Применение стекломатериалов в авиастроении

Содержание

Введение.

Получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяются уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны.

Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко используются в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении и других отраслях промышленности. Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта.

Комиссия по терминологии АН СССР дала такое определение стеклу:

"Стеклом называются все аморфные  тела, получаемые путем переохлаждения  расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым".

Стекло- считают техническим термином в отличие от научного термина "стеклообразное состояние". В стекле могут оказаться пузыри, мелкие кристаллики. В материале из стеклообразного вещества, может быть даже специально образовано очень большое число мельчайших кристалликов, делающих материал непрозрачным или придающих ему иную окраску. Такой материал называют "молочным" стеклом, окрашенным стеклом и т.д.

Современные понятия  различают термины "стекло" и "стеклообразное состояние". "Стеклообразного  состояния": "Веществом твердое некристаллическое, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения". Н.В. Соломин, "стеклом называется материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества".

Все вещества, находящиеся  в стеклообразном состоянии обладают несколькими общими физико-химическими  характеристиками. Типичные стеклообразные тела:

1. Изотопы, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;

2.При нагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и в капельножидкое состояние;

3.Расплавляются и отвердевают обратимо, вновь приобретают первоначальные свойства.

Обратимость прессов  и свойств указывает на то, что  стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются истинными растворами. Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры может происходить двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает в виде стекла.

По первому пути могут  следовать почти все вещества. Однако путь кристаллизации обычен только для тех веществ, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, вплоть до момента кристаллизации.

Ко второй группе в  решающей мере зависят от концентрации щелочей или от концентрации каких либо других избранных компонентов. Зависимость их от состава влияет на: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость, поверхностное натяжение.

      1.Свойства стекла.

   Область применения  стекол определяется их свойствами. Так, для листовых  стекол важны  прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая  устойчивость, светопрозрачность. Ниже  рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле р = т / V , где р — плотность, г/см³; т — масса, г; V — объем, см³.

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см³. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см³ в частности оконное стекло 2,55 г/см³. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры   плотность   стекол   уменьшается.

Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при   сжатии,    растяжении,   изгибе и т.д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм², Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм²) образца перпендикулярно действующей силе: R =F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм², например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм². Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм².

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и В₂О₃ значительно повышают прочность, РЬО и А1₂О₃ в меньшей степени, МgО, ZnО и Fе₂О₃ почти не изменяют ее.

Предел прочности при  растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм² (Па); P — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S — площадь шейки образца в момент разрыва, мм².

Из механических свойств  стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм², т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность  от  повреждений,   например   покрывать кремний   органическими пленками. Химический состав влияет на   прочность   стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость  — это способность материала  оказывать сопротивление проникновению  в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность  всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).

К твердым сортам относят  боросиликатные малощелочные стекла с содержанием В₂О₃ до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.

Хрупкость.Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещнн, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.

На хрупкость стекол влияют однородность, конфигурация и  толщина изделий: чем меньше посторонних  включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол В₂О₃, SiO₂, А1₂Оз, ZrО₂, МgО хрупкость незначительно понижается.

Теплоемкость.Удельная теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1°С. Измеряется она в кал/г-град, ккал/кг-град (Дж/кг-К).   

Стекла имеют удельную теплоемкость от 0,08 до 0,25 кал/г-град в  зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РЬО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li₂О повышают ее.

С повышением температуры  теплоемкость стекла увеличивается, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением температуры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность.Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице:

Q = ,

где Q — переносимое количество тепла, кал; — коэффициент теплопроводности, кал/см-с-град или ккал/м-ч-град (вт/м-град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см²; а — толщина образца, см; I — разность температур, ° С; - время, с.  Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности, стекол 0,0017—0,032 кал/см-с-град,  в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO₂ любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.

С повышением температуры  теплопроводность стекол увеличивается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения.

Температура начала размягчения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существенную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при тепловой обработке.

Температура начала размягчения  стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающиеся при высоких температурах), такие, как SiO₂, А1₂О₃, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Nа₂О, К₂O, Li₂О понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает кварцевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.

Тепловое (термическое) расширение.

Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расширения а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к длине образца до нагревания, т. е.

где α — коэффициент  линейного расширения, 1/град; l₀ — длина образца при температуре 0° С, см; l_t — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного расширения стекла, равным 3а.

Коэффициент линейного  теплового расширения стекол колеблется от 5-10~⁷ до 200 -10~⁷. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8-10~⁷ (соответственно коэффициент объемного расширения 3а=17,4- 10~⁷). Оконное стекло имеет коэффициент линейного расширения 88·10^-7 (у металлов, как правило, 100·10^-7).

Величина α стекла в значительной степени зависит  от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO₂, А1₂О₃, МgО, а также В₂О₃, как правило, понижают а.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость.

Термической устойчивостью (термостойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью  обладает кварцевое стекло, оно выдерживает  резкий перепад температур до 1000°  С. Термостойкость оконных стекол составляет 80—90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше величина образующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагревание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостойкость: окислы, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Оптические свойства.

Под оптическими свойствами стекла подразумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка  света на поверхность прозрачного  тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, — небольшая часть света поглощается стеклом.. Поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных примесей в сырьевых материалах.

Химическая стойкость.

Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы.

Стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот — кислотостойкостью.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после испытания. Для испытания приготовляют порошок из стекла или массивный образец стекла, взвешивают его и затем кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaОН, Na₂СОз, НС1 и дистиллированной воде. После опыта образец высушивают и взвешивают на аналитических весах. "Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.

Химическую стойкость  определяют также титрованием кислотой (НС1) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование: чем больше израсходовано кислоты на титрование, тем меньше химическая стойкость стекла.

Щелочестойкость оконного стекла определяют по потере массы  с 1 дм² пластины стекла при обработке ее в кипящем однонормальном растворе углекислого натрия в течение 3 ч. Потеря при этом не должна превышать 38 мг с 1 дм² поверхности.

В зависимости от способности  стекол противостоять разрушающему действию воды и других агрессивных растворов их подразделяют на гидролитические классы, которые определяются количеством НС1, пошедшим на титрование.

Гидролитические классы (расход НС1, мл):

                 I — не изменяемые водой стекла                0—0,32

                II — устойчивые стекла                                 0,32—0,65

               III — твердые аппаратные стекла                  0,65—2,8

               IV — мягкие аппаратные стекла                    2,8—6,5

                V — неудовлетворительные стекла              6,5 и больше

Наибольшую химическую стойкость имеет кварцевое стекло, оно относится к I гидролитическому классу, химико-лабораторные стекла, как правило, ко II. Большинство промышленных стекол принадлежит к самому обширному — III гидролитическому классу, а наиболее устойчивые из них — оконное и полированное — к первой половине этого класса.                  

Химическая стойкость  силикатных стекол в основном зависит  от химического состава и определяется содержанием в них кремнезема. SiO₂ значительно увеличивает химическую стойкость стекла, Щелочные же окислы, как правило, понижают ее. Другие компоненты стекла ведут себя по-разному по отношению к различным реагентам. Поэтому при подборе химических составов стекол руководствуются тем, в каких условиях они будут использоваться.

2.Основы современной  технологии получения стекла. Состав, технология получения стекла.

Сырьем для получения стекла являются природные и искусственно получаемые вещества, которые подразделяются на следующие группы:

1. Стеклообразующие вещества – окислы кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. Эти окислы участвуют в образовании структуры стекла.

2. Модифицирующие вещества  – окислы натрия, лития, кальция,  магния, бария и др., расширяющие  в сочетании со стеклообразующими  диапазон физико-химических свойств стекол в какую-либо сторону.

3. Промежуточные вещества  – окислы алюминия, свинца, железа, титана, бериллия. Сами они не  образовывают стабильной стекловидной  структуры, но могут заменять часть стеклообразующих окислов в структурном каркасе стекла.

4. Красители – окислы  и соли металлов, образующие в  стекле коллоидные растворы и  обеспечивающие различный цвет  стеклу. Например, в красный цвет стекло окрашивают Cu₂O, AuCl, в синий – CoO, CuSО₄, в зеленый – Cr₂O₃, FeO и др.

5. Глушители – вещества, делающие стекло матовым, молочным. К этой группе относятся окислы и сернистые соединения мышьяка, олова, сурьмы и др.

6. Обесцвечиватели –  вещества, добавление которых в  стекломассу, устраняют желтую  или другую слабую окраску. Например, введение MnО₂ удаляет зеленую окраску, полученную от FeO. 

7. Осветители – вещества, удаляющие из стекломассы газовые  включения. К ним относятся NaNO₃, As₂O₃, NH₄Cl и др.

Вредной примесью в сырье  являются окислы Fe, придающие стеклу зеленый оттенок.

Компоненты шихты промывают, сушат, измельчают, просеивают. При промывке удаляются глинистые частицы и органические примеси. измельчение сырья производится в щековых, а затем в молотковых дробилках или в бегунах. Сырье сушат в барабанных сушилках.

Просеянные сырьевые материалы смешиваются в определенных соотношениях, получается шихта, которая направляется на варку в стекловаренную печь.

Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени — от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

Процесс осуществляется в ваннах или в горшковых печах. Ванна – непрерывно действующая печь, конструктивно аналогична мартеновской печи. Она имеет ванну длиной около 30 метров, над которой в пламенном пространстве сжигается топливно-генераторный или природный газ. Топливо и воздух, необходимый для горения, предварительно нагреваются в регенераторах, а затем подаются через форсунки в пламенное пространство печи. Варка стекла – сложный физико-химический процесс, состоящий из следующих стадий:

1. Удаление гигроскопической  и кристаллизационной влаги и  выгорание органических соединений  при температурах ниже 500 ºС.

2. Силикатообразование,  заканчивающееся при 900 – 1000 ºС; шихта при этом превращается  в спекшуюся массу, состоящую  из силикатов Ca, Na, Mg и других металлов и свободного кремнезема.

3. Стеклообразование  происходит при температурах 1000 – 1200 ºС. Масса плавится и происходит взаимное растворение кварца и силикатов в щелочном силикатном расплаве. К концу этой стадии образуется прозрачная жидкая стекломасса, но еще не однородная по химическому составу и содержащая растворенные газы.

4. Дегазация и гомогенизация происходит при 1450 – 1500 ºС. Вязкость стекломассы уменьшается, из нее выделяются пузырьки газа. Для гомогенизации, т.е. полной однородности, стекломассу выдерживают при указанных температурах в течении нескольких часов.

5. Охлаждение стекломассы (студка) заключается в постепенном повышении вязкости расплава до пределов, допускающих формование изделий. В этот период температура стекломассы снижается на 200 – 300 ºС.

Горшковые печи по устройству сходны с ванными печами, но варка  стекломассы в них производится в горшках, установленных в ванне. Такие печи применяются для варки хрустального стекла и стекол особого назначения.

         В древние времена варка производилась  в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5-7 см. В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.

Рис. 1. Ванная стекловаренная печь:

1 – бассейн; 2 – загрузочный  карман; 3 – здание цеха; 4 – главный  свод; 1 – бассейн; 2 – загрузочный  карман; 3 – здание цеха; 4 – главный  свод; 5 – колонны обвязки печи; 6 – машина вертикального вытягивания; 7 – отломщик рамного типа; 8 – роликовый конвейер; 9 – горелки; 10 – регенераторы; 11 – воздушный шибер; 12 – боров для отвода отходящих газов; 13 – котёл – утилизатор; 14 – дымовая труба.

            Ванная стекловаренная печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком. Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя загрузочными карманами, расположенными по ее боковым сторонам.

            Варочный бассейн печи отапливается газообразным или жидким топливом. Для отопления газообразным топливом варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.

            Удаление дымовых газов из стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, трубой и дымососом.

           Стекловаренная печь проточная. Производительность печи-70 тонн в сутки.

 Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.        

Цикл  технологии стекломассы включает операции:

•  подготовки сырых материалов;

•  смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

•  варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.         

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

•  доведения стекломассы до температуры (и вязкости);

•  формования изделий;

• постеленного охлаждения изделий с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

• термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.         

Сырые - кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и зерновым составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм.

Окись алюминия, применяемая в производстве промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия.

Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой.

Окись калия вводится в виде солей; применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол.

Окись лития используется при выработке  опаловых и некоторых специальных стекол.

Окись кальция вводится преимущественно  в виде мела.

Окись бария используется при производстве оптических стекол и хрусталя.

Окись цинка применяется в производство оптических, химико-лабораторных стекол.

В стекловарении используются материалы, содержащие одновременно горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.      

К вспомогательным  сырым  материалам относятся осветлители. В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, и др. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями.

В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др.

Белые, мало прозрачные стекла  молочные (наиболее заглушенные), опаловые применяются различные фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.       

Стекловарение ведётся при температурах 1400°-1600°. В нём различают три стадии.        

Первая стадия - варка, когда происходит химическое взаимодействие и образование вязкой массы. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление, соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.