Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение - Глаголев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Это чудесное свойство термической нечувствительности было отмечено с первых же дней открытия кварцевого стекла французским физиком ОаисНп 85 в 1839 г. Однако несмотря на то, что многие исследо-
Рис. 27. Иллюстрация термической стойкости кварцевого стекла.
ватели после этого обращали на ьего внимание, точное объяснение этого явления было дано лишь в 1900 г. Ье СйагеНег86, доказавшим его связь с поразительно малым коэфициеьтсм расширения кварцевого стекла. Линейный коэфициент расширения кварцевого стекла приблизительно в 20 раз меньше, чем у легкоплавких стекол, в б раз меньше, чем у стекла «Пайрекс», в 17 раз меньше, чем у платины, иЧв 34 раза меньше, чем у меди.
Благодаря незначительному расширению, натяжения, возникающие внутри кварцевого стекла при его неоднородном охлаждении или нагревании, не превышают предела, допускаемого механической прочностью. ЬеСпагеНег приводит расчет, согласно которому при опускании нагретого до 1 000° предмета из кварцевого стекла в холодную воду внутренние натяжения, возникшие при его охлаждении не превышают предела прочности. Интересно привести для сравнения Данные для обыкновенных стекол. Наивысшая температура, до которой ¦можно нагреть стеклянный кубик с ребром 1 см, без того чтобы при опускании в холодную воду он не расстрескался, колеблется для иенс-ких стекол от 61,9 до 148°. Цифры, не идущие ни в какое сравнение с полученными для кварцевого стекла.
В связи с изложенным нам кажется целесообразным ввести в качестве характеристики свойств вещества новую величину й, которую» мы назовем температурой разрыва и которая показывает, какова максимально допустимая разность температур между двумя половинками тела заданной формы, при которой еще не происходит механического разрушения. Вполне понятно, что ввиду произвола в выборе формы и распределения температур (одна половина целиком имеет температуру другая <_), величина $ дает возможность оценить лишь порядок численных значений температурных неоднородностей, допустимых для данного вещества в тех или иных конкретных условиях. Если, следуя Ье СпахеНег, взять для расчета стержень, одна боковая половина которого нагрета до /г°, в то время как вторая имеет температуру /2°, то, обозначив коэфициент расширения стержня — через 5, модуль упругости — через Е и крепость на разрыв—-через д, длину стержня через /, получим для температуры разрыва формулу:
Чем больше &, тем более резкие температурные неравномерности может выдерживать данное вещество. Само собой разумеется, что сравнение-величин и имеет практический смысл лишь для таких веществ, которые имеют коэфициент теплопроводности одного и того же порядка. Табл. 22 дает температуры разрыва для некоторых веществ.
ТАБЛИЦА 22 Температуры разрыва стекол и керамических материалов
Вещество | Темпер а-| тура раз-І рыва в °С Вещество Температура разрыва в "С
I Обыкновенные стекла . . . Кислотоупорная керамика . 50—150 135—170
Аналогичным образом, подобрав соэтвгтствующие условия, можно было бы ввести понятие температуры раздавливания, которая определила бы поведение вещестга в том случае, когда напряжения, возникшие в результате неравномерного нагревания, работают не на растяжение, а на сжатие.
Исключительно малая величина коэфициента расширения кварцевого стекла весьма многообразно используется на практике, и не приходится удивляться, что это свойство исследовано наиболее детально. Прежде чем приступить к анализу имеющегося численного материала, необходимо хотя бы вкратце остановиться на некоторых особенностях температурного расширения кварцевого стекла.
В противоположность кристаллическим модификациям кремнезема, расширение которых весьма неравномерно меняется с температурой (что объясняется превращениями одной модификации в другую), расширение стеклообразного кремнезема имеет весьма равномерный характер в большом интервале температур. Однако есть две области, где, повидимому, благодаря каким-то молекулярным перегруппировкам, наблюдаются отклонения от нормального хода кривых расшире-
" . 69
68
ния. Одна из этих областей находится при весьма низких температурах и характеризуется тем, что коэфициент теплового расширения приобретает здесь отрицательный знак, благодаря чему в этой области охлаждению соответствует не уменьшение, а увеличение объема, так что около верхней границы ее кварцевое стекло обладает некоторым минимальным объемом. Вторая область, существование которой однако «е вполне доказано, ограничена приблизительно температурным интервалом 400—600° и характеризуется наличием минимума на кривой расширения.
Кроме того согласно опытам Salmang и Stoesser66 ( 1930) есть, основание предполагать существование третьей области аномального расширения кварцевого стекла, на этот раз в области очень высоких температур, порядка 1 300—1 500°. Здесь, как и при низких температурах, можно ожидать отрицательных значений коэфициента расширения и следовательно увеличения объема при охлаждении.
Как это имеет место и в отношении остальных свойств, характер теплового расширения кварцевого стекла зависит в некоторой степени от индивидуальных особенностей взятого образца, что объясняется различными условиями теплового режима при производстве и обработке. Однако, в отличие от других стекол, в случае кварцевого стекла все эти отклонения от нормы по абсолютной величине настолько незначительны, что лишь с трудом могут быть обнаружены с применением наиболее точных приборов и практически в большинстве случаев не могут иметь серьезного значения.
