Możemy wyróżnić dwie definicje szkła :
Klasyczna definicja słowa „szkło” (twardy, kruchy i przezroczysty materiał na bazie krzemionki) jest niewystarczająco precyzyjna, w szczególności dlatego, że zaliczyłaby kwarc do szkieł. Rozwój nowych materiałów przezroczystych w ciągu ostatniego stulecia sprawił, że definicja ta stała się przestarzała i stała się źródłem zamieszania, w szczególności dlatego, że trudno jest zapewnić, aby kruchy i przezroczysty materiał był naprawdę twardy i rzeczywiście był wykonany z krzemionki. Najbardziej oczywistym przykładem jest szkło okularowe, które choć nazywane jest „szkłem”, nie spełnia pierwszej definicji: obecne szkła nie są ani szczególnie twarde, ani na bazie krzemionki (są to materiały organiczne).
O „szklanych koralikach” mówimy również dla materiałów produkowanych od ponad 3000 lat, nawet jeśli te koraliki wcale nie są przezroczyste (wygląd szklisty wystarczy, by nazwać je szkłem). To samo dotyczy millefiori produkowanych od starożytności. Wełna szklana nie musi być przezroczysta, więc może być po prostu półprzezroczysta, a nawet czarna (tak samo jak w przypadku pianki szklanej). Dlatego „szkło” nazywamy w języku potocznym przedmiotami, które nie są z niego wykonane, w rozumieniu potocznej definicji szkła. Z drugiej strony, niektóre materiały doskonale odpowiadają potocznej definicji szkła, ale nie są jedną: oprócz kwarcu niektóre materiały ceramiczne są materiałami krzemianowymi, twardymi, kruchymi, przezroczystymi w świetle widzialnym, ale nie są szkłami.
Międzynarodowa społeczność naukowa podaje zatem inną definicję szkła: z fizycznego punktu widzenia szkło jest materiałem amorficznym (czyli niekrystalicznym ) wykazującym zjawisko zeszklenia. Poniżej temperatury zeszklenia , która zmienia się znacznie w zależności od składu szkła (ponad 1000 °C dla krzemionki szklistej, poniżej 40 °C dla amorficznego selenu), szkło pojawia się w stanie szklistym. Obecnie wiele amorficznych ciał stałych jest zgrupowanych pod nazwą „szkło”. W ten sposób powstają nie tylko szkła mineralne, ale także szkła organiczne, a nawet szkła metaliczne .
Nieco ponad sto lat temu, tylko materiał lub stopem, który był twardy , kruchy (kruche) i przezroczysty dla światła widzialnego (bardzo często nawet, została uznana jako „szkło”, nawet dla społeczności naukowej ). Termin ten jest zarezerwowany dla stop na bazie krzemionki). W tym czasie szkło było najczęściej wytwarzane z dwutlenku krzemu ( krzemionka SiO 2, główny składnik piasku ) i topniki . W mowie potocznej ta definicja przetrwała, bo nawet dzisiaj wśród wszystkich rodzajów sztucznego szkła najpopularniejszym jest szkło sodowo-wapniowe .
Po czterech tysięcy lat temu, egipskie ceramików i wapno twórcy odkryli, że przez krzemionkę ogrzewania SiO 2 (piasek), z natronem , przekształca się sodą wysuszenie i oczyszczenie i wapna palonego , to wykonana mniej lub bardziej szkliste przezroczyste tworzywo. Dodając do mieszanki określone składniki lub barwne proszki mineralne, ci pierwsi szklarze otrzymali szkła o specyficznej lub różnobarwnej barwie. Proporcje masowe mieszanki wyjściowej do uzyskania stabilnego szkła w temperaturze 650 ° C wynoszą w przybliżeniu:
Stąd szkic bez stechiometrii reakcji chemicznej wyjaśniający konkretne powstawanie materii szklistej:
SiO 2 stały + Na 2 CO 3 stały +… - → SiO 2 .Na 2 O… stabilne szkło + CO 2gazOd lat dwudziestych zaobserwowano i wykazano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), że jedną ze specyficznych cech szkieł był brak struktury krystalicznej („porządku”) wykrywalnej za pomocą krystalografii rentgenowskiej . Ta specyfika nie jest specyficzna dla tlenków przezroczystych, ale dla wszystkich tlenków amorficznych, od lat 20. XX wieku pod pojęciem „szkło” gromadzimy większość amorficznych ciał stałych . Od początku XX p wieku, wielu definicje poszerzony przestarzałego definicję szkła (poprzez ich wspólną: brak uporządkowania, temperatura zeszklenia, itd. ), Że ogranicza się do przezroczystych materiałów na bazie tlenków. W ten sposób powstają nie tylko szkła mineralne, ale także szkła organiczne, a nawet szkła metaliczne . Szkła nieorganiczne możemy podzielić na różne klasy, oto pełna lista:
Wśród tych szkieł wiele nie jest przezroczystych (szkła tlenowo-azotowe, szkła metaliczne…) lub przynajmniej nie są widoczne ( szkła chalkogenowe ). Co więcej, bez konieczności dodawania dużych frakcji objętościowych tlenków metali można łatwo wytworzyć szkła krzemianowe, które są słabo przezroczyste lub nawet nieprzezroczyste. Obsydian jest obsydianu, takie jak krzemian ogólnie nieco przezroczyste, a na czarno. Szkło REFIOM jest również szkłem tlenkowym, które nie jest przezroczyste.
Możesz pomóc, dodając odniesienia lub usuwając nieopublikowane treści. Zobacz stronę dyskusji, aby uzyskać więcej informacji.
Od czasu wynalezienia szkła przez ludzi we wschodniej części basenu Morza Śródziemnego z ciepłem na piasku, możemy kulturowo odróżnić poprzez użycie przedmiotów, które są z niego wykonane. Ta niebezpieczna produkcja materiałów jest oddzielona od chęci uzyskania czegoś przez wypalanie (co ma miejsce w przypadku metali i ceramiki); to jest szczątkowe . Symbolika niekoniecznie będzie taka sama: dla ceramiki, która jest również przemienioną ziemią, jest to żywność, aż po standardowe galijskie słoiki i amfory, w tym filiżanki. W przypadku pojemników szklanych, które do czasów współczesnych są niewielkie, jest to apteka kosmetyczna i pogrzebowa. Tak więc ampułki z długą szyjką dadzą butelkę. Albo garnek w tawernie, albo królewskie kieliszki do szampana, a także butelki wina do zatrzymania. Aspekt ekonomiczny jest o tyle istotny, że przed odkryciem węgla, aby uzyskać w ciągu 48 godzin wytop w temperaturze 1600 °C , potrzeba 22 kg drewna, aby uzyskać 1 kg szkła. Ciężki materiał określa jednocześnie pochodzenie produkcji, rynek i rynki zbytu, obiegi handlowe od czasów Cesarstwa Rzymskiego.
Szkło jest jednym z pierwszych opracowanych materiałów. Jest symbolem kruchości, finezji i przejrzystości: na przykład szklany pantofelek Kopciuszek w bajce Charlesa Perraulta i komiks Walta Disneya . Często uważa się, że w oryginalnej opowieści pantofel był vair , ale Perrault napisał swoją wersję historii za pomocą szklanego pantofla, rysunek również podejmuje ten pomysł.
W uniwersum Elder Scrolls szkło jest cennym minerałem wulkanicznym, wykorzystywanym w szczególności do wykuwania broni i zbroi. Są skuteczne, ale paradoksalnie kruche. W najnowszej odsłonie Skyrim nie podano jednak żadnych szczegółów na temat jego siły, gdyż w grze nie uwzględnia się już degradacji sprzętu.
Ta część dotyczy szkła i jego właściwości z fizykochemicznego punktu widzenia. W tej części ograniczymy nasze badania do szkieł tlenkowych . Istnieją jednak inne główne typy szkieł (w szczególności te składające się tylko z pierwiastków metalicznych ) nieprzezroczyste dla optyki, ale dla magnetyzmu, amorficzne szkła metaliczne i szkła spinowe , związki krystaliczne charakteryzujące się brakiem dalekosiężnego uporządkowania magnetycznego ( spin ).
StrukturaSzkło jest materiałem amorficznym, to znaczy nie krystalicznym. W rezultacie przedstawia znaczne zaburzenie strukturalne. Jego mikroskopijna struktura jest taka, że w szkle nie ma ładu dalekiego zasięgu. W tym i tylko w tym jest to całkiem analogiczne do płynu. Weźmy za przykład czystą wodę składającą się z cząsteczek wody (H 2 O). Jeśli wyizolujemy każdą cząsteczkę wody, wokół każdego atomu tlenu, zawsze znajdziemy dwa atomy wodoru : jest to „porządek” (jest powtarzalny z jednej cząsteczki do drugiej) w niewielkiej odległości (w skali cząsteczki H 2 O). Z drugiej strony, jeśli weźmiemy dwie różne cząsteczki H 2 Ow odniesieniu do chwili t i patrzymy na ich sąsiedztwo, czyli dokładną lokalizację cząsteczek H 2 Osąsiadów, otrzymamy dwa zupełnie różne wyniki dla naszych dwóch referencji. Nie ma porządku w dużej odległości (w odległości większej niż skala cząsteczki). Nazywamy funkcję rozkładu radialnego lub funkcję rozkładu par, funkcję dającą prawdopodobieństwo znalezienia cząstki (w tym przykładzie cząsteczki wody) pomiędzy promieniem r i r + d r odniesienia. Dyfrakcja neutronowa pozwala na przykład na ocenę funkcji rozkładu radialnego materiału dla każdego pierwiastka i pokazuje szersze piki dla szkieł niż dla kryształów, podkreślając losowość położenia sąsiadów atomowego pierwiastka odniesienia, w okulary.
W okularach znajdziemy kolejność na niewielką odległość (w maksymalnej skali kilku odległości międzyatomowych), ale nie dalej. Ilustruje to pierwszy drobny pik rozkładu promieniowego jak dla kryształu, a następnie coraz szersze piki, w przeciwieństwie do idealnego kryształu.
Szkło może być nawet postrzegane jako trójwymiarowa „siatka”, podobna do kryształu, ale w której zachowana jest tylko kolejność z bliskiej odległości. Porównajmy na przykład strukturę dwutlenku krzemu (SiO 2) krystaliczny (w postaci krystobalitu ) i krzemionki szklistej:
Krzemionka krystaliczna (krystobalit).
Krzemionka szklista.
W obu przypadkach, każdy atom w krzem jest związany z czterema atomami tlenu , tworząc czworościenne SiO 4(kolejność krótkiego zasięgu); każdy czworościan można uznać za „cegłę” ostatecznego gmachu. Ale podczas gdy krystobalit można zdefiniować jako zwykły stos tych cegieł SiO 4(ma uporządkowanie dalekosiężne), szklistą krzemionkę można uznać za przypadkowy stos tych samych cegieł SiO 4 (nie ma już porządku z dużej odległości).
Ze względu na swoją amorficzną strukturę szkła wytwarzają rozpraszające halo w dyfrakcji rentgenowskiej , w przeciwieństwie do kryształów, które wytwarzają wąskie i intensywne piki.
Główne składnikiZe względu na swoją amorficzną strukturę szkło poddawane jest bardzo niewielkim naprężeniom stechiometrycznym . W efekcie szkło może zawierać w sobie bardzo różnorodne elementy i prezentować bardzo złożone kompozycje.
W szkła tlenkowego, te różne elementy w kationowej postaci , w celu utworzenia tlenków z tlenowego anionów O 2- .
Kationy biorące udział w składzie szkieł można podzielić na trzy kategorie ze względu na rolę strukturalną, jaką pełnią podczas zeszklenia (tworzenie szkła): tworzące sieci, niesieciowe (lub modyfikatory sieci) i pośrednie. Kryteria strukturalne tej klasyfikacji uwzględniają liczbę koordynacji (liczba atomów tlenu, z którymi związany jest kation) oraz siły wiązania .
W szkłach beztlenkowych (chalkogenów, szkieł metalicznych itp. ) nie można mówić w kategoriach tworzących/modyfikatorów sieci. W szczególności szkła mogą być wykonane z jednego pierwiastka, takiego jak szkło siarkowe lub szkło selenowe (jedyne znane obecnie pierwiastki, które mogą samodzielnie tworzyć szkło): pierwiastki te nie mogą zatem być klasyfikowane ani jako substancje tworzące, ani jako modyfikatory. Można wytworzyć wiele szkieł chalkogenkowych, w tym germanowo - selenowych , arsenowo - selenowych , tellurowo- arsenowo-selenowych. W przypadku tych okularów nie będziemy mówić w kategoriach trenerów/modyfikatorów sieciowych. Te szkła metaliczne są zazwyczaj utworzone z co najmniej trzech atomów o dużych różnic promienia atomu, aby uczynić go bardziej trudne do krystalizacji i uzyskania możliwie szkła z dopuszczalnymi tłumienia. Szkła metaliczne nie posiadają wiązań kowalencyjnych, więc nie będziemy też mówić w kwestii substancji tworzących/modyfikatorów sieci.
Trenerzy sieciTrenerzy sieciowi to rzeczy, które same w sobie potrafią stworzyć napój. Najczęstszymi pierwiastkami formującymi są krzem Si (w postaci tlenkowej SiO 2), bor B (w postaci tlenkowej B 2 O 3), fosfor P (w postaci tlenkowej P 2 O 5), german Ge (w postaci tlenkowej GeO 2) i arsen As (w postaci tlenkowej As 2 O 3).
Są to pierwiastki metaliczne o dość wysokiej wartościowości (zwykle 3 lub 4 razy 5), które tworzą wiązania jonokowalencyjne (mid kowalencyjne mid jonowe ) z atomami tlenu. Dają wielościany o niskiej koordynacji (3 lub 4), takie jak SiO 4, BO 4lub BO 3. Te wielościany są połączone wierzchołkami i tworzą szklaną sieć.
Modyfikatory sieciModyfikatory sieci (lub osoby niebędące trenerami) nie mogą same tworzyć szkła. Są to głównie zasady , ziemie alkaliczne oraz w mniejszym stopniu niektóre pierwiastki przejściowe i pierwiastki ziem rzadkich .
Są one zwykle większe (większy promień jonowy) niż struktury tworzące sieci, są słabo naładowane i dają wielościany o wysokiej koordynacji. Ich wiązania z atomami tlenu są bardziej jonowe niż te ustanowione przez poprzedników.
Mogą pełnić dwie bardzo różne role strukturalne: prawdziwe modyfikatory sieci lub kompensatory obciążenia.
Elementy pośrednie zachowują się w różny sposób: niektóre z nich są albo formujące, albo modyfikujące w zależności od składu szkła, podczas gdy inne nie będą pełniły żadnej z tych funkcji, ale rolę pośrednią.
Głównymi pierwiastkami pośrednimi w szkłach tlenkowych są aluminium Al, żelazo Fe, tytan Ti, nikiel Ni i cynk Zn.
Kolorowe centraSpośród metali i tlenki metalu mogą być dodawane podczas procesu wytwarzania szkła, aby wpłynąć na jego kolor .
Kolor opakowań szklanych ma wpływ na zachowanie zawartości. Gdy chmiel jest wystawiony na działanie światła bogatego w długości fal od niebieskiego do ultrafioletowego, powstaje merkaptan , związek chemiczny o silnym zapachu. Butelki piwa są często ciemne, co odfiltrowuje te długości fal. Kolor zielony, który słabo filtruje niebieski, jest zarezerwowany dla piw o niskiej zawartości chmielu.
Przejście szkłaZ termodynamicznego punktu widzenia , szkła uzyskuje się z przechłodzonej cieczy fazy zestala w zeszklenia punktu , t v .
Dla danego składu interesuje nas zmienność wielkości termodynamicznej pierwszego rzędu takiej jak objętość zajmowana przez tę fazę (przy zachowaniu stałego ciśnienia ) lub jedna z funkcji termodynamicznych energii molowej , np. entalpia H , dla na przykład (mogliśmy też wybrać energię wewnętrzną U ).
Przyjrzyjmy się chłodzeniu cieczy. A priori , do temperatury poniżej temperatury topnienia T f ( T f zależy od ciśnienia), przy czym najbardziej termodynamicznie stabilne odpowiada stan do wykrystalizowanego stanu (najniższych możliwych entalpii). W T F , to następnie obserwować zmianę H lub objętości: jest modyfikacją termodynamiczną pierwszego rzędu, co odpowiada zmianie stanu. Pod T f obserwujemy również zmianę nachylenia H (to nachylenie jest znacznie słabsze dla ciała stałego niż dla cieczy).
Ale jeśli podczas chłodzenia cieczy lepkość jest zbyt wysoka lub chłodzenie jest bardzo szybkie, krystalizacja nie ma czasu na zajście i wtedy otrzymuje się ciecz przechłodzoną . Nie obserwuje się wówczas nieciągłości H w T f, a jego nachylenie pozostaje niezmienione. W miarę dalszego chłodzenia lepkość cieczy wzrasta wykładniczo, a przechłodzona ciecz staje się prawie stała. Po osiągnięciu 10 13 puazów sztywność zapobiega miejscowym mikroskopijnym ruchom i obserwuje się zmianę nachylenia entalpii: nie ma zmiany wielkości termodynamicznej pierwszego rzędu, ale zmiana wielkości termodynamicznej drugiego rzędu, podobnie jak współczynnik rozszerzalności lub pojemności cieplnej (które są obserwowane odpowiednio za pomocą dylatometrii i różnicowej kalorymetrii skaningowej ). Temperatura, w której zachodzi zmiana ta nazywana jest temperatura zeszklenia , t v . Przejście zeszklenia nazywa się zatem „przejściem termodynamicznym drugiego rzędu” (w przeciwieństwie do fuzji, która jest przejściem pierwszego rzędu). Zeszklenie wynika z utraty ruchliwości atomowej podczas stygnięcia. Nie jest samoistna i dlatego zależy od szybkości chłodzenia: wzrasta wraz ze wzrostem szybkości hartowania . W przypadku temperatury niższej niż T, V , materiał jest stałe z zaburzeniem strukturalnego ciekłego : jest szkło. Nieporządek, a więc entropia , jest wyższa w szkle niż w krysztale . Zgodnie z T V entropia (entalpia lub objętość), zmienia się w ten sam sposób dla szkła, dla kryształu. Ale w teorii, jeśli szkło chłodzi wystarczająco wolno, T v spada, przez ekstrapolację entropii wariancji schładza ciecz, możemy uzyskać szklankę entropia słabszy niż równowartość kryształu: to jest to, co nazywa się paradoksem Kauzmann . Alternatywa dla tego paradoksu pozostaje przedmiotem dyskusji.
Ciągłe przejście ze stanu ciekłego w stan szklisty odbywa się w temperaturze w zakresie ograniczonym przez temperatury topnienia ( T f ) i temperaturę zeszklenia ( T v ). Strefa zeszklenia ramki T. v . Poniżej T v , szkło staje się „z równowagi”: oddalania się od jego równowagi termodynamicznej, ponieważ ruchliwości atomowych nie są już wystarczające (lepkość zwiększa się) do równowagi do osiągnięcia (a więc oddala się od D do większa równowagę im wyższa szybkość chłodzenia). Poza równowagą mówi się, że szkło jest izostrukturą cieczy o wyższej temperaturze (nazywa się to temperaturą fikcyjną). Czas relaksacji niezbędny do osiągnięcia stanu równowagi konfiguracji (równowagi termodynamicznej) jest wtedy większy niż czas doświadczenia. Szkło jest więc materiałem metastabilnym , nieuchronnie ewoluującym w kierunku stanu równowagi (aż jego fikcyjna temperatura zrówna się z temperaturą efektywną).
LepkośćJedną z istotnych cech szkieł jest możliwość ich kształtowania poprzez rozdmuchiwanie lub rozwłóknianie . Wynika to z faktu, że przez ogrzewanie szkła jego lepkość będzie stale zmniejszana, podczas gdy w przypadku krystalicznego ciała stałego obserwuje się silną zmianę lepkości w czasie topienia. Lód ma lepkość w temperaturze nieznacznie ujemny, rzędu 10 14 Pa-s (obliczenie z zespołów Forbes lód morski ), podczas gdy lepkość wodnego płynu znajduje się w zakresie 10 - 3 Pa • s . Woda jest zatem 100 milionów miliardów razy bardziej płynna niż lód i nie ma lodu o takiej lepkości, aby można go było dmuchać jak szkło (nie ma lodu o średniej lepkości między 10 14 a 10 -3 Pa s przy ciśnieniu otoczenia ). To samo dotyczy stali i każdego zwykłego metalu. Podczas ogrzewania lepkość szkła spada w sposób ciągły, zwykle 10 45-50 Pa s , dla szkła okiennego w temperaturze pokojowej, przy 1-10 Pa s w 1500 - 1550 ° C . Nie ma nagłej zmiany lepkości, ponieważ szkło nie ma przejścia termodynamicznego pierwszego rzędu (temperatura topnienia). Możemy zatem znaleźć dobrą temperaturę dla szkła, jeśli nie krystalizuje, gdzie ma dokładnie odpowiednią lepkość, aby je dmuchać, włóknić, formować, rozciągać, zalewać lub w inny sposób kształtować.
Pewne lepkości są ważne z przemysłowego i naukowego punktu widzenia przy produkcji szkła. Stopniowo podgrzewając szkło przechodzi przez lepkości , :
„Długość” szkła jest definiowana przez różnicę temperatur między jego temperaturą płynięcia a temperaturą pracy. Szkło „długie” to szkło, które dmuchacz może pracować przez długi czas na wolnym powietrzu, zanim jego lepkość stanie się zbyt duża (ponieważ ostygnie). Szkło „krótkie” to szkło, które może pracować tylko przez krótki czas.
Płyn, który jest ignorowany?Szkło jest często opisywane jako niezwykle lepka ciecz, a jego charakter jako ciała stałego jest często dyskutowany. Szkło jest czasami opisywane jako ciecz, która jest ignorowana, ponieważ miałaby właściwość płynięcia w temperaturze pokojowej. Przypomnijmy najpierw, że ta właściwość nie jest specyficzna dla szkła: lodu, na przykład, chociaż krystaliczne ciało stałe przepływa w skali czasu człowieka o lepkości w temperaturze -13 ° C, prawie większa od okularów ich T v . Przypomnijmy więc, że charakter bryły w reologii określa się tylko w odniesieniu do czasu obserwacji. Czas mechanicznej relaksacji ciała jest definiowany w sensie Maxwella jako stosunek jego lepkości do modułu sprężystości przy ścinaniu . Jest to rząd wielkości odwrotności częstotliwości ruchów atomów związanych z przepływem. Liczba Deborah jest zdefiniowany jako stosunek czasu relaksacji, a czas obserwacji. Mówi się, że ciało jest stałe, jeśli liczba ta jest znacznie większa niż 1, w przeciwnym razie płynne.
Większość szkieł krzemianowych ma czasy relaksacji otoczenia, które przekraczają wiek Wszechświata , a zatem liczby Deborah są znacznie większe niż 1, nawet biorąc pod uwagę czas obserwacji rzędu wieku ludzkości. Są to ciała stałe w sensie reologicznym . Zatem według Daniel Bonn, z Pracowni Statystycznego Fizyki ENS, czy witraże tych katedr lub lustra z Sali Lustrzanej w Wersalu są grubsze u podstawy, niż na ich szczycie, to fakt zastosowanego procesu produkcyjnego, przy czym grubsza część została ułożona ze względu na stabilność. Z drugiej strony, niektóre okulary, w tym sól tlenowca okulary , mają stosunkowo niską T v , blisko do otoczenia. Jest tak w przypadku bezpostaciowego selenu lub czarne selenu ( T v = 42 ° C ), którego czas relaksacji w temperaturze pokojowej rzędu 15000 s (3,7 h ). Przepływ bezpostaciowego selenu zatem łatwo zaobserwować w temperaturze pokojowej, chociaż jest poniżej T v .
Jednak chociaż pojęcie „płynów zamrożonych” jest pierwszą rzeczą utożsamianą ze słowem szkło, to tylko drobna część tego, co to słowo oznacza z punktu widzenia fizyki materiałów. Obraz ten wynika z faktu, że najczęstszą metodą uzyskania szkła jest stopienie materiału, a następnie szybkie schłodzenie i uniknięcie krystalizacji, jak wskazano powyżej w akapicie Główne składniki . Istnieją inne metody amorfizacji, takie jak mielenie mechaniczne , zatężanie bez krystalizacji (kondensacja pary na zimnej powierzchni lub zatężanie substancji rozpuszczonej w roztworze), liofilizacja czy nawet atomizacja . W języku francuskim słowo „szkło” jest czasami używane tylko dla amorficznych ciał stałych powstałych w wyniku hartowania cieczy. Szkło jest w rzeczywistości iz materialno-fizycznego punktu widzenia amorficznym materiałem stałym, wykazującym zjawisko zeszklenia , niezależnie od zastosowanej metody otrzymywania szkła. Zwłaszcza w języku angielskim to rozróżnienie nie istnieje.
W przypadku niektórych materiałów istnieją różnice strukturalne między cieczą a amorficzną. Glukozy ma dwie formy anomeryczne , alfa i beta. W spektroskopii Ramana istnieje strefa zwana „anomeryczną”, która umożliwia rozróżnienie tych dwóch form. Widma Ramana szkieł β-glukozowych otrzymanych przez hartowanie cieczy i mechaniczne kriomielenie pokazane obok są różne, z obecnością dodatkowych pasm drgań w schłodzonej cieczy z powodu mutacji glukozy obecnej w ciekłej glukozie. Świadczy to o tym, że strukturalnie szkło powstałe w wyniku hartowania cieczy i szkło powstałe w wyniku szlifowania mechanicznego może się różnić.
Obraz „zamrożonej cieczy” jest więc szczególnym przypadkiem amorficznego ciała stałego. Obecny konsensus co do definicji szkła to „niekrystaliczne ciało stałe”.
PrzezroczystośćNiektóre szkła są przezroczyste w zakresie widzialnym, dotyczy to w szczególności większości szkieł krzemianowych i jest to jedna z najczęściej wykorzystywanych właściwości szkieł. Inne są przezroczyste w innych zakresach długości fal, na przykład szkła chalkogenowe . Zwykłe szkło okienne jest przezroczyste od UV do średniej podczerwieni, nie przepuszcza UV-B i UV-C. W ten sposób można się opalać za oknem, ponieważ promieniowanie UV-A jest przepuszczane, ale bardzo trudno złapać oparzenia słoneczne. Okulary, które są przezroczyste, są zawsze przezroczyste tylko w pewnym zakresie długości fal, ograniczonym do niskich długości fal energią pasma zabronionego i do wysokich długości fal przez multifononowe odcięcie .
Szkła krzemianowe, ponieważ krzem, mają szerokie pasmo wzbronione między pasma walencyjnego do pasma przewodzenia ( 9 eV do ciała szklistego krzemionki od 1 do 3 eV na okulary sól tlenowca). Aby foton mógł zostać zaabsorbowany przez szkło, musi mieć energię wystarczającą do wzbudzenia elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa. Jeśli foton ma zbyt niską energię (zbyt długą długość fali), aby umożliwić elektronowi przejście przez przerwę wzbronioną, jest on transmitowany, a szkło jest przezroczyste dla tej energii fotonu.
Ze względu na nieporządek, który charakteryzuje szkło, pasma walencyjne i przewodnictwa rozciągają się do pasma zabronionego (tworzą tzw. ogony pasm) i zmniejszają energię oddzielającą pasmo walencyjne od pasma przewodnictwa. Granica absorpcji optycznej (dolna granica długości fali, przy której szkło zaczyna przepuszczać) nie jest zatem nagły (nie ma dokładnego progu energii fotonu, dla którego zaczyna się przezroczystość), ale progresywna, niewielka część fotonów może zostać zaabsorbowana nawet przy energiach znacznie niższych niż energia przerwy wzbronionej. Ta strefa niskiej absorpcji odpowiada „ogonowi Urbacha”.
Z drganiami sieci atomowej kojarzymy również quasi-cząstkę zwaną „ fononem ”. Fonony oddziałują z fotonami na różne sposoby (patrz rozpraszanie Ramana i rozpraszanie Brillouina ). Fonony mogą oddziaływać ze sobą i generować moment elektryczny, który wpłynie na promieniowanie elektromagnetyczne: nazywa się to absorpcją wielofononową. Przy wysokich długościach fal (niskich energiach) okulary nie przepuszczają już z powodu oddziaływań foton-fonon. W szkłach krzemianowych drgania wydłużenia wiązania Si-O odpowiadają długości fali 8,9 μm , a zatem szkło pochłania bardzo dużo przy tej długości fali. Tak bardzo, że pierwsza harmoniczna (podwójna częstotliwość, a więc dwukrotnie słabsza długość fali: 4,5 μm ) już wytwarza bardzo silną absorpcję.
Częstotliwość drgań sieci atomowej, a tym samym energia fononu, jest odwrotnie proporcjonalna do masy atomów. Pierwiastki chalkogeniczne są stosunkowo ciężkie i przesuwają granicę przezroczystości przy dłuższych długościach fal (niższych energiach) niż szkła krzemianowe. Szkła chalkogenkowe są zatem bardziej przezroczyste w podczerwieni niż szkła krzemianowe.
Każdy rodzaj zanieczyszczenia w szkle będzie indukował jedno lub więcej pasm absorpcyjnych, zaburzając jego przezroczystość; w przypadku szkła okiennego żelazo (jego tlenki) jest zanieczyszczeniem, które generuje zielono-niebieskawy odcień, który można wykryć patrząc na okno na krawędzi. Szkła krzemionkowe zawierające dużo zanieczyszczeń, takie jak szkło REFIOM , nie są przezroczyste lecz czarne.
Szkła metaliczne (stopy metali amorficznych) mają wolne elektrony, są przewodnikami i dlatego nie mają przerwy wzbronionej. Dzięki temu nie są przezroczyste.
Odporność chemiczna i zmiany szkłaSzkło przemysłowe ma dobrą kompatybilność z większością związków chemicznych; jednak kwas fluorowodorowy (HF) łatwo degraduje szkło.
Okulary nie są niewrażliwe na działanie wody lub powietrza . Woda wpływa na większość właściwości szkła, takich jak jego lepkość. Jednym ze znanych efektów działania wody na szkło jest „rozprzestrzenianie się podkrytyczne”: w wyniku reakcji hydrolizy pęknięcia są progresywnie rozprzestrzeniane w szkłach pod wpływem naprężeń, co może prowadzić do ich pęknięcia w mniej lub bardziej długoterminowej perspektywie. Oczywiście nie przeszkadza to w istnieniu szkieł, które mają kilka milionów lat i są niezmienione, ponieważ wrażliwość szkieł na zmiany zależy od ich składu chemicznego.
Odporność mechaniczna: kruchośćSzkło, w zdrowym rozsądku, wydaje się być delikatnym materiałem . Szkła krzemianowe, podobnie jak większość szkieł tlenkowych lub chalkogenowych, są skutecznie kruche w temperaturze pokojowej w tym sensie, że można je rozbić bez trwałego odkształcenia (w przeciwieństwie do materiału ciągliwego , takiego jak ołów, który można odkształcać, wyginać przed rozbiciem). Możliwe jest jednak trwałe odkształcenie szkła pod wysokim ciśnieniem: nazywa się to „zagęszczaniem”. Krzemionka szklista może więc zmniejszyć swoją objętość o prawie 25%. Kruchy charakter okularów, a zatem brak plastycznej deformacji mechanizmu w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia, ze względu na ich silne wiązania atomowego (głównie kowalencyjne lub jonowe). Ogólnie rzecz biorąc, można by oczekiwać, że materiał o wysokich energiach wiązania byłby bardzo wytrzymały mechanicznie, ponieważ zerwanie wiązań wymagałoby dużej ilości energii mechanicznej ( diament jest typowym materiałem, który wspierałby to wiązanie ). Obecnie wiemy, że najmniejsze zarysowanie powierzchni tych materiałów może być inicjatorem pęknięcia, a następnie pęknięcia ( pęknięcia ), poprzez zjawisko koncentracji naprężeń. Ponieważ jest niemal nieuniknione, że twardy materiał, taki jak szkło, wykazuje defekty kątowe na powierzchni, o jego wytrzymałości mechanicznej liczy się nie energia wiązań atomowych, ale jego ciągliwość , czyli odporność na propagację tych defektów. Wytrzymałość na rozciąganie szkła tlenkowego jest stosunkowo niska (0.5- 1,0 MPa . √ m ), albo prawie sto razy mniej niż prąd metali. Twardość szkieł krzemowo-sodowo-wapniowych można jednak znacznie zwiększyć przez hartowanie termiczne lub chemiczne . Większość dzisiejszych ekranów smartfonów i tabletów to cienkie szkła hartowane chemicznie.
Spontaniczne rozbicie szkłaIstnieje wiele zeznań ludzi, którzy obserwowali szklane pojemniki, które „samodzielnie eksplodują” bez dotykania. W tym zjawisku nie ma nic paranormalnego. Aby szkło pękło, wystarczy, że będzie miało pęknięcie, a naprężenie rozciągające spowoduje propagację pęknięcia (jest to podstawa definicji wiązkości ). Jeśli naprężenie jest zbyt niskie, pęknięcie nie porusza się. Jednak szkła krzemianowe są wrażliwe na wodę, a reakcja hydrolizy może przyspieszyć pęknięcie, gdy doświadcza naprężenia rozciągającego poniżej tego progu: nazywa się to propagacją podkrytyczną. Pęknięcie może wtedy przesuwać się bardzo powoli, nanometr po nanometrze, pod wpływem wilgotności powietrza. Naprężenie może pochodzić ze złego wyżarzania szkła. Gdy pęknięcie osiągnie krytyczny rozmiar lub wejdzie w obszar dużego naprężenia, szklana część pęka. W zależności od wilgotności, temperatury, historii termicznej szkła i początkowej wielkości pęknięcia proces ten może trwać latami.
W szkle hartowanym termicznie można w zasadzie uniknąć tego zjawiska. Jednak oszklenie może być narażone na zanieczyszczenie siarczkiem niklu (NiS) pochodzącym z surowców (kalcyt, dolomit). W temperaturze ogrzewania obróbki cieplnej NiS zmienia fazę (α, stabilna od 379°C) i kurczy się (od 2 do 4%), a podczas hartowania nie ma czasu na powrót do swojej stabilnej fazy (β) w temperaturze pokojowej i pozostają w fazie α. Ponieważ jednak faza ta jest metastabilna, stopniowo powraca do formy β, ponownie powiększając się (co może zająć dużo czasu), generując ogromne naprężenia w szkle i jego „samoistną eksplozję” długo po zamontowaniu oszklenia.
Uderzenia pociskówSzkło, w zależności od grubości, składu i metody produkcji, jest mniej lub bardziej odporne na wstrząsy, upadki i uderzenia.
Wykazano, że dla danej soczewki liczba gwiaździstych pęknięć zliczona wokół miejsca uderzenia (np. pocisku) odzwierciedla względną prędkość pocisku uderzającego o szybę w momencie uderzenia. W razie wypadku lub użycia broni palnej, która uderzyła w szybę, możliwe staje się zatem uzyskanie informacji o prędkości pocisku (a tym samym o odległości od strzelca, jeśli znamy rodzaj broni i używanej amunicji ); według badań przeprowadzonych na pociskach wystrzeliwanych z coraz większą prędkością do 432 km/h im większa ilość energii kinetycznej, tym większa liczba pęknięć, z prostym równaniem łączącym te dwa ustawienia. I odwrotnie, możemy teraz również wywnioskować prędkość pojazdu w chwili wypadku, obserwując pęknięcia w reflektorze lub przedniej szybie przebite podczas wypadku.
Ponadto według pomiarów amatorów prędkość propagacji pęknięć w szkle hartowanym o grubości 5 mm wynosi około 1458 m/s .
Poniższe wartości mają na celu jedynie podanie rzędu wielkości, ponieważ istnieje kilka odmian szkła, od ciężkich krzemieni (obciążonych ołowiem; gęstość wahająca się od 2500 do 5900 kg/m 3 ) po szyby standardowe (2500 kg/m3) m 3 ) przez korony (od 2200 do 3800 kg/m 3 ) itp.
Własność fizyczna | Wartość | Jednostka |
---|---|---|
Masa objętościowa | 2500 | kg / m 3 |
Moduł Younga | 69 000 | MPa |
Współczynnik Poissona | 0,25 | |
Granica elastyczności | 3600 | MPa |
Sprężystość | od 1500 do 2500 | Rocznie |
Współczynnik rozszerzalności liniowej | od 0,5 do 15 × 10 -6 | / ° C |
Przewodność cieplna | 1 | W m -1 K -1 |
Właściwości szkła można obliczyć poprzez analizę statystyczną baz danych szkła, np. SciGlass i Interglad. Jeżeli pożądana właściwość szkła nie jest związana z krystalizacją (np. temperaturą likwidusu ) lub separacją faz, można zastosować regresję liniową przy użyciu wspólnych funkcji wielomianowych do trzeciego stopnia. Poniżej znajduje się przykładowe równanie drugiego stopnia. Wartości C to stężenia składników szkła, takich jak Na 2 Olub Procent CaO lub inne frakcje, wartości b są współczynnikami, a n jest całkowitą liczbą składników szkła. Główny składnik szkła, dwutlenek krzemu SiO 2, jest wykluczony w poniższym równaniu z powodu przeparametryzacji, ze względu na ograniczenie, że wszystkie składniki sumują się do 100%. Wiele terminów w poniższym równaniu można przeoczyć podczas analizy korelacji i istotności.
Własność szkła =
Przewidywanie przez głębokie uczenie („ głębokie uczenie ”)Dosyć trudne do przewidzenia właściwości szkła, w szczególności przez trudność w tworzeniu uniwersalnych modeli dla każdej właściwości, obecne rozwiązania w zakresie przewidywania właściwości szkła i umożliwiania opracowania nowych szkieł o określonych właściwościach są zorientowane, ponieważ niewiele, w kierunku głębokiego uczenia się . Schematycznie zasada polega na uczeniu sieci neuronowej przez uczenie maszynowe (jest to sztuczna inteligencja ) w celu określenia właściwości wielu znanych już okularów (zwykle 100 000) tak, aby następnie była w stanie przewidzieć przez ekstrapolację właściwości okularów nigdy nie przed opracowaniem. Metoda ta pozwala uwolnić się od dowolnego modelu fizycznego, którego nie udało się ustalić przez dziesięciolecia badań naukowych.
Szkło naturalne to każdy rodzaj szkła formowanego w sposób naturalny. Istnieją dwie główne rodziny: szkło biologiczne i szkło geologiczne.
Szkło organiczneGatunkiem produkującym najwięcej szkła na Ziemi nie są ludzie, ale rodzina okrzemek . Rzeczywiście, te jednokomórkowe glony są chronione szklaną skorupą o zaskakujących i delikatnych kształtach. Stanowiące plankton szkło to ma znaczną gęstość i znacznie wyższą niż szkło produkowane w przemyśle. Od 2008 roku naukowcy zaczęli identyfikować szczegóły syntezy : zaczyna się od krzemianów obecnych w wodzie morskiej i zaczynają wiedzieć, jak odtworzyć podobne reakcje w laboratorium. Produkcja ta odbywa się w łagodnych warunkach chemiczno- fizycznych , to znaczy nie wymaga wysokiej temperatury i ciśnienia .
Główną zaletą szkła dla okrzemek jest to, że nie utrudnia ono fotosyntezy , przepuszczając światło. Jest syntetyzowany bardzo szybko w czasie mejozy .
Szkło geologiczneWiele skał krzemianowych, jeśli wystarczająco szybko się ochłodzi, ma tendencję do zeszklenia. Zjawisko to obserwujemy w szczególności na Ziemi, w pobliżu wulkanów, gdzie obserwujemy np. powstawanie obsydianu , pumeksu (o składzie na ogół zbliżonym do obsydianu), tachylitu , palagonitu .
W fulguryt inny przykład naturalne szkła wytwarzanego w wyniku uderzenia pioruna (zwykle piasek). Impaktyt powstaje przez uderzenie meteorytu. Jego najbardziej znaną formą jest szkło libiczne. Księżyc ma również skały zeszklone przez uderzenia meteorytów na jego powierzchni. Mówimy wtedy o szkle księżycowym.
W przeciwieństwie do impaktytów znalezionych w kraterze, tektyty są wyrzucane w momencie uderzenia z krateru na odległość do 2000 km . Po uderzeniu udarowe skała bankowego i topi się, ponieważ temperatura zazwyczaj przekraczające 1600 ° C . Ponieważ atmosfera została nadmuchana przez pocisk meteorytu podczas uderzenia, pierwiastki przejściowe, takie jak żelazo, występują głównie w postaci zredukowanej. Stopione wyrzuty składające się z mieszanki obudowy i impaktora przyjmują trajektorię balistyczną z prędkością kilku km/si są poddawane działaniu niskich ciśnień. Podczas ich wędrówki przez atmosferę ciecz krzemianowa ulega niezwykle szybkiemu schłodzeniu . Tektyty charakteryzują się różnymi i czasami zaskakującymi morfologiami (kula, sztanga, kropla, gruszka, łza itp. ) zgodnie z ich historią termiczną, szybkością rotacji i erozją po opadach.
Komety składałyby się również ze „szklanki wody” lub amorficznego lodu .
Szkła bioaktywne, czyli bioszkła, to materiały stosowane w chirurgii rekonstrukcyjnej jako substytuty kości.
Przez ekstrapolację nazwę szkło stosuje się do innych materiałów amorficznych.
Na przykład mieszaniny na bazie fluorków cyrkonu , baru , lantanu i glinu dają szkła fluorowane, które są bardziej przezroczyste w ultrafiolecie i bliskiej podczerwieni niż szkło krzemionkowe. Dlatego są wykorzystywane do produkcji przyrządów optycznych do tego promieniowania.
Wiele soczewek okularowych jest wykonanych z soczewek organicznych, które są polimerami węglowymi, takimi jak poliwęglan bisfenolu A lub poliwęglan allilowy.
Niektóre stopy metali mogą zostać zestalone do struktury amorficznej przez bardzo szybkie chłodzenie, nazywane są wówczas szkłami metalicznymi . Na przykład, stopiony metal może być wyrzucany na obracający się z dużą prędkością bęben miedziany. Stopy te stosowane są na przykład na rdzenie transformatorów . W rzeczywistości ich cykl histerezy jest bardzo niski, co znacznie ogranicza straty.
Depozyty stopów metali amorficznych (Al-Cu-Fe) można uzyskać metodą osadzania próżniowego .
Oprócz cienkich warstw, nanoszonych różnymi metodami, proces syntezy szkła to bardzo często: topienie, odpuszczanie i wyżarzanie ( metoda „ melt quenching” w języku angielskim).
W przypadku szkieł sodowo-wapniowych pierwiastki niezbędne do syntezy szkła, na ogół tlenki (krzemionka) i węglany (węglany wapnia, węglany sodu) są mieszane, a następnie poddawane stapianiu. Do szkła standardowego używa się szkła białego piaskowego, sodowego, wapiennego oraz tłuczonego ( stłuczki ) o temperaturze 1550 °C . Szkło jest następnie często uszlachetniane, zwłaszcza w przypadku dużych objętości: uwalnia się od pęcherzyków poprzez utrzymywanie go w wysokiej temperaturze. Stosunkowo niska lepkość sprzyja następnie podnoszeniu się pęcherzyków na powierzchnię. Możliwe jest również przejście przez proces homogenizacji, na przykład przez mieszanie cieczy, jeśli ruchy konwekcyjne w cieczy nie są wystarczające.
Jeśli stopiona mieszanina zostanie delikatnie schłodzona, będzie miała tendencję do krystalizacji, ponieważ kryształ jest najbardziej stabilną termodynamicznie postacią stałą. Aby uniknąć krystalizacji i uzyskać strukturę amorficzną, należy zatem szkło gwałtownie schłodzić ciecz: mówimy o hartowaniu, chociaż w przypadku szkieł rzadko chodzi o zanurzenie roztopionej mieszaniny w wodzie. Szkła krzemianowe są najczęściej nasączane powietrzem (przenoszonym gwałtownie z pieca do topienia do powietrza otoczenia lub do innego pieca o niższej temperaturze). Te szkła metaliczne wymagają bardziej gwałtowne hartuje, ponieważ musi chłodzenia czasami osiągnąć kilka tysięcy Kelwinów na sekundę. Te szkła sól tlenowca , topnienie odbywa się w ampułce krzemionkowego często przerwano przez zanurzenie fiolkę w wodzie lub lodu.
Hartowanie powoduje szybsze chłodzenie powierzchni szkła (w kontakcie z powietrzem) niż rdzenia. Powierzchnia ochładza się, kurczy i twardnieje. Zjawisko to generuje naprężenia w szkle. Zjawisko to jest dobrze znane podczas szoków termicznych : jeśli wyjmiemy szklane naczynie wyjęte z piekarnika w temperaturze 200°C i włożymy je do zlewu, pod strumieniem zimnej wody, pęka, ponieważ powierzchnia chce się skurczyć w kontakcie z zimna woda, ale serce gorące, zapobiega temu. Powierzchnia zostaje więc poddana nagłemu naprężeniu, co skutkuje pęknięciem. Podczas hartowania po stopieniu powierzchnia kurczy się, ale nie rdzeń. Ale serce, bardzo gorące, ma lepkość wystarczająco niską, aby pomieścić skurcz. Dzięki temu szkło nie pęka, ale pozostaje mocno usztywnione. Nieleczone naprężenia te mogą na dłuższą metę prowadzić do rozbicia szkła . Wyżarzanie jest zatem przeprowadzane w temperaturze bliskiej temperaturze zeszklenia tak, że lepkość szkła jest wystarczająco niska, aby naprężenia złagodziły się w ciągu jednej do kilku godzin, w zależności od charakteru i objętości szkła.
Jeśli przedmiot szklany ma drobną formę, wyżarzanie nie jest konieczne, ponieważ gradient termiczny między powierzchnią a rdzeniem pozostaje niski: włókna optyczne lub wata szklana nie są wyżarzane.
Jeśli szkło jest źle wyżarzone, naprężenia wewnętrzne można zaobserwować w świetle spolaryzowanym metodą fotoelastycymetrii . Ten eksperyment może wykonać każdy: ekran komputera dostarcza spolaryzowane światło, kładziemy przed sobą szklany przedmiot i patrzymy na niego w spolaryzowanych okularach przeciwsłonecznych : jeśli w szkle pojawia się „tęcza”, jest ono źle wyżarzone.
Szkło można kształtować różnymi metodami, które można podzielić na ciągłe i nieciągłe:
Klasa | Proces | Definicja | Przykłady |
---|---|---|---|
Wycofane | Dmuchanie | Puste szkło | |
Odlewanie w formie | Stopione szkło wlewa się do formy mającej kształt przedmiotu, który ma być wytworzony. | Puste szkło | |
Pilny | Stopione szkło jest prasowane w formie mającej kształt przedmiotu, który ma zostać wytworzony. | Lampa elektronopromieniowa , puste szkło | |
Odlewanie odśrodkowe | Puste szkło | ||
Nieprzerwany | Laminowanie | Stopione szkło przechodzi między dwoma walcami. | Szkło płaskie (mało używany proces) |
Rysunek | Szkło płaskie (mało używany proces), tuba luminescencyjna , włókno szklane | ||
Ruchomy | Stopione szkło wlewa się do kąpieli z płynną cyną i rozprowadza tam, tworząc ciągłą wstęgę. | Płaskie szkło | |
Rzucanie na stół | Stopione szkło wylewa się na stół i zwija. | Szkło płaskie (mało używany proces) | |
Wyrzucenie |
Szkło na bazie krzemionki zostały wykorzystane przede wszystkim w optyce do jej załamania właściwości ( soczewki , okulary soczewki ) od średniowiecza.
Szkła tlenkowe znane są od średniowiecza z zastosowania w optyce widzialnej i bliskiej podczerwieni (soczewki, pryzmaty, lustra; współczesne światłowody dla telekomunikacji).
Przezroczystość szkieł krzemianowych czyni je ważnym elementem w rozwoju nowoczesnej energii słonecznej. Obecnie opracowywane są okulary chalkogenkowe do zastosowań optycznych w podczerwieni, w tym do widzenia nocnego, spektroskopii w podczerwieni z falą zanikającą, holografii i zastosowań optoelektronicznych itp.
Jest on również stosowany w chemii i w żywności przemyśle : reaguje bardzo mało większość związków stosowanych w tych dziedzinach, w związku z tym materiałem idealnie nadaje się do pojemników ( butelek , jogurtach doniczkach , zlewek , kolb Erlenmeyera , kolumny destylacji z próbek , probówki ). Jednym z niewielu płynów zdolnych do skutecznego rozpuszczania szkła jest kwas fluorowodorowy (HF).
Szkło jest materiałem, w którym wysokoaktywne odpady promieniotwórcze ( HAVL ) są zamykane w procesie zeszklenia. Będąc nieuporządkowanym, szkło rzeczywiście dobrze znosi promieniowanie w długim okresie czasu, w przeciwieństwie do metali, których struktura ma tendencję do amorfii, a zatem traci swoje właściwości mechaniczne pod wpływem napromieniowania. Ponadto szkło bardzo dobrze się starzeje w skali geologicznej, nawet w obecności wody.
Szkło jest również bardzo ważnym materiałem budowlanym w architekturze . Poza szkła zwykłego szkła float od połowy XX th century, cegła szkło używane do stu lat sprawia półprzezroczystych ścian pionowych i poziomych; pochodzi z antycznej kwadratowej płyty szklanej. Pasta szklana zastąpiła elementy ceramiczne powstałe w wyniku mozaiki na elewacjach w nowoczesnej architekturze, na hydroizolacji basenów; w 2019 roku „wyrafinowane” łazienki przywracają ten materiał do mody. Szkło występuje obecnie w szczególności w postaci waty szklanej, lekkiego, odpornego na butwienie i niepalnego izolatora .
Włókna szklane na bazie krzemionki odgrywają ważną rolę w obecnych strukturach dzięki światłowodom przenoszącym informacje z różnych czujników, co umożliwia ciągłe monitorowanie struktur.
Szkło jest również bardzo ważnym materiałem w dzisiejszym przemyśle motoryzacyjnym .
Szkła chalkogenkowe są również szeroko stosowane w płytach DVD, gdzie są nośnikami informacji. Szkło jest również obecne w zaawansowanych technologicznie przedmiotach codziennego użytku: dyskach twardych , ekranach dotykowych, szkłach samoczyszczących , a producenci szkła rozważają wiele przyszłych zastosowań.
Niektóre stale można zestalić w postaci amorficznej „szkła metalicznego”. Okulary metaliczne zostały również wprowadzone do artykułów sportowych (rakiety śnieżne, narty, kije).
Ze względu na swoją izotropię stale te posiadają ciekawe właściwości niemagnetyczne, szczególnie do budowy okrętów podwodnych typu stealth . Charakteryzują się również dużą twardością i bardzo dobrą odpornością na korozję.
W wielu zastosowaniach szkło jest obecnie zastępowane tworzywami sztucznymi , które są lżejsze i często bardziej odporne na uderzenia .
Występuje w postaci mikrokulek, włókien (ciętych lub nie), mat (włókna ułożone „luzem”) lub tkanin ( np. metoda tkania „ tafty ”). Wprowadzone w matrycę polimerową lub osadzone na powierzchni, prezentacje te znajdują zastosowanie w szczególności jako wzmocnienie (włókniste lub nie ) żywic termoplastycznych ( poliamidy ) lub termoutwardzalnych ( poliestry , epoksydy ) w tworzywach sztucznych, a także w materiałach kompozytowych .
Artystyczne zastosowania szkła są niezliczone od wieków. W sztuce współczesnej odnajdujemy zarówno lód łamany i odprężany, jak i świetliste sukienki haute couture. Towarzyszyły one lub wymagały wielu innowacji technicznych (średniowieczne witraże bezsodowe, pasta szklana, fusing, termoformowanie itp .).
Szkło można poddać modyfikacjom w celu jego wzmocnienia i zabezpieczenia:
Szkło można również poddać obróbce powierzchniowej , najczęściej osadów:
Od starożytności malarze przyjęli taflę szkła jako podporę do malowania; między innymi odwrotne malowanie na szkle (lub malowanie pod szkłem lub malowanie na szkle ) to trudna technika artystyczna wykonywana bezpośrednio na tafli szkła. Szkło podtrzymuje farbę jak płótno. Przylutowane do szkła, to właśnie dzięki temu wspornikowi kontemplujemy pracę. Dzięki temu szkło służy zarówno jako podkład, jak i lakier ochronny. Należy pamiętać, że jest to technika malowania na zimno , dzięki czemu proces nie wymaga pieczenia. Pigment wiąże się ze szkłem za pomocą oleistego nośnika najczęściej na bazie lakieru. Duża część kolorów używanych przed naszymi czasami jest obecnie zabroniona (zdrowie szklarzy).
Szkło, jeśli jest dobrze posortowane ( sortowanie selektywne ), może być poddawane recyklingowi w nieskończoność bez utraty swoich właściwości. W niektórych krajach, takich jak Niemcy, Belgia, Szwajcaria czy kraje skandynawskie, sortowanie może rozróżniać szkło białe, zielone i brązowe w celu bardziej wydajnego recyklingu, a butelki zwrotne i ponownie używane są częściej wybierane przez producentów i konsumentów .
Jednak huty odrzucają sproszkowany śnieg i tłuczone szkło powstałe w wyniku zbiórki (zabrudzone kurzem i innymi odpadami) oraz czyszczenia dróg miejskich i wodoodpornych podłóg. Poszukuje się dla nich innych zastosowań lub są one testowane, aby nie trzeba było nadal wysyłać ich na składowiska lub do spalarni). Może być stosowany jako element dekoracyjny (kolorowe szkło) w betonie .
W asfalcie , na przykład w Gujanie Francuskiej , od końca 2006 r. odpady szklane (70 t zebrane pod koniec 2006 r., a pierwszy poligon testowy w połowie 2007 r. w centrum Cayenne) były wykorzystywane jako dno warstwy drogowej. w postaci tłuczonego szkła . Na 30 km drogi potrzeba 4600 ton szkła . Ten rodzaj ponownego wykorzystania może jednak stwarzać niebezpieczne problemy (podczas budowy i być może zakopywania fauny ).
WyremontowaćZużyte butelki szklane można przetapiać . Odzyskany w ten sposób materiał umożliwia produkcję nowych butelek.
Szkło można również wytwarzać ze stłuczki odzyskanej (szkło tłuczone). Wytwarzanie szkła z odzyskanej stłuczki szklanej pozwala zaoszczędzić surowce i energię .
Szkło przed przetopieniem poddawane jest różnym zabiegom: szlifowaniu, myciu, usuwaniu klejów, etykiet, kapsułek, separacji szkła i metali oraz eliminacji odpadów (porcelana, kamienie itp .).
We Francji większość szkła odzyskuje się w postaci potłuczonego szkła. Szkło zwrotne jest zbierane we wszystkich barach i kawiarniach , a także do butelek piwa w publicznej sprzedaży w Alzacji . Agencja ds . Środowiska i Zarządzania Energią (Ademe) uważa, że korzyści z deponowania szklanych pojemników nie są oczywiste, biorąc pod uwagę dość długie obiegi dostaw we Francji.
Przechowalnia bagażuDzięki temu systemowi butelki są odzyskiwane w całości, za rekompensatą finansową, myte, a następnie ponownie wykorzystywane.
W Europie deponowanie szkła wielokrotnego napełniania jest dozwolone według uznania państw członkowskich, pod warunkiem że nie powoduje zakłóceń konkurencji iw ramach polityki ochrony środowiska.
Zestaw faworyzowały Niemcy i Belgia . Kanada korzysta z systemu podobnego do Niemiec i ustandaryzowała format butelek piwa, aby ułatwić różnym firmom bardziej opłacalne i łatwe ponowne wykorzystanie.
Szkło może krystalizować i stać się mniej lub bardziej matowe, a nawet pudrowane .
Szkła wykopu mogą opalizować w kontakcie z substancjami obecnymi w glebie.
Osady lub zmiany chemiczne mogą modyfikować jego powierzchnię.
Szklanki na ogół obsługują lekkie mydło. Uważaj jednak na złocenia, aby lepiej nie pocierać.
Zasadniczo korozja szkła związana jest z obecnością jonów H + w H 2 O.
Pęknięcia są nierozwiązane, a kolaże są ogólnie widoczne ze względu na różnicę we współczynniku załamania światła . Kleje i silikony cyjanoakrylowe dają czasami zadowalające wyniki, ale kleje epoksydowe są preferowane ze względu na ich większą stabilność, ich współczynnik załamania światła zbliżony do niektórych szkieł i ich niską lepkość. W przeszłości używaliśmy głównie balsamu kanadyjskiego .