khimie.ru

Стекла занимают особое место среди неорганических материалов. Вроде бы это обычное твердое вещество, однако по расположению атомов эти твердые тела напоминают жидкости. В твердых неорганических соединениях входящие в их состав атомы, как правило, всегда расположены в строго определенных геометрически правильных положениях. Расположение атомов в стеклах такой упорядочностью не отличается, она во многом зависит от химического состава стекол и условий их затвердевания. Если две одинаковые по составу порции жидкого стекла охлаждать в различных условиях, то можно получить два твердых образца с разной внутренней структурой и физическими свойствами.

Стеклянные предметы выпуклой формы выдувают, отливают или прессуют из полужидкой массы, которую отбирают из стеклоплавильных ванн. Листовое стекло вытягивают, и хотя в наши дни эту операцию проводят на специальных машинах, добиться совершенно одинаковых условий охлаждения всей поверхности стеклянного листа обычно не удается и отдельные участки стекла не бывают однородными по свойствам. Если условия охлаждения отдельных участков стеклянных изделий очень сильно различаются между собой, локальное напряжение может резко усилиться и стекло начнет разрушаться. Уменьшить напряжение удается с помощью особого технологического приема, так называемого отпуска изделия, то есть путем дополнительной термической обработки этого изделия. Делается это следующим образом. Охлажденное изделие помещают в туннельную печь. Температура на входе печи близка к температуре размягчения стеклянной массы. Затем изделие на ленточном конвейере медленно перемещают к выходу в направлении постепенного снижения температуры. Скорость движения конвейера подбирают так, что на выход из печи поступают почти остывшие изделия. Благодаря медленному режиму охлаждения те атомы, которые в самом начале оказались в каких-то «неудачных» положениях, успевают переместиться и занять энергетически более выгодные позиции. Эффективность операции отпуска возрастает с увеличением длительности остывания стеклянной массы и с уменьшением неоднородности в распределении температуры в печи. Однако параллельно растут и эксплуатационные расходы. Высокая стоимость операции охлаждения стекла оправданна лишь в очень редких случаях, например при изготовлении оптических стекол, которые по своим физическим свойствам должны быть исключительно однородными. Отметим, что оптические линзы для огромных астрономических телескопов  охлаждают в  течение нескольких лет.

Разумеется, такие сроки неприемлемы для технологических регламентов, действующих при выпуске серийных стеклянных изделий. На заводах, где изготовляются стеклянные изделия широкого назначения, установлены печи сравнительно небольшой протяженности и равномерность охлаждения контролируется не так строго. В таких условиях появление небольших напряжений на стекле неизбежно и предметы, изготовленные даже из одной партии стекломассы, будут не вполне однородны, поскольку атомы будут распределены в их объеме весьма неравномерно.

Итак, даже из одинаковой по химическому составу стекломассы после затвердевания могут быть получены изделия, характеризующиеся немного различной концентрацией какого-то элемента. Физические свойства таких стекол также неодинаковы. Подробное исследование изменений физических свойств и химического состава изделий из стекла приводит к выводу, что найти два стеклянных предмета, абсолютно идентичных по своим физическим параметрам, просто невозможно. Эксперты, изучающие осколки стекол, сделали еще одно малоутешительное заключение: заметные колебания состава и свойств, сплошь да рядом наблюдаются в различных участках одного и того же кусочка стекла.