Сергей Песков - История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

Химически закаленное стекло.Для тонких пластинок стекла термический способ закалки не подходит, поэтому пластинки стекла обрабатывают в растворе, который, к примеру, замещает ион натрия на ион калия. Так как ион калия крупнее, то поверхностные слои стекла как бы «распирает» более крупными атомами в решетке, создавая как раз требуемые механические напряжения. Как итог – такое стекло прочнее, лучше сопротивляется царапинам.

Термостойкое стекло.Обычное оконное стекло при нагревании сильно расширяется. Если нагрев неравномерный, то части стекла из-за разного расширения создадут механические напряжения, что может привести к растрескиванию. Введением добавок коэффициент теплового расширения стекла уменьшают, получая термостойкие сорта. Такие стекла при неравномерном нагреве не образуют трещин. Наиболее крутое в этом отношении кварцевое стекло, поэтому из него делают корпуса нагревателей в электрогрилях.

Изоляторное стекло.Для производства изоляторов используется бесщелочное или малощелочное стекло. После варки стекломасса подается в пресс-формы. Продолжительность прессования составляет 90—100 секунд. Готовый изолятор помещают в специальную печь для выравнивания температуры, где он в течение нескольких минут равномерно прогревается до 700–780 °C.

После этого производится закалка. Изолятор помещают в закалочную установку, куда через сопла подается сжатый воздух. Конфигурация установки и расположение сопел приближены к форме изолятора для равномерного охлаждения всех участков его поверхности. Процесс закалки продолжается в среднем 7—10 минут.

Закаленные изоляторы подвергаются испытанию на тепловой удар (проверяются на термостойкость). Для этого их нагревают до температуры 120–150 °C, а затем погружают в ванну с проточной водой температурой 20–25 °C и выдерживают в ней некоторое время. При недоброкачественной закалке или каких-либо других дефектах изолятор в процессе этого испытания разрушается, его отбраковывают и дальнейшие электрические или механические испытания не проводят.

После испытания на термостойкость изоляторы армируют и выдерживают на складе в течение трех месяцев, так как возможны самопроизвольные растрескивания изделия в результате дефектов, не выявленных при термических испытаниях.

Из изоляторного стекла, кроме высоковольтных штыревых и подвесных изоляторов, изготавливаются проходные изоляторы в виде трубок и бус, которые используются в радиоэлектронной технике. Такие изолирующие детали изготавливают из капилляров, нарезанных в виде трубочек и колец.

Поверхность изолирующих стекол подвергается воздействию внешней среды: адсорбированной влаги, химических соединений, загрязнения и пр. Для диэлектриков высокого качества применяют стекла с повышенной химической стойкостью или на поверхность стекла наносят защитные гидрофобные покрытия (кремнийорганический лак и др.).

Освоение промышленного производства непрерывного стекловолокна позволило создать широкий спектр различных материалов и изделий из стекла, обладающих исключительными свойствами.

Из стекловолокна изготавливают стеклонить, стеклоленту, стеклоткань, стеклосетку, различные стеклопласты, световоды и другие изделия. Эти материалы обладают высокой электрической и механической прочностью, высокой нагревостойкостью, хорошими теплоизолирующими свойствами и т. д. Они хорошо перерабатываются методами прессования, склеивания, наматывания и др., в силу чего нашли широкое применение во всех областях науки и техники.

В электротехнической промышленности из них изготавливаются высоковольтная изоляция машин и аппаратов и конструктивные детали.

В радиоэлектронной промышленности они используются для изготовления печатных плат, как изоляционный и конструкционный материал, а также в устройствах передачи информации (световоды).

В машиностроении изделия из стекловолокон и стеклоткани успешно конкурируют с металлами и применяются для изготовления элементов корпусов и других деталей.

В строительстве стеклоткань используется как изолирующий и защитный материал, а стеклонити могут применяться для изготовления стеклянной арматуры.

Космическая промышленность использует стеклопластики для тепловой изоляции, например в спускаемых космических капсулах.

Широкое применение материалов на основе стекловолокна стало возможно благодаря освоению простой технологии получения непрерывного стекловолокна и избытку исходного сырья. В настоящее время в некоторых странах объем материалов на основе стекловолокна достигает десятков тысяч тонн в год.

Процесс получения непрерывного стекловолокна основан на вытягивании моноволокна из расплавленного стекла.

Основным технологическим элементом стеклопрядильного агрегата (СПА) является сосуд из платино-радиевого сплава примерно прямоугольной формы (лодочка), одна из граней которого имеет отверстия диаметром 1 мм (фильеры). Количество фильер в зависимости от длины сосуда – 100, 200 или 400. Сосуд заполняют исходным материалом – стеклянными шариками (двухстадийный способ) или предварительно расплавленной шихтой (одностадийный способ). Нагрев сосуда осуществляют переменным током более 2000 А до температуры более 1000 °C в зависимости от состава стекломассы. Расплавленная стеклянная масса вытекает через фильеры. При скорости вытягивания 50–60 м/с на расстоянии 2,7 мм от фильерной пластины она, не успевая еще охладиться и затвердеть, вытягивается в очень тонкие моноволокна (3–9 мкм). В процессе вытягивания они проходят через лоток с замасливателем, скрепляющим моноволокна в одну прядь, которая заправляется на вращающийся барабан (бобину). Нить, полученная таким способом, обладает большой гибкостью и может в дальнейшем перерабатываться методами текстильной промышленности (скрутка, ткачество). Толщина стеклянных тканей составляет 0,07—0,28 мм. Постоянство моноволокна по толщине обеспечивается автоматической стабилизацией температуры лодочки и уровня стекломассы в сосуде.

Для получения электроизоляционных стеклопластиков применяют волокна из алюмоборосиликатного бесщелочного стекла. Липкую изоляционную стеклоленту изготавливают из кварцевого стекла высокой нагревостойкости.

Для получения полупроводящей стеклоткани (ленты) в состав пропитывающего лака вводят графит, который обуславливает пониженное значение сопротивления. Толщина такой ткани – 0,12– 0,2 мм.

Оптическое волокно используется для изготовления световодов. Такой световой кабель (жгут) диаметром 5–6 мм содержит несколько тысяч светопроводящих волокон диаметром 5—15 мкм.