячих зеркал, позволяя отражать инфракрасный свет.

И, конечно же, большая часть бытовой стеклянной посуды изготавливается из боросиликатного стекла, так как посуда должна иметь возможность перемещаться из духовки в холодильник или наоборот за короткий промежуток времени; боросиликат выдерживает такие экстремальные температуры, которые легко разбили бы другие типы стекла.

Боросиликатное стекло

также используется для моделирования осаждения плавлением и для удаления ядерных отходов. Даже космические челноки покрыты слоем боросиликатного стекла. Помимо превосходной термостойкости, боросиликатное стекло также легко противостоит агрессивным химическим веществам, что делает его подходящим для многих исследовательских и медицинских областей.

Узнать больше

Боросиликатное стекло

предлагает непревзойденную универсальность для всех типов высокотемпературных и экстремально температурных применений. Чтобы узнать больше об этом уникальном материале или узнать, как он может удовлетворить ваши конкретные потребности, запросите предложение сегодня; команда экспертов Swift Glass готова ответить на любые ваши вопросы.

Теги: преимущества, оксид бора, боростекло, особенности

Температура обработки стекла Mo-Sci Corporation

Стекло 101: Температура обработки стекла

Опубликовано Ребекка Линька 14 августа 2019 г.

Стекло представляет собой аморфное твердое тело без дальнего порядка. Это отсутствие порядка и отличает стекло от кристаллического твердого тела. Например, когда диоксид кремния медленно охлаждается до температуры кристаллизации, он может образовывать кристаллы, придавая твердому телу геометрическую структуру по всему материалу. Когда диоксид кремния нагревают, а затем быстро охлаждают, его упорядоченная кристаллическая структура не может реформироваться, и он становится аморфным твердым телом (стекло). ^[1]  

В процессе плавления стекло проходит различные переходы. Температура стеклования, температура размягчения и температура кристаллизации являются частью процесса стеклообразования. Осторожное маневрирование на этих этапах имеет решающее значение для формирования стеклянного продукта без стресса.

Температура стеклования

Температура стеклования (T _g ) характеризует диапазон температур, при котором аморфный материал переходит из твердого хрупкого состояния в вязкое состояние по отношению к повышению температуры. ^[2] Твердое тело начинает проявлять вязкоупругие свойства при температуре выше T _g . Когда неупорядоченные молекулы находятся ниже T _g , у них меньше энергии, и молекулы не могут перемещаться в новые положения при приложении напряжения. Когда T _g выше, молекулы имеют большую кинетическую энергию, что позволяет им двигаться, чтобы уменьшить приложенные напряжения. ^[3] Температура отжига выбирается на основе температуры стеклования, что позволяет снять напряжение до полного охлаждения стекла.

Температура размягчения по Литтлтону

Температура размягчения по Литтлтону (T _s ) стекла – это температура, при которой стекло движется под действием собственного веса. Когда стекло нагревается, стекло течет легче. Сопротивление течению известно как вязкость. В точке размягчения стекло имеет вязкость 10 ^7,6 пуаз. ^[4] Эта точка часто используется для определения рабочего диапазона стекла. Как только стекло достигает точки размягчения, оно становится ковким, не плавясь.

Температура кристаллизации

Температура кристаллизации (T _x ) характеризует начало кристаллизации. Кристаллизация – это процесс образования твердого тела. Молекулы становятся высокоорганизованными в геометрическую структуру, известную как кристалл. Это происходит в два этапа. Первым шагом является зарождение или формирование «затравки». На зародышеобразование может влиять инициирование образования вторичной фазы в матрице или введение постороннего вещества, такого как частицы из тигля. Второй этап — это рост кристаллов, то есть рост вокруг исходных центров зародышеобразования в слоях. ^[5] Кристаллизация переводит расплав в более низкое энергетическое состояние. Если расплав кристаллизуется, он не станет стеклом, так как стекло представляет собой неупорядоченное твердое тело. Кристаллизации можно избежать за счет быстрой закалки через область стеклования.

Коэффициент теплового расширения

Коэффициент теплового расширения (КТР) описывает изменение формы, площади и объема материала в ответ на изменение температуры. ^[6] Тепло — это тип кинетической энергии. Когда материал нагревается, его кинетическая энергия увеличивается, что заставляет молекулы вибрировать с более высокой частотой. Тогда молекулы занимают больше места, чем обычно. Обратное верно при охлаждении материала. При охлаждении молекулы имеют меньшую кинетическую энергию, и они сжимаются, занимая меньше места. КТР важен при соединении различных компонентов вместе. При герметизации различных твердых тел с помощью стеклянных уплотнений важно обеспечить соответствие коэффициентов теплового расширения. Два разных материала и уплотнительное стекло должны иметь одинаковые или близкие коэффициенты теплового расширения, чтобы предотвратить растрескивание уплотнения.

Обширные знания и исследовательский опыт корпорации Mo-Sci в области стекла делают ее идеальным кандидатом для нужд разработки на заказ. Mo-Sci сотрудничает с компаниями из самых разных отраслей, создавая индивидуальные решения из стекла для уникальных применений. Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации о том, как мы можем помочь с вашим следующим изделием из стекла. ^[8]

Ссылки

1. Ресурсный центр НРИ, http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Structure/solidstate.htm, Центр неразрушающего контроля, Университет штата Айова.
2. ISO 11357-2: Пластмассы. Дифференциальная сканирующая калориметрия. Часть 2. Определение температуры стеклования (1999 г.).
3. Стеклянный переход. https://pslc.ws/macrog/tg.htm. Дата обращения: 21 июня 2019 г.
4. Технические стекла: физические и технические свойства | Техническая брошюра SCHOTT. https://www.us.schott.com/d/tubing/ffed51fb-ea4f-47d3-972e-5a2c20f123f5/1.0/schott-brochure-technical-glasses_us.pdf. Дата обращения: 21 июня 2019 г.
5. Кристаллизация | Reciprocal Net http://www.reciprocalnet.org/edumodules/crystallization/. Доступ: 24 июня 2019 г..
6. Типлер, Пол А.; Моска, Джин (2008). Физика для ученых и инженеров – Том 1 Механика/Колебания и волны/Термодинамика.