Курсовая работа: Разработка проекта и проведение исследования прочности стекла на прогиб

Таблица. Состав некоторых промышленных стекол

Роль добавок велика, они придают стеклу особые свойства. Так, Мg повышает химическую устойчивость и механическую прочность стекла; Al2O3 увеличивает термическую и  химическую стойкость стекла, твердость и прочность, улучшает однородность, B2O3 увеличивает термостойкость стекла и улучшает его оптические свойства. Для получения специальных оптических стекол в шихту добавляют диоксид германия GeO2 и диоксид титана TiO2. Специальные добавки обеспечивают окраску стекла: Mn2O3 придает стеклу фиолетовую окраску, CoO- синюю, Cr2O3 или Fe3O4- зеленую, CuO- голубую, CdS- желтую.

"Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым". Это определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР, охватывает наиболее характерные свойства, присущие любой стекловидной системе.

Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.

Строительное стекло содержит (%): 75-80% SiO2, 10-15% CaO, Около 15% Na2O.

Химическая стойкость стекла зависит от его состава, более стойкими из силикатных стекол являются такие, в которых содержится мало щелочных окислов. При замене Na2O на двух-, трех- и четырехвалентные окислы химическая стойкость стекла повышается.

Основными оптическими свойствами стекла является: светопропускаемость (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Изменяя химический состав стекла и его окраску, можно регулировать светопропускание стекла. Показатель преломления строительного стекла (1,46-1,53) определяет светопропускание при разных углах падения света. Так, при изменении угла падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.

Плотность обычного стекла 2500кг/м³, наибольшую плотность имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца (тяжелые флинты) - до 6000 кг/м³. Модуль упругости стекол изменяется от 48000 до 83000 МПа, для кварцевого стекла - 71400 МПа. Присутствие окислов CaO и B2O3 (до 12%) повышает модуль упругости.

Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700-1000 МПа и малой прочностью при - 35-85 МПа. Прочность закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз больше, чем отожженного.

Твердость обычных силикатных стекол 5-7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло, а также боросиликатные малощелочные стекла обладают большой твердостью.

Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупко: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. У закаленных образцов стекла она в 5-7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие в стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивление стекла удару.

Теплоемкость стекол определяется их химическим составом. При комнатной температуре значения теплоемкости находятся в пределах от 0,63 до 1,05 кДж/(кг·°С).

На термическое расширение стекол также влияет химический состав. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения у кварцевого стекла - 5,8 10-7 1/°С, у обычных строительных стекол - 9 · 10-6 -15 · 10-6 1/°С.

Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4-0,82 Вт/(м · °С).  Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло - 1,340 Вт/(м · °С). Малой теплопроводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных окислов. Боросиликатные стекла имеют высокую термостойкость, наиболее термостойко кварцевое стекло.

Электропроводность стекол изменяется с изменением температуры. Наибольшее влияние на электропроводность оказывает содержание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем выше электропроводность. Понижают электропроводность стекла окислы двухвалентных металлов (больше всего BaO), а также SiO2 и B2O3. следует учитывать поверхностную проводимость стекла, которую обуславливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное количество влаги и вызывает повышенную активность стекла.

Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии, при температуре 800-1000°С, стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.

1.4. Свойства и характеристики стекол

Физико-химические свойства и характеристики стекол. Совокупность физико-химических свойств и характеристик стекол позволяет осуществлять технологические процессы варки стекла, формования и обработки изделий, а также определяет внешний вид и эксплуатационную надежность изделий. Физико-химические свойства и характеристики зависят от химического состава стекол и могут быть определены расчетным путем.

Вязкость. Вязкость является основным свойством стеклообразующего расплава. Вязкость характеризует внутреннее трение, возникающее при перемещении одного слоя расплава относительно другого. Вязкость выражается силой (на единицу площади соприкосновения двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Единица измерения вязкости Па.с. Вязкость имеет важное значение для технологических процессов получения стекла и изделий из него. Вязкость расплава во многом определяет скорости варки, осветления и гомогенизации стекла. Скорость растворения и химического взаимодействия компонентов в расплаве и диффузионных процессов тем больше, чем меньше вязкость стекломассы. Скорость осветления, которая выражается скоростью подъема газовых пузырей, также увеличивается с уменьшением вязкости. Широкий диапазон изменения вязкости обеспечивает возможность формования стекла различными способами. С вязкостью связаны процессы термической обработки стеклоизделий. При отжиге вязкость определяет скорость снятия внутренних напряжений. При закалке быстрое возрастание вязкости “замораживает” определенное распределение напряжений и изделие приобретает повышенную прочность.

Важнейшей технологической характеристикой является зависимость вязкости стекла от температуры. Характер изменения вязкости стекла при изменении температуры служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термообработки.

Как известно, по характеру температурной зависимости вязкости стекла различного химического состава можно разделить на “длинные” и “короткие”. При одинаковых рабочих интервалах вязкости температурные интервалы формования для этих стекол будут различными: для “длинных” стекол — большими, для “коротких” — меньшими.

Пусть рабочий интервал вязкости для принятого способа формования равен h1–h2. Температурный интервал формования стекла 1 больше, чем стекла 2. При одной и той же температуре начала формования стекло 2 быстрее достигнет вязкости, соответствующей концу формования. Следовательно, стекло 2 “короче”, чем стекло 1, что выражается в более крутом ходе температурной зависимости вязкости. Примером “длинного” стекла может служить свинцовый хрусталь, примером “короткого” — тарное стекло.

Из всех физико-химических свойств стекла вязкость особенно сильно зависит от его химического состава.

К оксидам, повышающим вязкость стекла, относят кремнезем, оксиды алюминия и циркония; к оксидам, понижающим вязкость, — оксиды натрия, калия, лития, свинца, бария. Часто, особенно при высоких температурах, понижает вязкость стекла оксид цинка. Оксид магния повышает вязкость стекла, но слабее, чем, например, оксид алюминия. Весьма сложно влияют на вязкость борный ангидрид и оксид кальция. Борный ангидрид значительно понижает вязкость стекла при высоких температурах; при низких температурах при введении приблизительно до 15% В2О3 вязкость стекол повышается, и только при дальнейшем увеличении содержания В2О3 она уменьшается.

Оксид кальция при низких температурах повышает вязкость стекла; при высоких температурах небольшое его количество (до 8-10%) снижает вязкость стекла, при дальнейшем увеличении содержания оксида кальция вязкость стекла возрастает. При замене оксида кальция оксидом магния вязкость стекла при высоких температурах увеличивается.

Скорость твердения стекла характеризуется изменением вязкости во времени:

 где: h — вязкость; t — температура; T — время

Таким образом скорость твердения определяется изменением вязкости с температурой и изменением температуры со временем (т.е. скоростью охлаждения). Изменение вязкости при изменении температуры связано с химическим составом стекла: оксиды, повышающие вязкость, как правило, повышают скорость твердения и наоборот.

При массовом производстве, особенно на машинах, стекло на разных стадиях процесса должно затвердевать с различной скоростью. При формовании выдувных изделий большая скорость твердения стекла ускоряет процесс, но она также может привести к ухудшению качества изделия, к неравномерному распределению стекла в изделии.

При одинаковых условиях охлаждения на скорость и равномерность твердения окрашенных стекол большое влияние оказывает теплопрозрачность (пропускание в инфракрасной области спектра). Чем меньше теплопрозрачность стекол, тем неравномернее они охлаждаются и твердеют: быстрее с поверхности и медленнее внутри. Это затрудняет формование изделий. Неравномерность твердения увеличивают такие окрашивающие оксиды, как FеО, СоО, NO, которые значительно снижают теплопрозрачность стекломассы.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение характеризует работу образования единицы площади поверхности раздела фаз при постоянной температуре. Единица измерения поверхностного натяжения Дж/м2 или Н/м.

Поверхностное натяжение выступает как основной фактор при образовании новой фазы. Действие поверхностной энергии возрастает обратно пропорционально размерам участков новообразований (кристалликов, капель, пузырьков).

При образовании пузырей в стекломассе величина их зависит от поверхностного натяжения стекломассы на границе с газовой фазой. Вероятность растворения в стекломассе стекловидных включений (свилей) зависит от соотношения поверхностных натяжений расплава и свилей. Если поверхностное натяжение свилей больше поверхностного натяжения основного стекла (глиноземистые свили), то растворение свилей сильно затруднено. Если поверхностное натяжение свилей меньше (кремнеземистые свили), то они легко растворяются в основном расплаве.

Значительна роль поверхностных сил при расслоении (ликвации). Ликвация практически определяется соотношением между поверхностными натяжениями ликвирующих фаз. Примерами ликвации могут служить некоторые виды глушеных стекол, образование сульфатного щелока (расплава Nа2SО4) при варке тарного стекла.

Поверхностное натяжение оказывает большое влияние на скорость разрушения огнеупоров стекловаренной печи. Проникновение расплава в огнеупор увеличивается с уменьшением поверхностного натяжения. При этом улучшается смачивание огнеупора, увеличивается действие на него капиллярных сил.

Поверхностное натяжение является одним из факторов формообразования изделий. Влияние поверхностных сил на процесс формования возрастает с уменьшением вязкости стекла и размеров формуемых изделий или их частей. Поверхностное натяжение позволяет без применения формующих поверхностей получить баночку, т.е. толстостенный сферический пузырь из вязкой стекломассы. Это первичная заготовка для многих изделий, выдуваемых вручную с помощью стеклодувной трубки. Под действием поверхностного натяжения из порошка стекла формуются микрошарики в пламени высокотемпературной горелки.

Поверхностное натяжение является определяющим фактором таких процессов, как термическое полирование поверхности, оплавление края изделий. С действием поверхностного натяжения связаны явления смачивания, адсорбции, действия капиллярных сил.

Поверхностное натяжение расплавленных стекол при температуре 1000-1400°С составляет 0,2-0,38 Дж/м2. Изменение поверхностного натяжения при изменении температуры незначительно (1-3% на каждые 100°С).

Основные оксиды, входящие в состав стекла, не оказывают существенного влияния на поверхностное натяжение. Следует отметить, что повышают поверхностное натяжение Аl2О3, МgО, ZrО2, понижают В2О3, РbО, Р2О5. Существенно (до 30%) снижают поверхностное натяжение поверхностно-активные компоненты, к которым относятся V2О5, WО3, МоО3, Аs2О3, СгО3 (Сr2О3). На поверхностное натяжение влияет газовая среда. Так присутствие полярных газов SО3, NН3, паров воды снижает поверхностное натяжение стекла.

Кристаллизационная способность

Кристаллизационную способность промышленных стекол, то есть те температурные пределы, внутри которых они могут закристаллизоваться, а также скорость этой кристаллизации необходимо знать, чтобы установить оптимальный режим варки стекла и выработки изделий, а также режим термообработки при производстве ситаллов.

Первые признаки кристаллизации стекла появляются на границе раздела фаз, вдоль свилей. Появление кристаллов первоначально на границе раздела фаз есть результат ориентирующего действия сил, существующих на этой границе. Силы ограничивают свободу движения отдельных частиц и тем самым способствуют образованию кристаллизационного центра.

Характер кристаллизации зависит от соотношения скорости образования центров кристаллизации, скорости роста кристаллов из этих центров и вязкости. Если скорость роста кристаллов достаточно большая, в стекле будут расти одиночные кристаллы или кристаллические сферолиты. Наоборот, если линейная скорость роста кристаллов мала, а скорость образования кристаллизационных центров велика, то возможно образование в массе стекла множества мелких кристаллов. Вязкость стекломассы при этом не должна быть чрезмерно высокой.

Ниже температуры плавления кристаллов находится метастабильная зона, где центры кристаллизации не образуются, но если бы они были, то могли бы расти. При температурах ниже метастабильной зоны кристаллизация зависит от скорости образования центров и скорости роста кристаллов. При дальнейшем охлаждении сильно нарастает вязкость, которая препятствует зарождению центров кристаллизации и росту кристаллов.

Чем дальше отстоят друг от друга максимумы скоростей, чем меньше скорость роста кристаллов и скорость образования центров кристаллизации, тем менее склонно стекло к кристаллизации. Слева от области наиболее интенсивной кристаллизации могут получаться крупные кристаллы, но в малом числе (по числу центров кристаллизации), справа — очень мелкие, но многочисленные кристаллы.

Кристаллизация стекломассы зависит в основном от следующих факторов: химического состава и вязкости стекла, вида применяемого сырья, взаимной растворимости отдельных компонентов, продолжительности выдерживания расплава при соответствующих температурах, наличия активаторов (катализаторов) кристаллизации и условий термической обработки стекла. Наиболее активно стекла кристаллизуются на границах двух фаз при температурах, соответствующих вязкости стекла 103 -104 Па*С.

Большинство промышленных стекол являются многокомпонентными. Влияние отдельных оксидов на кристаллизационную способность стекла изучено достаточно хорошо. Установлено, что замещение до 3% SiO2 на Аl2О3 в натрий-кальций-силикатном стекле, содержащем от 14 до 16% Na2О, улучшает кристаллизационные характеристики. При замещении до 5% СаО на МgО уменьшаются скорость кристаллизации и температура плавления кристаллов, а при замещении до 4% Na2О на МgО снижается скорость роста кристаллов и повышается температура их плавления.

Часто в промышленных стеклах (натрий-кальций-силикатных) в качестве первой кристаллической фазы выделяются тридимит и кристобалит, реже — волластонит или девитрит. В первом случае для снижения скорости кристаллизации стекол следует уменьшить содержание кремнезема или добавить вместо кремнезема оксид алюминия. При выделении кристаллов силиката кальция необходимо снизить в стеклах содержание СаО. В стеклах, содержащих РbО или ВаО, при кристаллизации выделяются кристобалит, силикаты свинца или бария. Фториды, как правило, повышают кристаллизационную способность стекол, легко кристаллизуются также фосфатные стекла. Для предотвращения кристаллизации стекол необходимо обеспечить быстрое прохождение температурного и вязкостного интервалов кристаллизации (1000-1200°С), ликвидацию застойных зон с опасной температурой, поддержание в выработочных устройствах температур, более высоких, чем температура кристаллизации. Методы определения кристаллизационной способности достаточно хорошо разработаны и могут быть успешно освоены на стекольных заводах.

Электрические свойства и характеристики

К этой группе свойств относятся электрическая проводимость и диэлектрические характеристики. Электрическая проводимость стекломассы имеет решающее значение для электрической варки стекол. Диэлектрические характеристики имеют важное значение при эксплуатации изделий из стекла (изоляторов, элементов микроэлектронных схем и т.п.).

Электрическая проводимость. Электрическая проводимость стекломассы характеризуется удельной проводимостью, обратной по величине удельному электрическому сопротивлению: c = 1/r

Единица измерения удельного электрического сопротивления Ом*м, удельной электрической проводимости 1/(Ом*м) или См/м. Удельное сопротивление и электрическая проводимость стекла резко изменяются с изменением температуры. При комнатной температуре удельное сопротивление натрий-кальций-силикатного стекла равно 10(11)-10(13) Ом*м, а в расплавленном состоянии (при температуре варки) оно снижается до 0,001-0,1 Ом*м. Удельное сопротивление расплавленных стекол при температурах варки, осветления и выработки определяет технологию электроподогрева и электрической варки стекла, конструкцию и размеры электропечи, а также выбор электрооборудования.

Стекломасса является ионным проводником. Переносчиками электрического тока служат главным образом ионы щелочных металлов. В табл. 1.1 приведены данные по удельному электрическому сопротивлению промышленных стекол.

Удельное электрическое сопротивление снижается с ростом содержания щелочных оксидов (Na2О, К2О), причем при увеличении оксида натрия оно снижается в большей степени, чем при увеличении оксида калия. Введение в состав стекла оксидов двухвалентных металлов повышает удельное электрическое сопротивление. Особенно большое влияние оказывают РbО, ВаО, СаО. При одновременном присутствии в составе стекла двух оксидов щелочных металлов, например Na2О и К2О, удельное электрическое сопротивление повышается по сравнению с удельным электрическим сопротивлением стекол, содержащих только один щелочной оксид (эффект двух щелочей).

Диэлектрические характеристики. Силикатные стекла при температурах ниже Тg являются диэлектриками. В электрическом поле в диэлектриках происходит поляризация, т.е. локальное пространственное перераспределение зарядов.

Диэлектрические свойства стекла имеют важное значение для ряда отраслей промышленности, особенно для электротехники, микроэлектроники и характеризуются диэлектрической проницаемостью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью.

Диэлектрическая проницаемость количественно характеризует поляризацию диэлектрика и определяется отношением емкостей вакуумного конденсатора и конденсатора с диэлектриком (безразмерная величина).

Диэлектрическая проницаемость стекол зависит от их состава, изменяясь для силикатных стекол от 3,81 (для кварцевого стекла) до 16,2 (для стекол с содержанием оксидов тяжелых металлов до 80%). Она возрастает с увеличением в составе стекла оксидов щелочных и щелочноземельных металлов. Для обычных промышленных стекол диэлектрическая проницаемость находится в пределах 5-7.

Диэлектрические потери характеризуют долю энергии переменного электрического поля, превратившуюся в тепловую в объеме диэлектрика. Диэлектрические потери стекла характеризуются значением тангенса угла, связанного со сдвигом фаз напряженности электрического поля и электрической индукции.

Химический состав влияет на диэлектрические потери так же, как и на электропроводность. Кварцевое стекло имеет очень малые потери (tg d = 0,0002), а стекла, содержащие оксиды щелочных и щелочноземельных металлов — более высокие (tg d = 0,009). Закаленное стекло имеет диэлектрические потери в два раза больше, чем отожженное стекло.

Кристаллизация стекла приводит обычно к снижению его диэлектрических потерь, особенно когда щелочные ионы входят в состав кристаллической фазы.

Электрическая прочность характеризует способность диэлектрика выдерживать действие высокого напряжения без разрушения и ухудшения диэлектрических характеристик. Электрическая прочность оценивается обычно величиной пробивного напряжения (Uпр), отнесенной к толщине диэлектрика в месте пробоя (размерность — кВ/м). Для обычных промышленных стекол Uпр составляет (1,6-6,4) x 104 кВ/м, кварцевого стекла — 2-4 x 104 кВ/м. Электрическая прочность очень важна для изоляторов высоковольтных линий передачи электроэнергии. Поэтому для изготовления изоляторов применяют алюмосиликатные малощелочные стекла, обладающие высокой электрической прочностью.

Плотность

Плотность характеризует количественное содержание массы вещества в единице объема. Плотность стекол в основном зависит от их состава и в меньшей мере от теплового прошлого. Плотность промышленных стекол, кг/м3, дана ниже.

Кварцевое стекло . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….... . . . . . . . . . . . . .2202 ± 5

Бесцветные и цветные натрий-кальций-силикатные . . . . . . 2480-2530

Свинцовые хрустали с содержанием РbО, %

4-12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 2400-2700

12-30 . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2700-3200

Оптические стекла. .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2300-5200

При повышении температуры от 20 до 1300°С плотность большинства технических стекол уменьшается на 6-12%. Плотность закаленных стекол на 80-90 кг/м3 ниже, чем плотность нормально отожженного стекла того же состава.

Плотность стекла чувствительна к изменениям химического состава. В связи с этим на стекольных заводах особенно с высокоскоростной механизированной выработкой изделий можно проводить систематический анализ плотности стекла во времени и сопоставлять полученные данные с колебаниями состава стекла, скоростью работы машин, качеством изделий и другими показателями. Это позволяет принять оперативные меры по ликвидации тех или иных нарушений технологического процесса.

Однородность стекол характеризует степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделия. Однородность важна для анализа правильности ведения технологического процесса. Наиболее распространенным методом определения однородности является метод разделения порошка по плотности. Однородность оценивают в градусах Цельсия (температурный интервал между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании). Однородность листовых стекол считается нормальной, если ее значение не превышает 2,5°С, стекол для прессованных и выдувных изделий — 3,5°С.

Теплофизические свойства и характеристики

Теплофизические свойства имеют большое значение как при варке стекла и выработке изделий, так и при их эксплуатации.

Теплоемкостью тела или системы тел называют количество тепла, затрачиваемое на повышение температуры тела или системы тел на один градус в определенном термодинамическом процессе (при постоянном объеме, давлении и т.д.). Удельной теплоемкостью называют теплоемкость, отнесенную к единице массы.

Единица измерений удельной теплоемкости Дж/(кг*°С).

С повышением температуры удельная теплоемкость возрастает, причем тем медленнее, чем выше температура. Для области стеклования характерно большее изменение теплоемкости при изменении температуры. Теплоемкость зависит от химического состава стекла: SiO2, Аl2О3, В2О3, МgО, Na2О и особенно Li2О повышают теплоемкость стекла; оксиды тяжелых металлов РbО, ВаО значительно снижают теплоемкость. Влияние других оксидов выражено слабее.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5