Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Материалы 21 века

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИТУ «МИСиС»

ДОКЛАД

по дисциплине «Материалы 21 века»

«Стекло. Стекловолокно»

Выполнил:

студент МГ-09-2

Александрова П. Е.

Проверил:

Багдасарова К. А.

Москва

2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.

Основная часть.

Стекло:

историческая справка, возникновение стекла как материала;

художественное стекло;
понятие «стекло», его свойства;
состав, виды стекла и применение;
технология производства;

Стекловолокно:

виды стекловолокна;

технология производства;
свойства и функции;
применение.

3. Клин – город стекольный.

Заключение.

Список используемой литературы.

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена теме «Стекло. Стекловолокно».

Эту тему я выбрала не случайно, ведь город, в котором я родилась, издавна был знаменит своим стеклодувным ремеслом и заслуженно считается одним из центров изготовления ёлочных игрушек в России.

Город этот - Клин, расположенный на северо-западе Подмосковья. В Клину в настоящее время существует несколько предприятий стекольной промышленности. Это: ОАО «Медстекло», ОАО «Химлаборприбор», ОАО «Термоприбор», ООО « Клин-Фармагласс», ЗАО «Клинстеклотара», ООО «Эй Джи Си Флэт Глас Клин» (прежнее название ООО «Главербель Клин»), ОАО «Ёлочка».

В курсовой работе пойдет речь о происхождении стекла, технологиях изготовления, разновидностях и способах обработки, о применении.

Целью моей работы является: подробное и глубокое исследование стекла и стекловолокна, как материала, их свойств, классификации, методов изготовления, областей применения, в одной из глав более подробно остановлюсь на стекольной промышленности города Клина.

1. Стекло

История стекла началась очень давно. Прежде всего, следует признать, что не человек изобрел стекло. Стекло родила сама природа. Первое стекло образовалось из раскаленной лавы, вырвавшейся на поверхность сотни миллионов лет назад. Правда, было оно не прозрачным, а вовсе даже мутным, почти черным. Это вулканическое стекло теперь называют обсидианом. Позднее человек стал изготавливать стекло сам. Первое упоминание о стекле, полученном руками человека, дошли до нас из описаний Плиния. В своих описаниях Плиний рассказал, будто однажды финикийские мореплаватели везли из Африки природную соду. Высадившись на берег, на ночлег, они принялись готовить пищу. Вокруг был один песок. Камней под рукой у них не оказалось, и они поставили котел на куски соды. Под воздействием высоких температур песок и сода

расплавились, образовав стекло.

В XX веке эту красивую историю решили проверить. Но энтузиастам, действовавшим строго по методике, изложенной Плинием Старшим, не удалось получить стекло. Температура, которую способен дать костер, пусть даже и раздуваемый штормовым ветром, оказалась недостаточной для сплавления соды с песком. Получить высокую температуру можно лишь в печи, поэтому пальма первенства в изобретении стекла, скорее всего, принадлежит неизвестному помощнику египетского гончара, который не страдал излишней аккуратностью в работе. Похоже, что именно он первым уронил сосуд из сырого глиняного теста в случайно оказавшуюся под ногами смесь песка и соды и потом, не сумев полностью его отчистить, сунул гончарное изделие в печь для обжига. В результате керамика оказалась покрытой тонкой стеклянной коркой — глазурью. Отсюда оставалось сделать лишь полшага до производства настоящего стекла.

Китайцы за 2000 лет до Р. X. умели приготовлять стекло; около этого же времени и египтяне показывали удивительное искусство в выделывании стеклянной посуды, как видно из картин на стенах и в склепах времен Моисея. Считается, что впервые стекло смогли произвести финикийцы еще около 7 тысяч лет назад. А фрагменты самого раннего непрозрачного стекла, датируемые 16 в. до н.э., были найдены в Месопотамии. Но стекло могло быть изобретено и раньше, в самой глубокой древности в разных местах...

1.1. историческая справка

В природе существует природное стекло – перлит, обсидиан.

Появление искусственного стекла обычно связывают с развитием гончарства. При обжиге на изделие из глины могла попасть смесь соды и песка, в результате чего на поверхности изделия образовалась плёнка-глазурь. Производство стекла началось в 4-м тыс. до н. э. (Древний Египет, Передняя Азия).

Первоначально получались непрозрачные стёкла, с помощью которых эмитировали поделочные камни (малахит, бирюзу и др.). Постепенно состав стекла менялся, количество окислов щелочных металлов с 30 % (по массе) уменьшилось до 20 %; в стекло вводились окислы свинца и олова; для окрашивания стали добавлять соединения марганца и кобальта. Во 2 тыс. до н. э. в Египте стекло варили в глиняных горшках – тиглях ёмкостью около 0,25 л.

Коренные изменения в технологии стеклоизделия произошли на рубеже нашей эры, когда были решены две важнейшие проблемы стеклоизделия – изготовление прозрачного бесцветного стекла и формование изделий выдуванием. Получение прозрачного стекла стало возможным в результате усовершенствования стекловаренных печей, что позволило повысить температуру варки и надежно воспроизвести условия хорошего осветления стекломассы. Стеклодувная трубка, изобретенная в 1 в. до н. э., оказалась универсальным инструментом, с помощью которого стало возможным создавать простые, доступные всем предметы обихода, например посуду.

Первым научным трудом по стеклоизделию считают вышедшую в 1612 году книгу монаха Антонио Нери, в которой были даны указания об использовании окислов свинца, бора и мышьяка для осветления стекла, приведены составы цветных стёкол. В 1615 Г. В Англии стали применять для нагрева стеклоплавильных печей уголь, что повысило температуру в печи. С начала 17 в. во Франции был предложен способ отливки зеркальных стёкол на медных плитах, с последующей прокаткой; в то же время был открыт метод травления стекла смесью плавикового шпата и серной кислоты, освоено производство оконного и оптического стекла. Существенную роль в создании основ стеклоизделия сыграли русские учёные: Михаил Васильевич Ломоносов, Э. Г. Лаксман, С. П. Петухов, А. К. Чугунов, Д. И. Менделеев, В. Е. Тищенко.

До конца 19 в. в стеклоизделии преобладал ручной труд, и только со 2-ой половины 20 в. производство всех видов массового стекла (оконное, тарное и др.) было механизировано и автоматизировано, а ручные методы сохранились лишь при изготовлении художественного стекла и некоторых сортовых изделий.

1.2. художественное стекло

Художественное стекло включает в себя витражи, смальтовые мозаики, сосуды художественные, декоративные композиции, светильники, бижутерию (искусственные драгоценности).

В древнем мире производство стекла было особенно развито в Египте, Сирии, Китае. Изделия (небольшие вазочки, бусы, серьги, печати) изготавливались путем прессования в открытых глиняных формах или путём навивания стекломассы на палочку; такое стекло обычно было непрозрачным, а по цвету зелёным, голубым, бирюзовым.

С 6 в. центры художественного стеклоизделия сосредоточились в Византии, где процветала выделка цветного непрозрачного стекла для посуды и смальт. В 12-14 вв. производством стеклянных изделий с эмалевыми росписями славилась Сирия.

В 15-16 вв. ведущее значение в декоративно-прикладном искусстве Европы приобрело венецианское стекло. С изобретением в 17 в. более твёрдого кальциевого стекла и развитием техники гравировки центр художественного стеклоизделия переместился в Чехию (чешское стекло). С 1770-х гг. (первоначально в Англии) стало широко применяться стекло, полученное на основе окиси свинца (хрусталь или флинт-гласс), главным способом обработки которого явилось алмазное гранение, выявляющее способность хрусталя преломлять или отражать свет. Начиная с 18 в. интенсивно развивается производство искусственных драгоценных камней. Для современного художественного искусства характерно разнообразие техник и стилевых тенденций.

В Древней Руси стеклоделие получило развитие уже в домонгольский период (выделка украшений, сосудов, смальты для мозаик). Прерванное татаро-монгольским нашествием, производство художественного стекла возродилось в 17 в., когда в 1635 г. был основан первый в России стекольный завод. Огромный вклад в производство стекла (для мозаик, бижутерии и архитектурной облицовки) внёс М. В. Ломоносов, создавший в 1753 г. Усть-Рудицкую фабрику. Важнейшую роль в развитии русского стеклоделия сыграл Императорский хрустальный и стекольный завод в Петербурге (заложенный Петром 1 в начале 18 в. под Москвой и к середине 18 в. вместе с Ямбургскими заводами переведённый в Петербург). В 18 в. были основаны также Гусевской хрустальный завод и Дятьковский хрустальный завод. Для русского искусства 18 в. было характерно гутное стекло, изготовлявшееся путём свободного выдувания и лепки на небольших купеческих заводах (изделия из такого стекла, часто тёмные по тону, расписывались эмалевыми красками), и прозрачное светлое стекло, декорируемое в основном с помощью гравировки и выпускавшееся Императорским заводом и наиболее крупными частными предприятиями; выпускалось также стекло матовое. С конца 18 в. были освоены варка свинцового хрусталя и алмазное гранение, для которого в начале 19 в. типичен особый рисунок, подражающий бриллиантовой огранке («русский камень»). К середине 19 в. в русском художественном стекле возникает увлечение гигантскими размерами изделий (вазы, сборные хрустальные канделябры, детали архитектурного декора).

В 20 в. интенсивное производство стекла начинается с конца 30-х гг.. Ведущую роль в развитии советской художественной школы сыграла архитектор В. И. Мухина (Ленинградский завод художественного стекла). В это время существовало несколько направлений: ленинградская школа (бесцветный и цветной хрусталь строгих форм с алмазной гранью), владимирское стекло (использование традиций русского гутного стекла), украинское стекло (традиции украинского гутного стекла, яркая полихромия), прибалтийская школа (слабо окрашенное прессованное стекло с тонкой гравировкой). В 60-70 гг. развивается витраж, созданы хрустальные фонтаны, декоративные установки из стекла и металла, изготовление изделий для украшения интерьеров.

В настоящее время стекольная промышленность получила «второе дыхание» после долгого «затишья», ведь накануне Великой Отечественной войны стекольная промышленность выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какое занимала Россия в 1913).

1.3. понятие «стекло», свойства

Стекло - твёрдый аморфный прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды Si, В, Al, Р и т. д.) и оксиды металлов (Li, K, Mg, Pb и т. д.).

Стекло́ — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно — аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии — от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного — в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Стекло - твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Физико-химические свойства стекла.

Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов.

Наиболее характерное свойство стекла — прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического стекла — до 99,95%).

Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у стекла такое же, как у чугуна.

Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности стекла происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности стекла в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность стекла 2200—8000 кг/м³, твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м², модуль упругости 50—85 Гн/м². Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м², при изгибе 30—90 Гн/м², при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м².

Теплоёмкость стекла 0,3—1 кДж/кг - К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12) 10⁹ 1/К. Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 Вт/(м^. К), коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10^-8—10^-18 Ом ^-1.см¹, диэлектрическая проницаемость 3,8—16.

Все типы стекол, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, обладают специфическими свойствами, которые отличают их от кристаллов и жидкостей.

Стекла рентгеноаморфны вследствие неупорядоченного атомного строения. В структуре стекла отсутствует дальний порядок, т. е. систематическая повторяемость элементарных объемов структуры, характерная для кристаллических веществ.

Стекла изотропны, если они однородны по составу, свободны от напряжений и дефектов. Изотропия свойств стекол, как и других аморфных сред, обусловлена отсутствием направленной в пространстве ориентации частиц. Оптическая анизотропия может возникнуть в стекле в результате действия растягивающих или сжимающих напряжений (явления оптической анизотропии).

Температурный интервал стеклования. Стекла не имеют определенной температуры затвердевания или плавления. Оба эти процесса происходят постепенно в некотором температурном интервале. При охлаждении расплав переходит из жидкого в пластическое состояние, и только затем—в твердое (процесс стеклования). Наоборот, при нагревании стекло переходит из твердого в пластическое состояние, при более высоких температурах—в жидкое (размягчение стекла).

Температурный интервал, в котором происходит процесс стеклования или обратный ему процесс размягчения, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур Тf, со стороны низких температур Tg (температура стеклования) (рис.1).

При температуре Tg стекло обладает свойствами твердого упругого тела с хрупким разрушением. Температура Tf является границей пластического и жидкого состояний. При температуре Тf из стекломассы уже удается вытягивать тонкие нити.

Понятия о Tg и Tf были введены Тамманом. Подстрочные индексы «g» и «f» являются первыми буквами слов «Glass» — стекло и «Flissigkeit» — жидкость.

1— твердое состояние; 11 — пластическое; III — жидкое (расплав

Рис. 1. Зависимость свойства Р и его производных в интервале стеклования (по Тамману)

Рис.2. Влияние условий переохлаждения на мольный объем вещества в расплавленном, кристаллическом и стеклообразном состояниях.

Процессы размягчения стекла или затвердевания стекломассы являются однофазными в отличие от плавления кристаллических веществ или кристаллизации расплавов. При размягчении стекла в интервале стеклования отсутствует жидкая фаза.

Свойства стекол по характеру изменения в интервале стеклования делят на три группы. К первой группе относятся свойства Р, характеризующие функцию состояния веществ (внутренняя энергия Е, мольный объем V, энтальпия Н, энтропия S) и кинетические свойства (вязкость), удельное сопротивление r). Свойства первой группы с повышением температуры изменяются постепенно. В интервале стеклования кривая имеет закругленный перегиб (рис. 3.1, кривая 1), соответствующий наиболее резкому изменению свойств первой группы. Свойства второй группы представляют собой первую производную по температуре dP/dT от свойств первой группы (коэффициенты термического расширения—линейный и объемный, теплоемкость). Кривая 2 характеризует температурный ход зависимости свойств второй группы. Можно видеть, что в интервале стеклования первая производная dP/dT имеет точку перегиба Tg. Третья группа включает свойства (теплопроводность, диэлектрические потери), которые являются вторыми производными по температуре от функций состояния (кривая 3). Температурная зависимость d²P/dT² имеет максимум или минимум в точке Tw.

Характер изменения свойств стекол при нагревании резко отличается от температурной зависимости свойств кристаллических веществ. Для последних нет деления свойств на группы, характер температурных кривых однотипен: незначительное линейное изменение свойств до температуры плавления, резкое скачкообразное изменение свойств при температуре плавления. Температуры Tg, Tw, Tf лежат всегда ниже температуры плавления соответствующего кристалла.

Значения температур Tg, Tf, а также интервал стеклования (Tg—Tf) зависят от состава стекла.

Температуры Tg и Tf принадлежат к числу характеристических точек на температурной кривой вязкости. Температуре стеклования Tg соответствует вязкость стекломассы, равная 10¹²³ Па-с, а температуре Tf—вязкость 10⁸ Па-с.

Из (рис.2) можно видеть, что объем стекла в отличие от объема кристаллического вещества не является константой для данного состава. Он зависит от температурно-временных условий получения стекла.

Изотермическая выдержка закаленного стекла при температуре (T<Tg) будет сопровождаться уменьшением объема по прямой lт в связи со стремлением структуры достичь равновесного состояния при температуре Т (см. рис.2). Время структурных перестроек в области низких температур исключительно велико.

Неравновесное состояние структуры стекла находит свое выражение в явлениях термического последействия (так называемое, «вековое повышение точки нуля» и «депрессия точки нуля»), широко известных при эксплуатации точных стеклянных шкал и термометров.

1.4. Состав и технологии стёкол

1.4.1. Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относятся:
Оксиды: SiO₂ B₂O₃ P₂O₅ TeO₂ GeO₂

Фториды: AlF₃

и др.

1.4.2. Виды стекол:

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла бывают:

оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные);
фторидными;
сульфидными и т. д.

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O*CaO*6SiO₂.

Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO₂. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения (см. выше —кластофульгуриты), образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка (этот факт лежит в основе одной из исторических версий происхождения технологии).

Кварцевое стекло характеризуется весьма малым коэффициентом температурного расширения и потому его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах.

Согласно определению Комиссии по терминологии АН СССР (1932г.) «стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их 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».

Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут находиться вещества, принадлежащие к разным классам химических соединений.

Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, — находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла существенно отличаются от неорганических и составляют особый объект изучения.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением силикатных стекол, основывающихся на системе Na₂O—СаО—SiO₂. Только во второй половине XX в. было показано, что натрий-кальций-силикатные стекла составляют небольшую часть безграничного мира неорганических стекол.

В качестве главной составной части в стекле содержится 70—75 % двуокиси кремния (SiO₂), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.

Второй компонент — окись кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в Средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке.

Материалы 21 века 📙 Курсовая → 🆔 121216