Глава 12.2. Стекло / 12.2.2. Неорганическое стекло / 12.2.2.1. Строение и состав неорганических стекол
Строение и состав неорганических стекол. Вещества, образующие стекло (стеклообразующие), — это оксиды кремния, бора и фосфора, которые обладают очень высокой вязкостью в жидком состоянии. Вязкость стекол при температуре 1600 °С около 10 Па⋅с; для сравнения при комнатной температуре вязкость воды составляет 0,001 Па с, машинного масла — 0,1 ...0,6 Па⋅с, глицерина — 0,9 Па⋅с. Именно высокая вязкость, обусловленная значительными силами межмолекулярного воздействия, характерного для химических соединений, препятствует образованию кристаллической решетки, подавляя диффузионные процессы. Поэтому изготовление неорганического стекла не требует сверхвысоких скоростей охлаждения.
Производство {варка) стекла осуществляется в стекловаренных печах при температуре 1300... 2100 °С, летучие вещества (Н2О, СО2, SО3) при этом удаляются, а стеклообразующие вещества при охлаждении застывают в стекломассу.
Основным компонентом силикатных неорганических стекол (их доля в производстве стекла преобладающая) является оксид кремния, прочие стеклообразующие вещества также могут входить в состав стекол. Структурная единица стекол представляет собой тетраэдрическую ячейку оксида кремния SiО4 с ионным типом связи (тетраэдр — правильный многогранник с четырьмя треугольными гранями), образованную четырьмя анионами кислорода с расположенным внутри одним катионом кремния.
Структура стекла — это неправильная трехмерная сетка (каркас), образованная за счет соединения атомов кислорода, расположенных в вершинах тетраэдров; ее двухмерная модель представлена на рис. 12.4.
Рис. 12.4. Схема строения неорганического силикатного стекла
В состав неорганического стекла помимо основного стеклообразующего оксида кремния могут входить и оксиды других элементов.
Оксиды щелочных (Na2О, К2О) и щелочно-земельных (MgO, СаО) металлов являются модификаторами — они изменяют строение сетки. Большие ионы этих металлов не присоединяются к сетке, а располагаются в междоузлиях, где удерживаются ионными связями. Дополнительные атомы кислорода, напротив, присоединяются к сетке, но вследствие избытка отрицательных ионов часть связей разрывается (рис. 12.5, а), что ослабляет прочность сетки и, как следствие, приводит к уменьшению вязкости. Так, добавление к кремнезему 15 % оксида натрия Na2О и 10 % оксида кальция СаО снижает температуру размягчения (выше этой температуры стекло заметно течет под действием собственного веса) с 1600 до 700 °С.
К промежуточным компонентам относятся оксиды алюминия, железа, свинца, бериллия и др., которые в чистом виде самостоятельно не могут образовывать каркаса стекла, но способны частично замещать стеклообразующие оксиды. При этом они меняют структуру стекла, придавая ему нужные свойства. На рис. 12.5, б показана структура стекла, образованная глиноземом (Аl2O2) и кремнеземом (SiO2).
Рис. 12.5. Схема строения силикатного стекла: а — с модификатором; б — с промежуточным оксидом
Стекла классифицируют по материалу стеклообразующего вещества и содержанию модификаторов. По материалу стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (Si02), алюмосиликатные (Al2O3 — SiO2), алюмоборосиликатные (Al2O3 — В2О3 — SiО2) и др. По содержанию модификаторов стекла делятся на щелочные (до 15% Na2О, К2О, СаО), бесщелочные (с содержанием щелочных модификаторов менее 5 %) и кварцевые (модификатор отсутствует, 99,5 % SiО2).