Строение твердого тела

Каждый материал, применяемый при производстве и обработке стекла и изделий из него, обладает комплексом свойств, определяющим область его рационального применения. Основные свойства материалов (физические, механические, химические) зависят от их химического состава и строения. Причем при одном и том же химическом составе материалы разного строения обладают различными свойствами.

Материалы находятся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Поскольку чаще всего - это твердые тела, рассмотрим строение твердого тела.

Строение твердого тела характеризуется фиксированным положением мельчайших составляющих (атомов, молекул, ионов) элемента или вещества в пространстве. Расстояние между двумя соседними атомами неизменно.

По взаимному расположению атомов или молекул твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллическими называются тела, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке, аморфными (стеклообразными) - в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно.

При переходе вещества из жидкого состояния в твердое (например, при застывании расплава металла) или при выпадении твердого вещества в осадок из насыщенного раствора атомы и молекулы вещества стремятся занять такое положение относительно друг друга, чтобы силы их взаимодействия оказались максимально уравновешены. Поэтому их положение относительно друг друга оказывается вполне определенным, фиксированным. Такой геометрически правильный и повторяющийся в пространстве порядок расположения атомов (молекул) называется кристаллической решеткой. В некоторых случаях (например, при быстром охлаждении расплавленного кварца) может произойти затвердевание без кристаллизации с сохранением хаотического расположения атомов — так образуется аморфное вещество.

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.

Стекло в отличие от кристаллических тел не имеет определенной температуры плавления или затвердевания. При нагревании стекло в определенном температурном интервале постепенно из твердого состояния переходит в пластическое, а затем при более высоких температурах - в жидкое. При охлаждении расплав стекла переходит от жидкого в пластическое состояние, а потом - в твердое.

Если кристаллические тела анизотропны, т. е. их свойства различны по разным направлениям, то стекла - изотропные вещества, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях.

Свойства кристаллических тел при их затвердевании в процессе кристаллизации изменяются скачками, т. е. внезапно, в то время как свойства стекол при их затвердевании изменяются постепенно.

Обычно стекла получают название по типу стеклообразующего оксида и подразделяются на следующие группы: силикатные (стеклообразуюший компонент SiO₂), боратные B₂O₃, фосфатные P₂O₅, боросиликатные B₂O₃ и SiO₂.

Наиболее широкое распространение в производстве изделий (95 % всего объема) получили силикатные стекла. Как правило, составы силикатных стекол содержат 5 ... 7 компонентов. Чаще всего применяют натриево-кальциево-силикатный состав с содержанием, % по массе: SiO₂ - 70...72, СаО — 7,0 ... 9,5, Na₂O — 13,5 ... 16. С целью понижения склонности силикатного стекла к кристаллизации в его состав вводят 1,5 ... 33 % MgO, а для повышения химической стойкости - 03 ... 2,0 % Al₂O₃. Химический состав основных стекол различного назначения приведен в приложении 1.