ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Теплоемкость. Удельная теплоемкость стекла ^ст, т - е. количество теплоты, необходимой для нагревания единицы массы стекла на Г, можно рассчитать по фор­муле слагаемости с точностью до 5—8 %:

Сст = Сі _ - f - С2 * - j - Сз ~~ Н... - J - сп ■

100 * 100 100 " 100 3* 35

Как видно из табл. 3.5, тяжелые оксиды (ВаО, РЬО) резко понижают теплоемкость стекла, а легкие (В203, MgO, особенно Li20) сильно увеличивают ее. Поэтому бариевые и свинцовые стекла остывают медленнее всех остальных стекол и их чаще всего применяют для выра­ботки изделий сложной формы, требующих «длинного» интервала формования.

Теплоемкость, Дж/(кг-К) , измеряют методом кало­риметрии; точность измерений составляет примерно 5 % теплоемкости. Теплоемкость разных стекол составляет 340—1050 Дж/(кг-К). Она увеличивается с повышением температуры, т. е.

Ct = С0 (1 + 0,00078*); Ст = (1 + 0,00039*),

Где Со — теплоемкость стекла при 0°С; Ct— теплоемкость стекла при температуре t; Ст — средняя теплоемкость стекла от 0° до (; t — температура, °С.

Теплопроводность. Теплопроводностью стекла назы­вают его способность передавать теплоту в направлении от более нагретой части объема или поверхности к менее нагретой.

Пусть две поверхности образца стекла площадью S, м2, и толщиной а, м, нагреты до разных температур: ti>t2. Разность температур поверхностей составляет tx—t2=M. Тогда количество теплоты Q, Дж, прошедшей через образец от более горячей стороны к более холод­ной за время т, с, составит Q=h(SAtx/a), где Я — коэф­фициент теплопроводности стекла. Он выражается в Вт/ /(м-К).

Стекло малотеплопроводно. Коэффициент теплопро­водности разных стекол составляет 0,7—1,35 Вт/(м-К). а обычных натрий-кальцийсиликатных стекол — около 0,97 Вт/(м-К). Я металлов 40—480 Вт/(м-К). Наиболь­шее значение Я — кварцевого стекла, поэтому при заме­не Si02 любым другим оксидом теплопроводность стекол понижается. В порядке убывающего влияния на тепло­проводность оксиды образуют ряд: К20, Na20, PbO, BaO, СаО, ZnO, Fe203, Al203, MgO, B203.

Коэффициент теплопроводности стекла в Вт/(м-К) рассчитывают по формуле слагаемости с точностью ±5%:

Яот = Х]^ + Х2р2 + Я3р3 + • • • + КРп>

Где Рь Р2, Рз, рл — содержание отдельных оксидов в стекле, % ПО

Массе; Яі, Яг, Х3........ Хп парциальные значення нх теплопроводности

(табл. 3.6).

Теплопроводность стекла возрастает с повышением его температуры, удваиваясь при температуре размягче­ния.

Температурный коэффициент расширения. Под таким коэффициентом понимают увеличение длины или объема образца стекла при нагревании его на 1 °С, отнесенное к длине или объему до нагревания:

_1_ _ 1 Ay

Acv~ l0 At ; «'""To" ~ДГ: P°P-3acP -

Здесь acp — линейный, a Pep — объемный температурный коэффици­енты расширения; lo и V0 — соответственно первоначальные длина и объем образца; А/ и AV — увеличение длины нли объема прн нагре­вании образца иа At, °С.

От температурного коэффициента расширения стекла в основном зависит его сопротивляемость резким изме­нениям температуры (термическая устойчивость). Кроме того, в технике часто приходится спаивать стекла разно­
го состава одни с другими, а также стекла с керамикой и металлами. Если спаивае­мые материалы имеют раз­личное тепловое расширение, го прочного спая получить не удается: изделия при охлаж­дении растрескиваются.

Температурный коэффи­циент линейного расшире­ния измеряют дилатомет­ром. В дилатометре конст­рукции Государственного института стекла использу­ется разница в температурном расширении стекла и плав­леного кварца, коэффициент расширения которого зна­чительно меньше, чем промышленных стекол. При нагре­вании образец стекла, расширяясь, сдвигает кварцевую палочку, которая перемещает стрелку прибора индикато­ра. Зная температуру образца, измеряемую термопарой, и показания индикатора, строят график температурного расширения образца (рис. 3:1). В первый период нагре­вания удлинение образца стекла почти прямо пропорцио­нально росту температуры (отрезок АВ). На отрезке ДБ коэффициент линейного расширения стекла сильно воз­растает, а затем становится постоянным. При температу­ре, соответствующей точке Г, образец начинает «прови­сать»; эта температура представляет собой температуру размягчения Tf.

Температура в точке Д пересечения отрезков АБ и БВ соответствует вязкости 1012 Па-с, т. е. представляет собой температуру стеклования Tg. Следовательно, кри­вая температурного расширения стекла, построенная по данным дилатометра, позволяет наряду с температурным коэффициентом линейного расширения аср определить также температуру стеклования и размягчения. Величи­ну ctcp рассчитывают по формуле аср= (аДя - 107)/Ш, где а — цеиа деления индикатора, мм; An— число делений, соответ­ствующих прямолинейному отрезку АБ кривой расширения; I — дли­на образца, мм, измеренная с точностью до 0,01 мм; At, °С — интер­вал температур, соответствующий отрезку АБ.

Температурный коэффициент линейного расширения стекол изменяется от 5-10_7OC_1 (для плавленого квар­ца) до 200- 10~7°С~1; у металлов а> 100- ІО-^С-1. Величи­на этого коэффициента стекол зависит главным обра­зом от их состава. Его понижают тугоплавкие оксидьг

Si02, А120з, а также B203 (при его содержании в стекле менее 12—15 %) и MgO. Сильно увеличивают аСр Na20 и К20, но не Li20. Влияние последнего своеобраз­но: некоторые стеклокристаллические материалы, со­держащие соединения лития, могут иметь нулевое или отрицательное расширение. При расчете температурных коэффициентов линейного расширения обычно исполь­зуют парциальные коэффициенты (табл. 3.7).

Значения температурных коэффициентов линейного расширения некоторых важнейших промышленных сте­кол приведены в табл. 3.2.

Термическая стойкость. Стеклянные изделия нередко эксплуатируют в условиях резко изменяющихся темпе­ратур. Водоуказательные стекла в колонках паровых котлов, химические аппараты и посуда и т. п. испытыва­ют попеременное нагревание и охлаждение, а иногда и резкие тепловые удары. Между тем термическая устой­чивость (далее употребляется «термостойкость») стекла как материала, т. е. его способность противостоять, не разрушаясь, резким изменениям температур, как прави­ло, низка, поэтому ее увеличение имеет большое прак­тическое значение.

Термостойкость стекла зависит прежде всего от тем­пературного коэффициента линейного расширения. Су­щественное значение имеют и такие свойства стекла, как упругость, прочность на растяжение, теплопровод­ность и теплоемкость. На термостойкость стеклянных изделий кроме свойств стекла влияют их форма, разме­ры и толщина. Чем тоньше и меньше изделия, тем боль­ший перепад температур они могут выдерживать. При­чину этого легко понять, если знать, какие процессы пртекают в стекле при резком охлаждении и нагрева­нии.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стре­мятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют, од­нако, медленно остывающие (в силу низкой теплопро­водности) внутренние слои, которые как бы растягива­ют внешние, не давая им сжиматься. Поэтому в наружных слоях стекла при охлаждении возникают на­пряжения растяжения, а во внутренних — напряжения сжатия. Обратное явление происходит при резком на­гревании стекла. В этом случае внутренние слои дольше остаются холодными и задерживают расширение на­ружных слоев, как бы стягивая, сжимая их и создавая в них напряжения сжатия. Понятно, что возникающие напряжения будут возрастать: 1) с увеличением разни­цы в расширении внутренних и наружных слоев, т. е. температурного коэффициента линейного расширения стекла; 2) с уменьшением упругости стекла; 3) с повы­шением перепада температуры от внешних слоев стекла к внутренним, что зависит главным образом от толщи­ны стекла.

Поскольку предел прочности стекла при растяжении в 10—20 раз меньше, чем при сжатии, стекло особенно плохо переносит резкое охлаждение, выдерживая в этом случае изменение температур, в 5—7 раз меньшее, чем при нагревании.

Термическую устойчивость стекла характеризуют коэффициентом термостойкости К, равным

К = RpIaE VbJcp,

Где Rp —-предел прочности при растяжении, Па; а — температур­ный коэффициент линейного расширения, 1/град; Е — модуль упру­гости, Па; X — коэффициент теплопроводности стекла, Вт/(м-К); С —удельная теплоемкость, Дж/(кг-К.); р — плотность стекла, кг/м3.

Термостойкость стеклянных изделий можно рассчи­тать по формуле

Яизг(1—Р) а Е

Где Яизг — предел прочности стекла при изгибе, Па; а — коэффици­ент Пуассона, учитывающий форму и размеры изделия.

Термостойкость стекла обратно пропорциональна ко­эффициенту а. Термостойкими являются все стекла с низким коэффициентом теплового расширения. Наибо­лее термически устойчиво кварцевое стекло, а из про­мышленных стекол— боросиликатные и бесщелочные.

При определении термостойкости нагретые образцы стекла или стеклянные изделия резко охлаждают, по­гружая их в холодную воду. Некоторые технические из­делия испытывают в условиях, близких к условиям службы. Перепад температур, который выдерживают образцы различных стекол, колеблется от 80 °С (обыч­ные промышленные — оконные, тарные) до 1000 °С (кварцевые).

Термостойкость стекла, как и хрупкость, сильно за­висит от его однородности, а также от состояния по­верхности, степени стабилизации его структуры и нали­чия неравномерно распределенных напряжений. Равно­мерно распределенные напряжения сжатия (закалка) увеличивают термостойкость изделий в 1,5—2 раза. По­вышают термостойкость огневая полировка и химиче­ская обработка, устраняющие дефекты поверхности стекла.