Влияние структурных изменений на уровень упрочнения стекол

До недавнего времени главным препятствием для широкого внедрения стеклянных материалов в машиностроение была их хрупкость. Хотя стекла используются тысячи лег, только в XX в. возникла возможность радикального изменения их свойств. Появились стеклянные проводники, полупроводники, пуленепробиваемые стекла, стеклянные гвозди. Возникла возможность подавить известное свойство стекол - хрупкость, благодаря созданию теории строения неорганических стекол.

Теоретическая прочность НС на разрыв может достигать 1()...12ГПа. Реальная прочность обычного промышленного стекла характеризуется существенно более низкими величинами:

50... 100 МПа. Кроме того, стекло не выдерживает динамические, ударные нагрузки. Только направленная модификация структуры стекол позволяет исправить указанные недостатки.

Стекла имеют своеобразную структуру поверхности: с виду глянцевая и гладкая поверхность стекла имеет множество трещин. И именно наличие этих трещин сильно снижает прочностные характеристики стекол, особенно прочность на изгиб и на разрыв.

Неблагоприятные теплофизические свойства являются одной из основных причин образования трещин на поверхности НС. Во- первых, стекла - теплоизолягоры, они примерно в тысячу раз хуже проводят тепло, чем металлы. Во-вторых, они имеют высокие значения коэффициентов термического расширения (исключение - кварцевое стекло).

Поэтому, когда стекло остывает, то на поверхности образуются значительные растягивающие термические напряжения, которые разрывают монолитную структуру хрупкого стекла.

Существуют два основных направления упрочнения стекла определенного химического состава: 1) модификация структуры поверхности; 2) регулирование внутренней структуры.

В настоящее время в технике для получения высокопрочных стекол применяются различные способы модификации структуры поверхности.

Химическое травление поверхности стекла. Сущность этого способа заключается в обработке поверхности стекла различными реактивами (плавиковой кислотой, растворами щелочей и пароводяным потоком). В результате этой обработки снимается поверхностный слой стекла, сглаживаются поверхностные дефекты, устраняются локальные перенапряжения, образующиеся у вершин микротрещин. Используя способ химического травления поверхности стекла, можно увеличить прочность этих материалов до 3000 МПа, т.е. использование этого метода дает увеличение прочности стекла по отношению к исходной на 500... 700 %.

Однако способ химического травления поверхности стекла эффективен лишь в том случае, когда поверхность мосле травления защищается от контактов с твердыми телами и абразивными частицами, вызывающими разупрочнение материала.

Ионный обмен. Сущность метода ионного обмена заключается в создании на поверхности стекла сжимающих напряжений в результате изменения химического состава стекла.

При высокотемпературном (500... 700 °С) ионном обмене вследствие высокой температуры катионы стекла (Na+, К+) обмениваются на ионы лития (размер ионов Li+, К+, Na+ по Полингу соответственно 0,060; 0,133; 0,095 нм). Ионы лития проникают в стекло на глубину до 150... 200 мкм. Это вызывает различие свойств поверхностного слоя и внутренней области стекла. Если после обмена ионов коэффициент термического расширения стекла в поверхностном слое окажется меньшим, чем во внутренней области, то при охлаждении в наружном слое возникнут напряжения сжатия, а в более глубоких слоях - напряжения растяжения. В результате ионного обмена механическая прочность стекла возрастает в 2 раза, термостойкость[1] - в 1,5-2 раза, химическая устойчивость к воде и кислотам - в 2 раза.

Этот способ имеет два основных недостатка: он длителен и связан с использованием дефицитного лития.

При низкотемпературном (400... 450 °С) ионном обмене проводится обмен принадлежащих стеклу ионов Na+ на более крупные катионы калия. Прочность стекла при этом увеличивается на порядок.

Недостатком низкотемпературного способа упрочнения стекла является заметная нестабильность прочностных показателей обработанных стекол. Несмотря на отмеченные недостатки, метод низкотемпературного ионного обмена - один из самых практичных методов упрочнения стекол. Основным достоинством этого способа является его применимость к изделиям сложной конфигурации.

Нанесение полимерных покрытий. Этот способ эффективен не только в качестве заключительной операции после химического травления стекла. Он имеет большое самостоятельное значение.

Полимер наносят на поверхность стекла разными способами в виде лака, мономера с последующей полимеризацией нагретой пленки. Во всех случаях полимерный материал заполняет микротрещины стекла и тем самым противодействует негативному влиянию поверхностных микротрещин на прочностные характеристики стекла.

Для защиты стекол используют кремнийорганические полимеры, поливинилбутираль и др.

Кроме упрочнения стекла, этот способ изменяет скорость старения стекла и его устойчивость к окружающей к среде. «Старое» стекло отличается по свойствам от «молодого». Чем старше стекло, тем оно менее пластично. Это зависит от того, как структурные единицы могут взаимодействовать друг с другом. «Мягкие» блоки более подвижны и не блокируют друг друга в отличие от более поздних, отвердевших «жестких».

Так, если на стекло попадает дождевая вода, ионы натрия растворяются в воде (Na+OH“) и вымываются. На стекле остается кремниевая кислота, которая очень устойчива к воздействию кислот. Однако кремниевая кислота неустойчива к действию щелочей, когда они начинают взаимодействовать с основными компонентами стекла - оксидами кислот. Когда стекло складировано таким образом, что вода попадает в пространство между плотно лежащими листами стекла, то начинает выделяться водород, который образует сильнощелочной раствор (Na+OH ). Когда водородный показатель pH превышает 8,5, структура стекла начинает разрушаться и образуется силикат натрия, который склеивает стекла между собой.

Закалка стекла. Эго один из самых распространенных способов повышения прочности сгеклоизделий. В этом случае стекло нагревается, а затем в строго заданном режиме начинает охлаждаться либо в потоке воздуха, либо при обработке стекла различными жидкостями и расплавами металлов.

Режим охлаждения выбирают таким, чтобы создать в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия. Если удается удачно выбрать режим охлаждения, то прочность стекла можно повысить этим способом до 1000... 1500 МПа.

Важным направлением в упрочнении стекол является модификация их внутренней структуры. Данные табл. 2.3 показывают влияние внутренней структуры неорганических материалов (кристаллизация и эффект искусственной ориентации структуры материала (аморфного или кристаллического)) на их механические свойства.

Таблица 2.3

Прочность различных материалов при растяжении

Материал

о„, МПа

Кварцевое Стекло

60-70

Волокно из кварцевого Стекла

2000-6000

Кварц

100-200

«Усы» (практически бездефектные игольчатые кристаллы) кварца

До 25 000

В последние годы стеклянные волокна находят все большее практическое использование. При получении волокна структура стекла, во-первых, ориентируется в направлении вытяжки и, во-вторых, получает специфическую термическую обработку. В результате этой структурной модификации стекла практически подавляется известный недостаток стекол - хрупкость. Из тонких стеклянных волокон можно плести ткани, вязать узлы без риска их поломки. Кроме того, стеклянные волокна необычайно прочны на разрыв. На основе стеклянных волокон изготовляют композиционные материалы - стеклопластики, в которых основным компонентом, выдерживающим огромные нагрузки, в том числе динамические, является неорганическое стекло в форме волокон.

  • [1] Термостойкость - это способность выдерживать термические напряжения неразрушаясь.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >