Закаленное стекло - основные характеристики

Количество видов стекла, существующих в наши дни, очень велико. Различные напыления и добавки способны снабдить стекло самыми удивительными свойствами.

Недавно изобретено самоочищающееся стекло, которое обладает способностью фактически сбрасывать с себя грязь. Производится стекло со встроенным слоем жидких кристаллов, которые при подаче электрического сигнала становятся из прозрачных непрозрачными и наоборот. К отдельному виду относится так называемое безопасное стекло (safety glass). В этой группе можно выделить два типа стекла - закаленное и триплекс.



Если триплекс - относительно недавнее изобретение, то закаленное стекло известно человечеству уже довольно давно. Существует интересная легенда о принце Руперте, который заметил, что стеклянные капли, которые расплавленными падают в воду, приобретают необычайную твердость, однако их хвостик в то же время приобретает необычайную хрупкость. Более того, если разрушается хвостик, то тут же разрушается и вся застывшая капля.

Этот феномен имеет очень простое объяснение в самом процессе закаливания стекла.

На первом этапе закаливания стекло нагревают до высокой (около 6500С) температуры, при которой оно становится пластичным. Второй этап (он включает две основные стадии) более интересный - быстрое охлаждение разогретого стекла. На первой стадии охлаждения остывают внешние слои стекла, а внутренние сохраняют относительно высокую температуру (мы разделили стекло на внешние и внутренние слои только условно, физически оно неразделимо).

Внешние слои при остывании становятся меньше в объеме и стягиваются. Вторая стадия касается процессов во внутренних слоях. С ними происходит то же самое, что и с внешними, - они стягиваются. Слои стекла достаточно жестко связаны между собой, поэтому внутренние слои, стягиваясь, создают дополнительное напряжение во внешних, которые к этому моменту уже почти остыли и обрели напряжение стягивания. В итоге получается лист (или иная форма) стекла, внешний вид которого практически ничем не отличается от незакаленного, но внутри присутствуют постоянные и весьма сильные напряжения. Если требования к технологическому процессу были соблюдены полностью, то эти напряжения практически равномерны, что обеспечивает удивительные свойства закаленного стекла, в первую очередь его повышенную - по сравнению с обычным стеклом в 3-4 раза - механическую прочность и упругость. Такой лист чем-то напоминает небоскребы - в них существуют стальные тросы, которые проходят от фундамента до крыши и “натягивают” все здание, придавая ему дополнительную упругость и гибкость.



По такому принципу построена Останкинская башня в Москве. За улучшение одних свойств приходится платить появлением других - не вполне благоприятных. Прочностные свойства закаленного стекла распределены нелинейно по листу - наиболее прочным является центр листа, наименее прочными оказываются углы и края. Почему так происходит? Дело в том, что в углах и краях относительная разница в распределении напряжений наиболее замет- на, и поэтому любое повреждение внешнего слоя влечет за собой неудержимое разрушение всего внешнего и, как следствие, внутреннего слоя стекла - то есть всего объема закаленного листа! Самое время вспомнить загадочные стеклянные капли принца Руперта и понять, почему они были так прочны в массе и так хрупки при разрушении хвостика.

Поэтому закаленное стекло абсолютно непригодно для какой-либо механической обработки. Любая резка, сверление отверстий, иные механические воздействия должны быть выполнены до закаливания. Но и разрушение закаленного стекла происходит совсем не так, как обычного незакаленного. При разрушении обычного образуются длинные и острые осколки, которые являются основными источниками травматизма.

Каленое относят к “безопасным” стеклам: стекло разрушается моментально на массу мелких осколков с тупыми краями, которые принципиально не способны причинить такой ущерб, как осколки обычного стекла. Производство каленого стекла таит в себе массу нюансов и тонкостей. Например, все мы видели в общественном транспорте стекла, будто позаимствованные из салона кривых зеркал. Почему же на них так много волнообразных искажений поверхности? Нагреть и охладить стекло несложно. Однако при этом необходимо сохранить его размеры и выдержать технологию закалки. Закаливание производят в специальных печах, в которых стекло постоянно перемещается на валках по возвратно-поступательному принципу. Если это перемещение рассчитано неверно, то на стекле в процессе остывания обязательно сформируются волны, которые никоим образом без разрушения стекла нельзя будет ликвидировать.

Очень важный параметр закаливания стекла - скорость остывания. Она должна быть оптимальной. Если стекло остывает слишком медленно, можно не сформировать в нем необходимые напряжения, соответственно, закаленным это стекло назвать будет нельзя. При чрезмерно высокой скорости остывания напряжения будут очень неравномерными, что может повлечь за собой непредсказуемые искажения свойств стекла. Итак, хоть закаленное стекло и обладает всеми вышеперечисленными замечательными свойствами, невозможность механической обработки является одним из его серьезных недостатков.