Николай Качалов - Стекло

То же можно сказать о стекле, которое применяется для колб электроламп и ряда других электровакуумных изделий для радиевой техники и иных назначений. Эти стекла должны обладать только одним свойством, а именно: их коэффициент термического расширения должен точно совпадать с коэффициентом расширения того металла, из которого делаются впаивающиеся в стеклянное тело колбочки проводники электрического тока. Если эти коэффициенты не совпадут, стекло и металл после впайки при охлаждении будут неодинаково сжиматься (как известно, все тела расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении), в результате чего в стекле возникнут большие внутренние напряжения, которые приведут к разрушению изделия.

Никаких других особых свойств от стекла данного типа не требуется.

Можно было бы продолжить перечень подобных случаев, однако и так достаточно ясно, что необходимо приготовлять стекла, разные по свойствам: особо химически стойкие, особо прочные механически, обладающие определенным коэффициентом термического расширения и наперед заданными оптическими константами, и т. д. и т. п.

Иными словами, разнообразные потребности человеческого общества не позволяют ограничиться одним сортом стекла, обладающим стандартными качествами, а заставляют иметь много разных сортов, вернее, типов стекла, каждый из которых будет отличаться какими-то особыми, только ему присущими свойствами. В погоне за такой своеобразной специализацией стекол нередко для достижения одних свойств приходится жертвовать другими. Так, например, мы миримся с пузыристостью и свилистостью некоторых сортов оптического стекла, отличающихся зато редким сочетанием своих оптических свойств; не обращаем внимания на желтизну защитных рентгеновских стекол или недостаточную термическую стойкость хрусталя.

Как же достигнуть столь большого разнообразия в типах стекол? Как добиться того, чтобы каждому из этих типов были присущи требуемые свойства?

Здесь мы подходим к одному очень важному в технике вопросу.

Совсем недалеко еще то время, когда не знали, что свойства тела прежде всего связаны с его химическим составом, с тем, какие вещества, какие химические элементы его образуют и в каких количественных взаимоотношениях они для этого сочетаются. Ломоносов первый обратил на это серьезное внимание. До него, конечно, знали, что стекло можно сварить из разных исходных материалов, но считали, что раз стекло сварено, то свойства его всегда окажутся одними и теми же, независимо от того, какие вещества введены в его состав. Ломоносов понимал, что это не так, и в опытах, которыми он закладывал начало науки о стекле, всегда учитывал состав стекла как фактор, способный в корне изменить свойства стекла, а следовательно, и его поведение в той или иной обстановке эксперимента.

Сейчас уже хорошо известно, как химический состав любого вещества влияет на его свойства. Изучением этого вопроса в наше время занимаются во всех отраслях науки. Его исследуют отдельные ученые, лаборатории и институты, о нем написано множество книг. Знанием законов влияния состава вещества на его свойства объясняется то изобилие разнородных материалов, которое человек привлек к удовлетворению потребностей своего быта и для нужд своей деятельности.

Этим путем было достигнуто и умение управлять в широких пределах свойствами стекла, маневрируя его составом.

Каков же состав стекла?

Главной составной частью стекла, входящей в него в наибольшем количестве и определяющей все его типичные свойства, является кремнезем. Кремнезем представляет собой очень прочное химическое соединение одного атома кремния с двумя атомами кислорода.

Насколько велико значение в природе этого соединения, можно судить по тому, что оно составляет около 60% земной коры.

Природные или искусственные вещества, в состав которых входит кремнезем, называются силикатами. Помимо горных пород, к ним относится обширный ряд искусственных материалов, производство которых сейчас составляет самостоятельные крупные отрасли народного хозяйства, как, например, фарфоро-фаянсовое производство, производство огнеупорных материалов, кирпича, вяжущих веществ, стеклоделие.

Кремнезем вводится в состав стекла в виде кварцевого песка. Кварцевый песок принадлежит к числу вторичных горных пород. Он образуется путем разрушения атмосферными агентами (или, как говорят, «выветривания») тех первичных кристаллических пород, которые содержат в себе минерал кварц. Такой породой, например, является гранит, состоящий из кристаллов кварца, полевого шпата и слюды. Зерна этих минералов, освобождающиеся в результате выветривания гранитов и им подобных горных пород, подхватываются водными потоками или ветром и переносятся иногда на громадные расстояния, пока соответствующие топографические или климатические условия не остановят их движения и не образуют «залежей» или «отложений» данного материала той или иной мощности.

В процессе этого вынужденного путешествия в подземных и надземных водных потоках судьба зерен каждого типа будет различна. Она будет зависеть от их величины, формы, удельного веса и химических особенностей. Некоторые минеральные зерна будут отнесены дальше, другие ближе. Одни только изменят свою форму в результате трения друг о друга и отсортируются по крупности, другие подвергнутся сильным химическим превращениям и дадут начало новым веществам.

В результате этого процесса зерна кварца приходят к месту своего окончательного отложения в виде крупинок более или менее правильной, окатанной, шарообразной формы с диаметром, обыкновенно не превышающим 1-2 мм, иногда очень точно отсортированных по крупности.

В стекловарении используются только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2-3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое, встречаясь в песках даже в таких ничтожных количествах, как десятые доли процента, окрашивает стекло в неприятный зеленоватый цвет. Принимая во внимание, что железо — также очень распространенный элемент на земле, становится понятным, что избежать его в песках не очень легко и что высококачественные чистые отложения стеклопромышленных кварцевых песков встречаются в природе не так уж часто.

Стекло можно сварить из одного песка, не прибавляя к нему никаких других веществ, но для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°). Получение таких высоких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используется твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся; приходится прибегать к электрическим печам специального устройства, эксплуатация которых обходится дорого.