Wir können zwei Definitionen von Glas unterscheiden :
Die klassische Definition des Wortes „Glas“ (ein hartes, zerbrechliches und transparentes Material auf der Basis von Siliziumdioxid) ist ungenügend präzise, insbesondere weil Quarz zu den Gläsern zählen würde . Die Entwicklung neuer transparenter Materialien im letzten Jahrhundert hat diese Definition obsolet gemacht und zu Verwirrung geführt, insbesondere weil es schwierig ist, sicherzustellen, dass ein zerbrechliches und transparentes Material wirklich wirklich hart und wirklich aus Siliziumdioxid besteht. Das offensichtlichste Beispiel ist das Brillenglas , das, obwohl es "Glas" genannt wird, nicht der ersten Definition entspricht: Aktuelle Gläser sind weder besonders hart noch basieren sie auf Kieselsäure (es sind organische Materialien).
Von "Glasperlen" spricht man auch bei Materialien, die seit mehr als 3.000 Jahren hergestellt werden, auch wenn diese Perlen überhaupt nicht transparent sind (die glasige Optik reicht aus, um ihnen den Namen Glas zu geben). Das gleiche gilt für Millefiori, die seit der Antike hergestellt werden. Glaswolle muss nicht transparent sein, kann also nur durchscheinend oder sogar schwarz sein (das gleiche gilt für Glasschaum). „Glas“ nennen wir daher in der Alltagssprache Gegenstände, die nicht daraus sind, im Sinne der gängigen Definition von Glas. Umgekehrt entsprechen bestimmte Materialien perfekt der gängigen Definition von Glas, ohne eine zu sein: Neben Quarz sind bestimmte Keramiken silikatische Materialien, hart, zerbrechlich, transparent im Sichtbaren, aber keine Gläser.
Die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft gibt daher eine andere Definition von Glas: Aus physikalischer Sicht ist Glas ein amorphes (also nicht kristallines ) Material, das das Phänomen des Glasübergangs aufweist. Unterhalb seiner Glasübergangstemperatur , die stark mit der Zusammensetzung des Glases variiert (mehr als 1000 °C für Quarzglas, weniger als 40 °C für amorphes Selen), erscheint das Glas im glasartigen Zustand . Unter dem Namen „Glas“ werden heute eine Vielzahl amorpher Festkörper zusammengefasst. So werden nicht nur Mineralgläser hergestellt, sondern auch organische Gläser und sogar metallische Gläser .
Vor etwas mehr als einem Jahrhundert wurde nur ein Material oder eine Legierung, die hart , zerbrechlich (spröde) und für sichtbares Licht transparent war (sehr oft sogar als "Glas" angesehen, sogar für die wissenschaftliche Gemeinschaft ). Dieser Begriff ist reserviert für eine Legierung auf Basis von Siliziumdioxid). Glas bestand damals am häufigsten aus Siliziumdioxid ( Siliciumdioxid SiO 2, der Hauptbestandteil von Sand ) und Flussmittel . Im allgemeinen Sprachgebrauch bleibt diese Definition bestehen, denn auch heute noch ist unter allen Arten von Kunstglas Kalknatronglas am gebräuchlichsten .
Vor über 4000 Jahren entdeckten ägyptische Keramiker und Kalkhersteller , dass sie durch Erhitzen von Siliziumdioxid SiO 2 (Sand), mit Natron , das durch Trocknen und Reinigen in Soda umgewandelt wurde, und Branntkalk ein mehr oder weniger glasiges und transparentes Material herstellten. Durch Zugabe von bestimmten Zutaten oder farbigen Mineralpulvern zu der Mischung erhielten diese ersten Glasmacher spezifische oder verschiedenfarbige Gläser. Die Massenanteile der Ausgangsmischung zum Erhalt eines stabilen Glases bei 650 °C betragen etwa:
Daher die Skizze ohne Stöchiometrie der chemischen Reaktion zur Erklärung der konkreten Bildung von Glaskörpern:
SiO 2 fest + Na 2 CO 3 fest +… - → SiO 2 .Na 2 O… stabiles Glas + CO 2GasSeit den 1920er Jahren wurde durch Röntgenbeugung (XRD) beobachtet und demonstriert, dass eine der Besonderheiten von Gläsern das Fehlen einer kristallinen Struktur ("Ordnung") war, die durch Röntgenkristallographie nachweisbar ist . Da diese Spezifität nicht für transparente Oxide spezifisch ist, sondern für alle amorphen, haben wir seit den 1920er Jahren die meisten amorphen Feststoffe unter dem Begriff „Glas“ zusammengefasst . Seit Beginn des XX - ten Jahrhundert haben viele Definitionen die veraltete Definition des Glases verbreitern (durch ihre gemeinsamen: Mangel an Ordnung, Glasübergang, usw. ) , dass die beschränkt auf transparente Materialien auf Basis von Oxiden. So werden nicht nur Mineralgläser hergestellt, sondern auch organische Gläser und sogar metallische Gläser . Wir können anorganische Gläser in verschiedene Klassen einteilen, hier ist die vollständige Liste:
Unter diesen Gläsern sind viele nicht transparent (Stickstoff-Sauerstoff-Gläser, metallische Gläser…) oder zumindest nicht im Sichtbaren ( Chalkogenid-Gläser ). Darüber hinaus lassen sich leicht transparente oder sogar opake Silikatgläser herstellen, ohne große Volumenanteile an Metalloxiden zugeben zu müssen. Der Obsidian ist vulkanisches Glas wie ein Silikat im Allgemeinen leicht durchscheinend, aber schwarz. REFIOM- Glas ist ebenfalls ein Oxidglas, das nicht transparent ist.
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Seit der Erfindung des Glases durch den Menschen im östlichen Mittelmeerraum mit Hitze auf Sand können wir die daraus hergestellten Objekte kulturell unterscheiden. Diese Gefahrstoffproduktion ist getrennt von dem Wunsch, etwas durch Brennen zu gewinnen (was im Gegensatz zu Metallen und Keramiken der Fall ist); es ist ein Rest . Die Symbolik wird nicht unbedingt dieselbe sein: für Keramik, die auch eine verwandelte Erde ist, ist es Nahrung, bis hin zu gallischen Standardgefäßen und Amphoren, einschließlich Tassen. Für bis in die Neuzeit eher kleine Glasbehälter ist es Kosmetik- und Bestattungsapotheke. So langhalsige Ampullen geben die Flasche. Entweder den Topf in einer Taverne, oder die königlichen Sektgläser sowie die Weinflaschen zum Aufbewahren. Der wirtschaftliche Aspekt ist von entscheidender Bedeutung, denn vor der Entdeckung der Kohle werden 22 kg Holz benötigt , um in 48 Stunden eine Schmelze bei 1600 ° C zu erhalten, um 1 kg Glas zu erhalten. Das schwere Material begründet gleichzeitig seinen Produktionsursprung, den Markt und seine Absatzmöglichkeiten, die Handelskreise seit dem Römischen Reich.
Glas ist eines der ersten Materialien, das entwickelt wurde. Es ist das Symbol für Zerbrechlichkeit, Finesse und Transparenz: zum Beispiel der gläserne Pantoffel von Cinderella in der Geschichte von Charles Perrault und der Cartoon von Walt Disney . Es wird oft angenommen, dass in der ursprünglichen Geschichte der Pantoffel vair war , aber Perrault schrieb seine Seite der Geschichte mit einem Glaspantoffel, der Cartoon greift diese Idee ebenfalls auf.
Im Universum der Elder Scrolls ist Glas ein wertvolles vulkanisches Mineral, das insbesondere zum Schmieden von Waffen und Rüstungen verwendet wird. Sie sind effektiv, aber paradoxerweise zerbrechlich. In der neuesten Ausgabe, Skyrim , werden jedoch keine Details zu seiner Stärke angegeben, da die Verschlechterung der Ausrüstung im Spiel nicht mehr berücksichtigt wird.
Dieser Teil befasst sich mit Glas und seinen Eigenschaften aus physikalisch-chemischer Sicht. In diesem Teil werden wir unsere Studie begrenzen Oxid Gläser . Es gibt jedoch andere Haupttypen von Gläsern (insbesondere solche, die nur aus metallischen Elementen bestehen ), die für die Optik nicht transparent sind, aber für den Magnetismus, amorphe metallische Gläser und Spingläser , kristallisierte Verbindungen, die durch das Fehlen einer magnetischen Fernordnung ( Spin ) gekennzeichnet sind.
StrukturGlas ist ein amorphes Material, also nicht kristallin. Als Ergebnis weist es eine signifikante strukturelle Störung auf. Seine mikroskopische Struktur ist so, dass es in einem Glas keine Fernordnung gibt. Darin, und nur darin, ist es einer Flüssigkeit ganz analog. Nehmen wir das Beispiel von reinem Wasser , bestehend aus Wassermolekülen (H 2 O). Wenn wir jedes Wassermolekül um jedes Sauerstoffatom isolieren, finden wir immer zwei Wasserstoffatome : Es ist eine "Ordnung" (sie ist von einem Molekül zum anderen reproduzierbar) in kurzer Entfernung (auf der Skala des H 2 O- Moleküls)). Nehmen wir andererseits zwei verschiedene Moleküle H 2 Oin Bezug auf einen Zeitpunkt t und wir betrachten ihre Nachbarschaften, d. h. die genaue Lage der H 2 O- MoleküleNachbarn erhalten wir für unsere beiden Referenzen zwei völlig unterschiedliche Ergebnisse. Es gibt keine Ordnung in großer Entfernung (in einer Entfernung, die größer ist als der Maßstab des Moleküls). Wir nennen Radialverteilungsfunktion oder Paarverteilungsfunktion, die Funktion, die die Wahrscheinlichkeit angibt, ein Teilchen (in diesem Beispiel das Wassermolekül) zwischen einem Radius r und r + d r der Referenz zu finden. Neutronenbeugung ermöglicht beispielsweise die Auswertung der radialen Verteilungsfunktionen eines Materials für jedes Element und zeigt breitere Peaks für Gläser als für Kristalle, was die Zufälligkeit der Position der Nachbarn des atomaren Referenzelements im Brille.
Wir finden in der Brille die Ordnung auf kurze Distanz (auf der maximalen Skala von wenigen interatomaren Abständen), aber nicht darüber hinaus. Dies wird durch eine erste feine Spitze radialer Verteilungsfunktionen wie bei einem Kristall veranschaulicht , dann zunehmend verbreiterte Spitzen, im Gegensatz zu einem idealen Kristall.
Ein Glas kann sogar als dreidimensionales „Gitter“ betrachtet werden, ähnlich dem eines Kristalls, bei dem jedoch nur die Ordnung im Nahbereich erhalten bleibt. Vergleichen wir zum Beispiel die Struktur von Siliziumdioxid (SiO 2) kristallin (in Form von Cristobalit ) und die von glasiger Kieselsäure:
Kristalline Kieselsäure (Cristobalit).
Glasartige Kieselsäure.
In beiden Fällen ist jedes Atom von Silizium ist an vier Atome gebundenen Sauerstoff , wodurch tetraedrischen SiO 4(Kurzstreckenordnung); jedes Tetraeder kann als "Ziegel" des endgültigen Gebäudes betrachtet werden. Aber während Cristobalit als regelmäßiger Stapel dieser SiO 4 -Steine definiert werden kann(es hat eine Fernordnung), das glasige Siliziumdioxid kann als zufälliger Stapel derselben SiO 4 -Steine betrachtet werden (sie hat keine Ordnung mehr aus der Ferne).
Aufgrund seiner amorphen Struktur erzeugen Gläser bei der Röntgenbeugung einen streuenden Halo, im Gegensatz zu Kristallen, die schmale und intensive Peaks erzeugen.
HauptbestandteileGlas unterliegt aufgrund seiner amorphen Struktur nur sehr wenigen stöchiometrischen Spannungen . Als Ergebnis kann ein Glas die unterschiedlichsten Elemente enthalten und sehr komplexe Zusammensetzungen aufweisen.
In einem Oxidglas sind diese verschiedenen Elemente in einer kationischen Form , zu bilden , um Oxide mit der Sauerstoff - Anion O 2- .
Die an der Zusammensetzung von Gläsern beteiligten Kationen können nach ihrer strukturellen Rolle bei der Verglasung (Glasbildung) in drei Kategorien eingeteilt werden: Netzwerkbildner, Nicht-Netzwerkbildner (oder Netzwerkmodifikatoren) und Zwischenprodukte. Die strukturellen Kriterien für diese Klassifizierung berücksichtigen die Anzahl der Koordination (Anzahl der Sauerstoffatome, an die das Kation gebunden ist) und die Bindungsstärken .
Bei nichtoxidischen Gläsern (Chalkogenide, metallische Gläser etc. ) kann man nicht von Netzwerkbildnern/Modifikatoren sprechen. Gläser können insbesondere aus einem einzigen Element hergestellt werden, wie beispielsweise Schwefelglas oder Selenglas (die einzigen heute bekannten Elemente, die allein ein Glas bilden können): Diese Elemente können daher weder als Bildner noch als Modifikatoren klassifiziert werden. Eine Vielzahl von Chalkogenidgläser gebildet werden kann, einschließlich Germanium - Selen , Arsen - Selen , Tellur - Arsen - Selen. Bei dieser Brille werden wir nicht in Bezug auf Netzwerktrainer/Modifikatoren sprechen. Die metallischen Gläser werden im Allgemeinen aus mindestens drei Kohlenstoffen mit großen Unterschieden im Atomradius gebildet, um die Kristallisation zu erschweren und ein mögliches Glas mit akzeptablen Abschreckraten zu erhalten. Metallische Gläser haben keine kovalenten Bindungen, daher wird auch nicht von Netzwerkbildnern/-modifikatoren gesprochen.
NetzwerktrainerNetzwerktrainer sind Dinge, die alleine einen Drink formen können. Die gebräuchlichsten Formelemente sind Silizium Si (in seiner Oxidform SiO 2), Bor B (in seiner Oxidform B 2 O 3), Phosphor P (in seiner Oxidform P 2 O 5), Germanium Ge (in seiner Oxidform GeO 2) und Arsen As (in seiner Oxidform As 2 O 3).
Dies sind Metallelemente mit ziemlich hoher Wertigkeit (normalerweise 3 oder 4 mal 5), die mit den Sauerstoffatomen iono-kovalente Bindungen (mittel kovalent mittel ionisch ) bilden. Sie ergeben Polyeder mit geringer Koordination (3 oder 4), wie SiO 4, BO 4oder BO 3. Diese Polyeder sind durch ihre Ecken verbunden und bilden das Glasnetzwerk.
NetzwerkmodifikatorenNetzwerkmodifikatoren (oder Nicht-Trainer) können selbst kein Glas bilden. Dies sind hauptsächlich Alkalien , Erdalkalien und in geringerem Maße bestimmte Übergangselemente und Seltene Erden .
Sie sind in der Regel größer (größerer Ionenradius) als Gitterbildner, schwach geladen und ergeben hochkoordinierte Polyeder. Ihre Bindungen mit Sauerstoffatomen sind ionischer als die von Formern hergestellten.
Sie können zwei sehr unterschiedliche strukturelle Rollen haben, entweder echte Netzwerkmodifikatoren oder Lastkompensatoren.
Die Zwischenelemente haben unterschiedliche Verhaltensweisen: Einige dieser Elemente sind je nach Zusammensetzung des Glases entweder formgebend oder modifizierend, während andere weder die eine noch die andere dieser Funktionen, sondern eine Zwischenrolle haben.
Die wichtigsten Zwischenelemente in den Oxidgläsern sind Aluminium Al, Eisen Fe, Titan Ti, Nickel Ni und Zink Zn.
Farbige ZentrenVon Metallen und Oxiden von Metall können während des Glasherstellungsprozesses zugesetzt werden , um seine beeinflussen Farbe .
Die Farbe von Glasverpackungen hat Einfluss auf die Konservierung des Inhalts. Wenn Hopfen einem Licht mit vielen Wellenlängen von Blau bis Ultraviolett ausgesetzt wird, entsteht Mercaptan , eine chemische Verbindung mit starkem Geruch. Bierflaschen haben oft eine dunkle Farbe, die diese Wellenlängen herausfiltert. Die grüne Farbe, die das Blau schlecht filtert, ist hopfenarmen Bieren vorbehalten.
GlasübergangAus einem thermodynamischen Standpunkt aus ist, Glas aus einer erhaltenen kühlten flüssigen Phase bei dem verfestigte Glasübergangspunkt , T v .
Für eine gegebene Zusammensetzung interessieren wir uns für die Variation einer thermodynamischen Größe erster Ordnung, wie das von dieser Phase eingenommene Volumen (bei konstantem Druck ) oder eine der thermodynamischen Funktionen der molaren Energie , wie die Enthalpie H , für (wir hätten auch die innere Energie U wählen können ).
Schauen wir uns die Abkühlung einer Flüssigkeit an. A priori entspricht bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur T f ( T f ist druckabhängig) der thermodynamisch stabilste Zustand dem kristallisierten Zustand (niedrigstmögliche Enthalpie). Bei T f beobachten wir dann eine Variation von H oder des Volumens: Dies ist eine Modifikation einer thermodynamischen Größe erster Ordnung, die einer Zustandsänderung entspricht. Unter T f beobachten wir auch eine Änderung der Steigung von H (diese Steigung ist bei einem Festkörper viel schwächer als bei einer Flüssigkeit).
Wenn jedoch beim Abkühlen der Flüssigkeit die Viskosität zu hoch ist oder das Abkühlen sehr schnell erfolgt, hat die Kristallisation keine Zeit und man erhält dann eine unterkühlte Flüssigkeit . Bei T f wird dann keine Diskontinuität von H beobachtet und seine Steigung bleibt unverändert. Mit fortschreitender Abkühlung nimmt die Viskosität der Flüssigkeit exponentiell zu und die unterkühlte Flüssigkeit wird fast fest. Wenn er 10 13 Poise erreicht , verhindert die Steifigkeit lokale mikroskopische Bewegungen und es wird eine Änderung der Steigung der Enthalpie beobachtet: Es gibt keine Änderung der thermodynamischen Größe erster Ordnung, sondern eine Änderung der thermodynamischen Größe zweiter Ordnung wie der Koeffizient der Expansion oder der Wärmekapazität (die durch Dilatometrie bzw. Differentialscanningkalorimetrie beobachtet werden ). Die Temperatur , bei der diese Änderung stattfindet , wird die angerufene Glasübergangstemperatur , T v . Der Glasübergang wird daher "thermodynamischer Übergang zweiter Ordnung" genannt (im Gegensatz zur Fusion, die ein Übergang erster Ordnung ist). Der Glasübergang resultiert aus einem Verlust der atomaren Mobilität beim Abkühlen. Sie ist nicht intrinsisch und hängt daher von der Abkühlgeschwindigkeit ab: Sie steigt mit zunehmender Abschreckgeschwindigkeit . Für eine Temperatur unter T v ist das Material ein Feststoff mit der strukturellen Unordnung einer Flüssigkeit : es ist ein Glas. Die Unordnung und damit die Entropie ist in einem Glas höher als in einem Kristall . Unter T v variiert die Entropie (Enthalpie oder Volumen) für Glas und für Kristall in gleicher Weise. Theoretisch könnten wir jedoch , wenn das Glas ausreichend langsam abgekühlt wird und T v sinkt, durch Extrapolation der Entropievariation der unterkühlten Flüssigkeit ein Glas mit einer geringeren Entropie als das entsprechende Kristall erhalten: Dies ist das sogenannte Kauzmann-Paradox . Die Alternative zu diesem Paradox bleibt umstritten.
Der kontinuierliche Übergang vom flüssigen Zustand in den glasigen Zustand erfolgt innerhalb eines Temperaturbereichs, der durch die Schmelztemperatur ( T f ) und die Glasübergangstemperatur ( T v ) begrenzt wird. Die Glasübergangszone umrahmt T v . Unterhalb von T v gerät das Glas "aus dem Gleichgewicht": es entfernt sich von seinem thermodynamischen Gleichgewicht, da die atomaren Beweglichkeiten nicht mehr ausreichen (die Viskosität nimmt zu), um ein Gleichgewicht zu erreichen (es bewegt sich also von d weg, je größer das Gleichgewicht ist desto höher die Abkühlgeschwindigkeit). Außerhalb des Gleichgewichts wird Glas als isostrukturell einer Flüssigkeit höherer Temperatur bezeichnet (dies wird als fiktive Temperatur bezeichnet). Die zum Erreichen des Konfigurationsgleichgewichts (thermodynamisches Gleichgewicht) notwendige Relaxationszeit ist dann größer als die Erfahrungszeit. Daher ist Glas ein metastabiles Material , das sich unweigerlich in Richtung eines Gleichgewichtszustands entwickelt (bis seine fiktive Temperatur seiner effektiven Temperatur entspricht).
ViskositätEine der wesentlichen Eigenschaften von Gläsern ist die Möglichkeit, sie durch Blasen oder Zerfasern zu formen . Dies liegt daran, dass durch das Erhitzen von Glas seine Viskosität kontinuierlich verringert wird, während bei einem kristallinen Feststoff eine starke Viskositätsänderung zum Zeitpunkt des Schmelzens beobachtet wird. Das Eis hat eine Viskosität bei der Temperatur leicht negativ, in der Größenordnung von 10 14 Pas (Berechnung aus der Forbes Bands Ice Sea ) , während die Viskosität der Wasser Flüssigkeit im Bereich von 10 - 3 Pa s . Wasser ist daher 100 Millionen Milliarden Mal flüssiger als Eis, und es gibt keine Form von Eis mit einer solchen Viskosität, dass es wie Glas geblasen werden kann (es gibt kein Eis mit einer mittleren Viskosität zwischen 10 14 und 10 −3 Pa s bei Umgebungsdruck ). Das gleiche gilt für Stahl und alle gängigen Metalle. Beim Erhitzen nimmt die Viskosität eines Glases kontinuierlich ab, typischerweise 10 45-50 Pa s , für ein Fensterglas bei Raumtemperatur, bei 1-10 Pa s bei 1500 - 1550 °C . Es gibt keine plötzliche Viskositätsänderung, da Glas keinen thermodynamischen Übergang erster Ordnung (Schmelztemperatur) aufweist. Wir können daher eine gute Temperatur für ein Glas finden, wenn es nicht kristallisiert, wo es genau die richtige Viskosität hat, um es zu blasen, zu faseren, zu formen, zu dehnen, zu gießen oder auf andere Weise zu formen.
Bestimmte Viskositäten sind aus industrieller und wissenschaftlicher Sicht für die Glasherstellung wichtig. Durch allmähliches Erhitzen des Glases durchläuft es Viskositäten , :
Die "Länge" eines Glases wird durch die Temperaturdifferenz zwischen seinem Pourpoint und seinem Arbeitspunkt definiert. Ein "langes" Glas ist ein Glas, das ein Glasbläser lange Zeit im Freien arbeiten kann, bevor seine Viskosität zu groß wird (da es abkühlt). Ein "kurzes" Glas ist ein Glas, das nur für kurze Zeit funktionieren kann.
Eine Flüssigkeit, die ignoriert wird?Glas wird oft als außerordentlich viskose Flüssigkeit beschrieben und sein Festkörpercharakter wird oft diskutiert. Glas wird manchmal als eine Flüssigkeit beschrieben, die ignoriert wird, weil sie bei Raumtemperatur die Eigenschaft hätte, zu fließen. Erinnern wir uns zunächst daran, dass diese Eigenschaft nicht spezifisch für Glas ist: Eis zum Beispiel fließt, obwohl ein kristalliner Feststoff, im Maßstab menschlicher Zeit mit einer Viskosität bei -13 °C kaum größer als die von Gläsern bis zu ihrem T v . Erinnern wir uns also daran, dass der feste Charakter in der Rheologie nur in Bezug auf die Beobachtungszeit definiert ist. Die mechanische Relaxationszeit eines Körpers ist im Sinne von Maxwell definiert als das Verhältnis zwischen seiner Viskosität und seinem Schub-E-Modul . Sie liegt in der Größenordnung des Kehrwerts der Frequenz der mit der Strömung verbundenen Atombewegungen. Die Deborah-Zahl ist definiert als das Verhältnis von Relaxationszeit und Beobachtungszeit. Ein Körper heißt fest, wenn diese Zahl viel größer als 1 ist, ansonsten flüssig.
Die meisten Silikatgläser haben Umgebungsrelaxationszeiten, die das Alter des Universums überschreiten , und daher Deborah-Zahlen viel größer als 1, selbst wenn man eine Beobachtungszeit in der Größenordnung des Alters der Menschheit berücksichtigt. Sie sind Feststoffe im rheologischen Sinne . So nach Daniel Bonn, vom Laboratorium für Statistische Physik des ENS, wenn die Glasfenster der Kathedralen oder der Spiegel des Spiegelsaals im Schloss von Versailles an der Basis dicker sind als an ihrem oberen Ende , es ist Tatsache des verwendeten Herstellungsverfahrens, wobei der dickere Teil aus Stabilitätsgründen ausgelegt ist. Andererseits haben einige Gläser, einschließlich Chalkogenidgläser , einen relativ niedrigen T v , nahe der Umgebung. Dies ist bei amorphem Selen oder schwarzem Selen ( T v = 42 °C ) der Fall , das eine Relaxationszeit bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 15.000 s (3,7 h ) hat. Der Fluss von amorphem Selen ist daher bei Raumtemperatur leicht zu beobachten, obwohl er unterhalb seiner T v liegt .
Doch obwohl die Idee der „gefrorenen Flüssigkeiten“ als erstes mit dem Wort Glas gleichgesetzt wird, ist es aus materialphysikalischer Sicht nur ein winziger Teil dessen, was dieses Wort ausmacht. Dieses Bild ergibt sich aus der Tatsache, dass die gebräuchlichste Methode zur Herstellung eines Glases darin besteht, das Material zu schmelzen und dann schnell abzukühlen und eine Kristallisation zu vermeiden, wie oben im Abschnitt Hauptkomponenten angegeben . Es gibt andere Amorphisierungsmethoden wie mechanisches Mahlen , Konzentration ohne Kristallisation (Kondensation eines Dampfes an einer kalten Oberfläche oder Konzentration eines gelösten Stoffes in Lösung), Lyophilisierung oder sogar Zerstäubung . Im Französischen wird das Wort "Glas" manchmal nur für amorphe Feststoffe verwendet, die durch das Abschrecken der Flüssigkeit entstehen. Ein Glas ist in Wirklichkeit und aus materialphysikalischer Sicht ein amorpher Feststoff, der das Phänomen des Glasübergangs aufweist , unabhängig von der Methode zur Gewinnung des verwendeten Glases. Insbesondere im Englischen gibt es diese Unterscheidung nicht.
Bei einigen Materialien gibt es strukturelle Unterschiede zwischen flüssig und amorph. Die Glucose hat zwei anomere Formen , α und β. In der Raman-Spektroskopie gibt es eine Zone namens „anomerisch“, die es ermöglicht, diese beiden Formen zu unterscheiden. Die Raman-Spektren der β-Glucose-Gläser, die durch Abschrecken der Flüssigkeit und durch mechanisches Kryomahlen erhalten wurden , sind anders dargestellt, wobei zusätzliche Schwingungsbanden in der abgeschreckten Flüssigkeit aufgrund der Mutarotation der in der flüssigen Glucose enthaltenen Glucose vorhanden sind. Dies zeigt, dass ein Glas, das aus dem Abschrecken einer Flüssigkeit resultiert, und ein Glas, das aus einem mechanischen Mahlen resultiert, strukturell unterschiedlich sein können.
Das Bild der „gefrorenen Flüssigkeit“ ist daher ein Sonderfall des amorphen Festkörpers. Der derzeitige Konsens zur Definition von Glas lautet „nicht kristalliner Feststoff“.
TransparenzEinige Gläser sind im sichtbaren Bereich transparent, dies ist insbesondere bei den meisten Silikatgläsern der Fall und dies ist eine der am meisten ausgenutzten Eigenschaften von Gläsern. Andere sind in anderen Wellenlängenbereichen transparent, wie zum Beispiel Chalkogenidgläser . Herkömmliches Fensterglas ist von UV bis mittlerem Infrarot transparent, es lässt UV-B und UV-C nicht durch. So kann man sich hinter einem Fenster bräunen, da UV-A durchgelassen wird, aber Sonnenbrand ist sehr schwer zu fangen. Gläser , die transparent sind , sind immer transparent nur in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen beschränkt zu niedrigeren Wellenlängen durch die Bandgap - Energie und hohe Wellenlängen durch das multi- Phonon Cutoff .
Silikatgläser haben aufgrund des Siliziums eine große Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ( 9 eV bei Quarzglas, 1 bis 3 eV bei Chalkogenidgläsern). Damit ein Photon von Glas absorbiert werden kann, muss es genügend Energie haben, um Valenzelektronen in das Leitungsband anzuregen. Wenn das Photon eine zu niedrige Energie (eine zu lange Wellenlänge) hat, um einem Elektron zu erlauben, die Bandlücke zu durchqueren, wird es durchgelassen und das Glas ist für diese Photonenenergie transparent.
Aufgrund der Unordnung, die ein Glas charakterisiert, erstrecken sich das Valenz- und das Leitungsband in das verbotene Band (sie bilden sogenannte Bandschwänze) und reduzieren die Energie, die das Valenzband und das Leitungsband trennt. Die optische Absorptionsgrenze (untere Grenze in der Wellenlänge, bei der das Glas zu übertragen beginnt) ist daher nicht abrupt (es gibt keinen genauen Schwellenwert der Photonenenergie, ab dem die Transparenz beginnt), sondern progressiv, ein winziger Bruchteil der Photonen kann sogar absorbiert werden bei Energien viel niedriger als die Bandlückenenergie. Diese Zone geringer Absorption entspricht dem „Schwanz von Urbach“.
Mit der Schwingung des Atomgitters assoziieren wir auch ein Quasiteilchen namens „ Phonon “. Phononen wechselwirken mit Photonen auf verschiedene Weise (siehe Raman-Streuung und Brillouin-Streuung ). Phononen können miteinander wechselwirken und ein elektrisches Moment erzeugen, das die elektromagnetische Strahlung beeinflusst: dies wird als Multiphononenabsorption bezeichnet. Bei hohen Wellenlängen (niedrigen Energien) transmittieren Gläser daher aufgrund von Photon-Phonon-Wechselwirkungen nicht mehr. Bei Silikatgläsern entspricht die Dehnungsschwingung der Si-O-Bindung einer Wellenlänge von 8,9 µm , daher absorbiert das Glas bei dieser Wellenlänge sehr stark. So sehr, dass bereits die erste Harmonische (doppelte Frequenz, also doppelt so schwache Wellenlänge: 4,5 µm ) eine sehr starke Absorption erzeugt.
Die Schwingungsfrequenz eines Atomgitters und damit die Energie des Phonons ist umgekehrt proportional zur Masse der Atome. Da die chalkogenen Elemente relativ schwer sind, verschieben sie die Grenze der Transparenz bei längeren Wellenlängen (niedrigeren Energien) als Silikatgläser. Chalkogenidgläser sind daher im Infraroten weiter transparent als Silikatgläser.
Jede Art von Verunreinigung im Glas induziert eine oder mehrere Absorptionsbanden, die seine Transparenz stören; bei Fensterglas ist Eisen (seine Oxide) die Verunreinigung, die den grün-bläulichen Farbton erzeugt, der durch Betrachten eines Fensters am Rand erkannt werden kann. Silica-Gläser mit vielen Verunreinigungen, wie zB REFIOM- Glas , sind nicht transparent, sondern schwarz.
Metallische Gläser (amorphe Metalllegierungen) haben freie Elektronen, sie sind Leiter und haben daher keine Bandlücke. Dadurch sind sie nicht transparent.
Chemische Beständigkeit und GlasveränderungIndustrieglas ist mit den meisten chemischen Verbindungen gut verträglich; Flusssäure (HF) zersetzt jedoch leicht Glas.
Die Gläser sind nicht unempfindlich gegen die Einwirkung von Wasser oder Luft . Wasser beeinflusst die meisten Eigenschaften von Glas, wie beispielsweise seine Viskosität. Eine der bekannten Auswirkungen von Wasser auf Glas ist die „subkritische Ausbreitung“: Durch Hydrolysereaktionen breiten sich in Gläsern unter Spannung nach und nach Risse aus, die mehr oder weniger langfristig zu deren Bruch führen können. Dies verhindert natürlich nicht, dass es mehrere Millionen Jahre alte und unveränderte Gläser gibt, denn die Empfindlichkeit von Gläsern gegenüber Veränderungen hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung ab.
Mechanische Beständigkeit: ZerbrechlichkeitGlas scheint im gesunden Menschenverstand ein zerbrechliches Material zu sein . Silikatgläser sind, wie die meisten Oxid- oder Chalkogenidgläser, bei Raumtemperatur in dem Sinne brüchig, dass sie ohne bleibende Verformung gebrochen werden können (im Gegensatz zu einem duktilen Material wie Blei, das verformt und gebogen werden kann, bevor es bricht). Es ist jedoch möglich, ein Glas unter hohem Druck dauerhaft zu verformen: dies wird als „Verdichtung“ bezeichnet. Die glasige Kieselsäure kann somit ihr Volumen um fast 25 % reduzieren. Die Zerbrechlichkeit von Gläsern und damit das Fehlen eines plastischen Verformungsmechanismus bei Umgebungstemperatur und -druck ist auf ihre starken Atombindungen (meist kovalent oder ionisch) zurückzuführen. Im Allgemeinen würde man erwarten, dass ein Material mit hohen Bindungsenergien mechanisch sehr stark ist, da viel mechanische Energie benötigt wird, um seine Bindungen aufzubrechen ( Diamant ist das typische Material, das diese Bindung unterstützt). Idee). Wir wissen jetzt, dass der kleinste Oberflächenkratzer auf diesen Materialien durch ein Phänomen der Spannungskonzentration der Auslöser eines Risses und dann eines Bruchs ( Bruch ) sein kann. Da es fast unvermeidlich ist, dass ein hartes Material wie Glas kantige Defekte an der Oberfläche aufweist, zählt zur Charakterisierung seiner mechanischen Beständigkeit nicht seine Energie der Atombindungen, sondern seine Zähigkeit , d. h. der Widerstand gegen die Ausbreitung dieser Defekte. Die Zähigkeit des Oxidglas ist relativ niedrig (0,5- 1,0 MPa . √ m ) oder fast hundertmal kleiner als das aktuelle Metall. Die Zähigkeit von Silico-Soda-Kalk-Gläsern kann jedoch durch thermisches oder chemisches Vorspannen erheblich gesteigert werden . Die meisten Smartphone- und Tablet- Bildschirme sind heute chemisch vorgespannte dünne Gläser.
Spontanes Zerbrechen des GlasesEs gibt viele Zeugnisse von Menschen, die Glasbehälter beobachtet haben, die "von selbst explodieren", ohne berührt zu werden. An diesem Phänomen ist nichts Paranormales. Damit ein Glas bricht, reicht es aus, dass es einen Riss aufweist und dass eine Zugspannung die Rissausbreitung bewirkt (dies ist die Grundlage der Definition von Zähigkeit ). Bei zu geringer Spannung bewegt sich der Riss nicht. Silikatgläser sind jedoch wasserempfindlich, und bei einer Zugspannung unterhalb dieser Schwelle kann eine Hydrolysereaktion den Riss vorantreiben: dies wird als unterkritische Ausbreitung bezeichnet. Der Riss kann dann unter dem einfachen Einfluss der Luftfeuchtigkeit sehr langsam Nanometer für Nanometer voranschreiten. Die Spannung kann von einem schlechten Glühen des Glases herrühren. Sobald der Riss eine kritische Größe erreicht hat oder in einen Bereich hoher Spannung eingetreten ist, platzt das Glasteil. Je nach Luftfeuchtigkeit, Temperatur, thermischer Vorgeschichte des Glases und der anfänglichen Rissgröße kann der Prozess Jahre dauern.
Bei thermisch vorgespanntem Glas kann das Phänomen prinzipiell vermieden werden. Die Verglasung kann jedoch einer Belastung durch Nickelsulfid (NiS) ausgesetzt sein, die aus den Rohstoffen (Kalzit, Dolomit) stammt. Bei der Erwärmungstemperatur der Wärmebehandlung ändert das NiS seine Phase (α, stabil ab 379 ° C) und zieht sich zusammen (von 2 auf 4 %), und während des Abschreckens hat es keine Zeit, in seine stabile Phase (β) zurückzukehren bei Raumtemperatur und verbleiben in der α-Phase. Da diese Phase jedoch metastabil ist, kehrt sie nach und nach durch erneute Vergrößerung (die lange dauern kann) in die β-Form zurück, was enorme Spannungen im Glas und deren "spontane Explosion" lange nach dem Einbau der Verglasung erzeugt.
ProjektileinschlägeGlas ist je nach Dicke, Zusammensetzung und Herstellungsverfahren mehr oder weniger widerstandsfähig gegen Stöße, Stürze und Stöße.
Es hat sich gezeigt, dass für eine gegebene Linse die Anzahl der sternförmigen Risse, die um einen Auftreffpunkt (z. B. eines Geschosses) gezählt werden, die relative Geschwindigkeit des Projektils gegen das Glas zum Zeitpunkt des Aufpralls widerspiegelt. Im Falle eines Unfalls oder der Verwendung einer Schusswaffe gegen Glas wird es somit möglich, Informationen über die Geschwindigkeit des Geschosses (und damit über die Entfernung zum Schützen, wenn wir die Art der Waffe und der verwendeten Munition kennen ) zu erhalten; Laut Tests, die an Projektilen durchgeführt wurden, die mit einer immer höheren Geschwindigkeit von bis zu 432 km / h abgefeuert wurden, gilt: Je größer die kinetische Energie, desto größer die Anzahl der Risse, wobei eine einfache Gleichung diese beiden Einstellungen verbindet. Umgekehrt können wir nun auch auf die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zum Zeitpunkt eines Unfalls schließen, indem wir die Risse in einem während des Unfalls perforierten Scheinwerfer oder Windschutzscheibe beobachten.
Darüber hinaus beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen in einem 5 mm dicken gehärteten Glas nach Messungen von Amateuren etwa 1.458 m / s .
Die folgenden Werte sollen nur eine Größenordnung darstellen, da es mehrere Glassorten gibt, von schweren Feuersteinen (mit Blei beladen; Dichte variiert von 2.500 bis 5.900 kg / m 3 ) bis hin zu Fensterglas Standard (2.500 kg / m 3 ) durch Kronen (von 2.200 bis 3.800 kg / m 3 ) usw.
Physikalische Eigenschaft | Wert | Einheit |
---|---|---|
Volumenmasse | 2.500 | kg / m 3 |
Elastizitätsmodul | 69.000 | MPa |
Poisson-Koeffizient | 0,25 | |
Elastizitätsgrenze | 3.600 | MPa |
Elastizität | von 1.500 bis 2.500 | Pa |
Koeffizient linearen Ausdehnungs | von 0,5 bis 15 × 10 -6 | / °C |
Wärmeleitfähigkeit | 1 | Wm −1 K −1 |
Glaseigenschaften können durch statistische Analyse von Glasdatenbanken, zB SciGlass und Interglad , berechnet werden . Wenn die gewünschte Glaseigenschaft nicht mit Kristallisation (z. B. Liquidustemperatur ) oder Phasentrennung zusammenhängt, kann eine lineare Regression unter Verwendung üblicher Polynomfunktionen bis zum dritten Grad angewendet werden . Unten ist ein Beispiel für eine Gleichung zweiten Grades. Die C - Werte sind die Komponentenkonzentrationen von Glas, wie Na 2 Ooder Prozent CaO oder andere Fraktionen, die b- Werte sind Koeffizienten, und n ist die Gesamtzahl der Glaskomponenten. Hauptbestandteil von Glas, Siliziumdioxid SiO 2, ist in der folgenden Gleichung aufgrund der Überparametrierung ausgeschlossen, aufgrund der Einschränkung, dass sich alle Komponenten zu 100 % summieren. Viele der Terme in der folgenden Gleichung können durch Korrelations- und Signifikanzanalysen übersehen werden.
Glaseigenschaft =
Vorhersage durch Deep Learning („ Deep Learning “)Da die Eigenschaften eines Glases recht schwer vorherzusagen sind, insbesondere an der Schwierigkeit, universelle Modelle für jede Eigenschaft zu erstellen, orientieren sich die derzeitigen Lösungen zur Vorhersage der Eigenschaften von Gläsern und ermöglichen die Entwicklung neuer Gläser mit spezifischen Eigenschaften, da wenig, in Richtung Deep Learning . Schematisch besteht das Prinzip darin, ein neuronales Netz durch maschinelles Lernen (das ist künstliche Intelligenz ) zu trainieren , um die Eigenschaften vieler bereits bekannter Brillen (typischerweise 100.000) zu bestimmen, so dass es anschließend in der Lage ist, durch Extrapolation die Eigenschaften von Brillen nie vorherzusagen vor entwickelt. Diese Methode ermöglicht es, sich von jedem physikalischen Modell zu befreien, das jahrzehntelange wissenschaftliche Forschung noch nicht etabliert hat.
Naturglas ist jede Art von Glas, die natürlich geformt wird. Es gibt zwei Hauptfamilien: biologisches Glas und geologisches Glas.
Bio-GlasDie am meisten Glas produzierende Spezies auf der Erde ist nicht der Mensch, sondern die Familie der Kieselalgen . Tatsächlich werden diese einzelligen Algen durch eine Glashülle mit überraschenden und zarten Formen geschützt. Da es sich um Plankton handelt , hat dieses Glas eine beträchtliche Dichte und ist viel höher als die von in der Industrie hergestelltem Glas. Seit 2008 haben Wissenschaftler begonnen, die Details der Synthese zu identifizieren : Sie beginnt mit Silikaten, die im Meerwasser vorhanden sind, und sie beginnen zu wissen, wie ähnliche Reaktionen im Labor reproduziert werden können. Diese Herstellung erfolgt unter weichen chemisch- physikalischen Bedingungen , dh es sind keine hohen Temperaturen und Drücke erforderlich .
Der große Vorteil von Glas für die Kieselalge besteht darin, dass es die Photosynthese nicht behindert, indem es Licht durchlässt. Es wird zum Zeitpunkt der Meiose sehr schnell synthetisiert .
Geologisches GlasViele Silikatgesteine neigen, wenn sie schnell genug abgekühlt werden, zum Verglasen. Wir beobachten dieses Phänomen insbesondere auf der Erde in der Nähe von Vulkanen, wo wir zum Beispiel die Bildung von Obsidian , Bimssteinen (mit einer Zusammensetzung im Allgemeinen nahe Obsidian), Tachylyt , Palagonit beobachten können .
Die Fulgurite sind ein weiteres Beispiel für natürliches Glas, das durch einen Blitzeinschlag erzeugt wird (meist Sand). Der Impaktit entsteht durch den Einschlag eines Meteoriten. Seine bekannteste Form ist das lybische Glas. Der Mond hat auch Gestein, das durch Meteoriteneinschläge auf seiner Oberfläche verglast wurde. Wir sprechen dann von Mondglas.
Im Gegensatz zu den im Krater gefundenen Impaktiten werden die Tektite zum Zeitpunkt des Einschlags aus dem Krater bis zu Entfernungen von bis zu 2.000 km ausgestoßen . Beim Aufprall kann das auftreffende Gestein aufstauen und geschmolzen werden, da die Temperatur typischerweise 1600 °C übersteigt . Da die Atmosphäre durch das Meteoritenprojektil beim Einschlag geblasen wurde, liegen die Übergangselemente wie Eisen überwiegend in reduzierter Form vor. Die geschmolzenen Ejekta, die aus einer Mischung aus Hülle und Impaktor bestehen, nehmen eine ballistische Flugbahn mit mehreren km / s ein und werden niedrigen Drücken ausgesetzt. Während ihrer Reise durch die Atmosphäre erfährt die Silikatflüssigkeit eine extrem schnelle Abschreckung . Tektite zeichnen sich durch verschiedene und manchmal überraschende Morphologien (Kugel, Hantel, Tropfen, Birne, Riss usw. ) entsprechend ihrer thermischen Vorgeschichte, ihrer Rotationsgeschwindigkeit und ihrer Erosion nach dem Fallout aus.
Kometen würden auch aus "Glas Wasser" oder amorphem Eis bestehen .
Bioaktive Gläser oder Biogläser sind Materialien, die in der rekonstruktiven Chirurgie als Knochenersatz verwendet werden.
Durch Extrapolation wird der Name Glas für andere amorphe Materialien verwendet.
Zum Beispiel ergeben Mischungen auf Basis von Zirkonium- , Barium- , Lanthan- und Aluminiumfluoriden fluorierte Gläser, die im ultravioletten und nahen Infrarot transparenter sind als Quarzglas. Sie werden daher verwendet, um optische Instrumente für diese Strahlung herzustellen.
Viele Brillenlinsen werden mit aus organischen Linsen , die auf Kohlenstoff basierenden Polymere, sind , wie Bisphenol - A - Polycarbonat oder Allyl Polycarbonat.
Einige Metalllegierungen können durch sehr schnelles Abkühlen mit amorphem Gefüge erstarrt werden , sie werden dann als metallische Gläser bezeichnet . Beispielsweise kann das geschmolzene Metall auf eine mit hoher Geschwindigkeit rotierende Kupfertrommel geschleudert werden. Diese Legierungen werden beispielsweise für die Kerne von Transformatoren verwendet . Tatsächlich ist ihr Hysteresezyklus sehr gering, was die Verluste erheblich reduziert.
Abscheidungen von amorphen Metalllegierungen (Al-Cu-Fe) können durch Vakuumabscheidung erhalten werden .
Abgesehen von dünnen Schichten, die mit verschiedenen Methoden abgeschieden werden, ist der Prozess der Glassynthese sehr oft der folgende: Schmelzen, Tempern und Tempern (die „ Melt Quenching“-Methode , auf Englisch).
Bei Kalknatrongläsern werden die für die Glassynthese notwendigen Elemente, in der Regel Oxide (Kieselsäure) und Karbonate (Calciumkarbonate, Natriumkarbonate) vermischt und anschließend zum Schmelzen gebracht. Als Glas wird Standardglas verwendet, weißer Sand, Soda, Kalk und Glasscherben (die Scherben ), die bei 1550 °C tragen . Das Glas wird dann, insbesondere bei großen Mengen, oft veredelt: Durch hohe Temperatur wird es von Blasen befreit. Die relativ niedrige Viskosität fördert dann das Aufsteigen von Blasen an die Oberfläche. Es ist auch möglich, einen Homogenisierungsprozess, beispielsweise durch Mischen der Flüssigkeit, durchzuführen, wenn die Konvektionsbewegungen innerhalb der Flüssigkeit nicht ausreichen.
Wenn die geschmolzene Mischung sanft abgekühlt wird, neigt sie zur Kristallisation, da Kristall die thermodynamisch stabilste feste Form ist. Um eine Kristallisation zu vermeiden und eine amorphe Struktur, also ein Glas, zu erhalten, muss die Flüssigkeit stark abgekühlt werden: Wir sprechen von Tempern, obwohl es bei Gläsern nur selten darum geht, die geschmolzene Mischung in Wasser zu tauchen. Silikatgläser werden am häufigsten in Luft getränkt (abrupt aus dem Schmelzofen an die Umgebungsluft oder in einen anderen Ofen mit niedrigerer Temperatur gebracht). Die metallischen Gläser erfordern heftigere Temperamente, da die Abkühlung mitunter mehrere tausend Kelvin pro Sekunde erreichen muss. Die Chalkogenid-Gläser , das Schmelzen erfolgt in einer Silikat-Ampulle, werden oft durch Eintauchen des Fläschchens in Wasser oder Eis abgeschreckt.
Das Tempern bewirkt eine schnellere Abkühlung der Glasoberfläche (in Kontakt mit Luft) als des Kerns. Die Oberfläche kühlt ab, zieht sich zusammen und verfestigt sich. Dieses Phänomen erzeugt Spannungen im Glas. Dieses Phänomen ist bei Thermoschocks bekannt : Wenn man eine Glasschale bei 200 °C aus dem Ofen nimmt und sie unter einen kalten Wasserstrahl in die Spüle stellt, bricht sie, weil sich die Oberfläche bei Kontakt zusammenziehen möchte kaltes Wasser, aber das Herz, heiß, verhindert es. Dadurch wird die Oberfläche schlagartig gespannt, was zum Bruch führt. Beim Abschrecken nach dem Schmelzen zieht sich die Oberfläche zusammen, nicht aber der Kern. Aber das Herz, das sehr heiß ist, hat eine Viskosität, die niedrig genug ist, um die Kontraktion aufzunehmen. Das Glas bricht daher nicht, sondern bleibt stark eingespannt. Unbehandelt können diese Belastungen auf Dauer zu Glassplittern führen . Ein Glühen wird daher bei einer Temperatur nahe der durchgeführten Glasübergangstemperatur , so dass die Viskosität des Glases niedrig genug für die Spannungen entspannen in einer bis wenigen Stunden, abhängig von der Art und dem Volumen des Glases.
Liegt der Glasgegenstand in feiner Form vor, ist ein Glühen nicht unbedingt erforderlich, da der Wärmegradient zwischen Oberfläche und Kern gering bleibt: die Lichtleitfasern oder die Glaswolle werden nicht geglüht.
Wenn ein Glas schlecht geglüht ist, können die inneren Spannungen in polarisiertem Licht durch Photoelastizimetrie beobachtet werden . Dieses Experiment kann jeder machen: Ein Computerbildschirm liefert das polarisierte Licht, wir stellen das Glasobjekt vor und betrachten es mit einer polarisierten Sonnenbrille : Wenn ein "Regenbogen" im Glas erscheint, ist es schlecht geglüht.
Glas kann mit verschiedenen Methoden geformt werden, die in kontinuierliche und diskontinuierliche unterteilt werden können:
Klasse | Prozess | Definition | Beispiele |
---|---|---|---|
Abgesetzt | Blasen | Hohlglas | |
Gießen in eine Form | Das geschmolzene Glas wird in eine Form gegossen, die die Form des herzustellenden Gegenstands hat. | Hohlglas | |
Drücken | Das geschmolzene Glas wird in einer Form komprimiert, die die Form des herzustellenden Gegenstands hat. | Kathodenstrahlröhre , Hohlglas | |
Schleuderguss | Hohlglas | ||
Fortsetzung | Laminierung | Das geschmolzene Glas wird zwischen zwei Walzwalzen geleitet. | Flachglas (wenig gebrauchter Prozess) |
Zeichnung | Flachglas (wenig gebrauchtes Verfahren), Leuchtstoffröhre , Fiberglas | ||
Schwimmend | Das geschmolzene Glas wird auf ein Bad aus flüssigem Zinn gegossen und breitet sich dort zu einem durchgehenden Band aus. | Flachglas | |
Gießen auf dem Tisch | Das geschmolzene Glas wird auf einen Tisch gegossen und gerollt. | Flachglas (wenig gebrauchter Prozess) | |
Extrusion |
Glas auf Kieselsäurebasis wird seit dem Mittelalter vor allem in der Optik wegen seiner brechenden Eigenschaften ( Linsen , Brillengläser ) verwendet.
Oxidgläser sind bekannt für ihre Anwendung in der Optik des sichtbaren und nahen Infrarots (Linsen, Prismen, Spiegel seit dem Mittelalter; moderne Glasfaser für die Telekommunikation).
Die Transparenz von Silikatgläsern macht sie zu einem wesentlichen Element in der Entwicklung der modernen Solarenergie. Chalkogenidgläser werden derzeit für optische Infrarotanwendungen entwickelt, einschließlich Nachtsicht, Infrarotspektroskopie mit evaneszenten Wellen, Holographie und optoelektronische Anwendungen usw.
Es wird auch in verwendete Chemie und in der Lebensmittelindustrie : es reagiert sehr wenig mit den meisten der Verbindungen , die in diesen Bereichen verwendet wird , es ist daher ein ideales Material für Behälter ( Flaschen , Joghurt Töpfe , Becher , Erlenmeyerkolben , Säulen von Destillations Prüfstücke , Reagenzgläser ). Eine der wenigen Flüssigkeiten mit der Fähigkeit, Glas effektiv aufzulösen, ist Flusssäure (HF).
Glas ist das Material, in dem hochradioaktive Abfälle ( HAVL ) durch den Verglasungsprozess eingeschlossen werden. Glas widersteht als ungeordneter Strahlung auf Dauer durchaus gut im Gegensatz zu Metallen, deren Struktur dazu neigt, amorph zu werden und daher unter Bestrahlung seine mechanischen Eigenschaften zu verlieren. Außerdem altert Glas im geologischen Maßstab sehr gut, auch in Gegenwart von Wasser.
Glas ist auch in der Architektur ein sehr wichtiger Baustoff . Außerhalb des seit Mitte des XX. Jahrhunderts üblichen Glasfloatglases bilden Glasziegel, die seit hundert Jahren verwendet werden, horizontale und vertikale lichtdurchlässige Wände; es stammt von der antiken quadratischen Glasplatte. Die Glaspaste ersetzte die aus dem Mosaik entstandenen keramischen Elemente an den Fassaden in der modernen Architektur, bei der Abdichtung von Schwimmbädern; 2019 bringen „veredelte“ Bäder dieses Material wieder in Mode. Glas liegt heute insbesondere in Form von Glaswolle vor, einem leichten, verrottungssicheren und nicht brennbaren Isolator .
Glasfasern auf Silica-Basis spielen eine wichtige Rolle in aktuellen Strukturen durch optische Leiter, die Informationen von den verschiedenen Sensoren übermitteln, die eine kontinuierliche Überwachung der Strukturen ermöglichen.
Glas ist auch in der heutigen Automobilindustrie ein sehr wichtiger Werkstoff .
Chalkogenid-Gläser werden auch häufig in DVDs verwendet, wo sie Informationsträger sind. Glas ist auch in Hightech-Alltagsgegenständen präsent: Festplatten , Touchscreens, selbstreinigende Gläser und Glashersteller denken über viele zukünftige Anwendungen nach.
Einige Stähle können in amorpher Form, "metallisches Glas", erstarrt werden. Auch in Sportartikeln (Schneeschuhe, Skier, Schläger) wurden Metallbrillen eingeführt.
Diese Stähle besitzen aufgrund ihrer Isotropie interessante nichtmagnetische Eigenschaften, insbesondere speziell für den Bau von Tarnkappen- U-Booten . Sie haben außerdem eine große Härte und eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit.
Glas wird derzeit in vielen Anwendungen durch Kunststoffe ersetzt , die leichter und oft schlagfester sind .
Es kann in Form von Mikroperlen, Fasern (geschnitten oder nicht), Matten (Fasern, die „in loser Schüttung“ angeordnet sind) oder Geweben ( z. B. „ Taft “ -Webverfahren ) gefunden werden. In die Polymermatrix eingearbeitet oder auf die Oberfläche aufgebracht, werden diese Präsentationen insbesondere als Verstärkung (faserförmig oder nicht) von thermoplastischen ( Polyamiden ) oder duroplastischen ( Polyester , Epoxiden ) Harzen in Kunststoffen sowie in Verbundwerkstoffen verwendet .
Die künstlerische Verwendung von Glas ist seit Jahrhunderten zahllos. In der zeitgenössischen Kunst finden wir sowohl gebrochenes und geglühtes Eis als auch leuchtende Haute-Couture-Kleider. Sie haben viele technische Innovationen begleitet oder erforderten (mittelalterliche Glasmalerei, Glaspaste, Fusing, Thermoformen usw. ).
Das Glas kann modifiziert werden, um es zu verstärken und zu sichern:
Glas kann auch Oberflächenbehandlungen unterzogen werden , meistens Ablagerungen:
Die Glaswaren ist eine Tätigkeit Skala .
Seit der Antike haben Maler die Glasscheibe als Unterlage für die Malerei übernommen; unter anderem ist Hinterglasmalerei (oder Malen unter Glas oder Malen auf Glas ) eine schwierige künstlerische Technik, die direkt auf einer Glasplatte ausgeführt wird. Glas trägt Farbe wie eine Leinwand. An das Glas gelötet, betrachten wir die Arbeit durch diese Stütze. Somit dient das Glas sowohl als Träger als auch als Schutzlack. Beachten Sie, dass dies eine Kaltmaltechnik ist, sodass der Prozess kein Backen erfordert. Das Pigment wird durch ein öliges Bindemittel, meist auf Lackbasis, an das Glas gebunden. Ein Großteil der vor unserer Zeit verwendeten Farben ist derzeit zur Verwendung verboten (Gesundheit der Glasmacher).
Glas kann, wenn es gut sortiert ist ( selektive Sortierung ), unbegrenzt recycelt werden, ohne seine Qualitäten zu verlieren. In einigen Ländern wie Deutschland, Belgien, der Schweiz oder den nordischen Ländern kann für ein effizienteres Recycling zwischen Weiß-, Grün- und Braunglas unterschieden werden , und Mehrweg- und Mehrwegflaschen werden von Herstellern und Verbrauchern häufiger gewählt .
Graupel- und Glassplitter, die bei der Sammlung (durch Staub und anderen Abfällen verschmutzt) und der Reinigung von städtischen Straßen und imprägnierten Böden anfallen, werden jedoch von den Glashütten abgelehnt. Andere Verwendungen werden für sie gesucht oder werden getestet, um sie nicht weiter auf Deponien oder Verbrennungsanlagen schicken zu müssen ). Es kann als dekoratives Element (farbiges Glas) in Beton verwendet werden .
Im Asphalt , beispielsweise in Französisch- Guayana , werden seit Ende 2006 Glasabfälle (70 t gesammelt Ende 2006 mit einer ersten Teststelle Mitte 2007 im Zentrum von Cayenne) als Unterbau der Straßenschicht verwendet in Form von zerbrochenem Glas . Für 30 km Straße werden 4.600 t Glas benötigt . Diese Art der Wiederverwendung kann jedoch gefährliche Probleme mit sich bringen (auf Baustellen und vielleicht für die grabende Fauna ).
ÜberholungGebrauchte Glasflaschen können eingeschmolzen werden . Das so gewonnene Material ermöglicht die Herstellung neuer Flaschen.
Glas kann auch aus wiedergewonnenem Scherben (Glasbruch) hergestellt werden. Die Herstellung von Glas aus zurückgewonnenem Scherben spart Rohstoffe und Energie .
Vor dem Umschmelzen wird das Glas verschiedenen Behandlungen unterzogen: Schleifen, Waschen, Entfernen von Klebstoffen, Etiketten, Kapseln, Trennung von Glas und Metallen und Beseitigung von Abfällen (Porzellan, Steine usw. ).
In Frankreich wird der Großteil des Glases in Form von Glasscherben zurückgewonnen. Mehrwegglas wird in allen Bars und Cafés sowie für Bierflaschen aus dem öffentlichen Verkauf im Elsass gesammelt . Die Agentur für Umwelt- und Energiemanagement (Ademe) ist der Ansicht, dass der Vorteil der Ablage von Glasbehältern angesichts der relativ langen Versorgungswege in Frankreich nicht offensichtlich ist.
GepäckaufbewahrungBei diesem System werden die Flaschen gegen einen finanziellen Ausgleich im Ganzen zurückgewonnen, gewaschen und dann wiederverwendet.
In Europa ist die Hinterlegung von Mehrwegglas im Ermessen der Mitgliedstaaten zulässig, sofern dadurch keine Wettbewerbsverzerrungen entstehen und im Rahmen einer Umweltschutzpolitik.
Die Deutschland und Belgien favorisierten das Set. Kanada verwendet ein ähnliches System wie Deutschland und hat das Format von Bierflaschen standardisiert, um eine kostengünstigere und einfachere Wiederverwendung durch verschiedene Unternehmen zu ermöglichen.
Glas kann kristallisieren und mehr oder weniger opak oder sogar pulverig werden .
Die Aushubgläser können bei Kontakt mit im Boden vorhandenen Stoffen irisieren.
Ablagerungen oder chemische Veränderungen können seine Oberfläche verändern.
Die Gläser unterstützen in der Regel eine leichte Seife. Achten Sie jedoch bei der Vergoldung darauf, dass es besser ist, nicht zu reiben.
Im Prinzip hängt Glaskorrosion mit der Anwesenheit von H + -Ionen in H 2 O . zusammen.
Die Risse sind ungelöst und die Collagen sind aufgrund eines Brechungsindexunterschiedes im Allgemeinen sichtbar . Cyanacrylat - Klebstoffe und Silikone geben manchmal zufriedenstellende Ergebnisse, aber Epoxyklebstoffe zeichnen sich durch eine höhere Stabilität, ihr Brechungsindex nahe dem von bestimmter Gläser und ihrer niedrigen Viskosität bevorzugt. In der Vergangenheit haben wir hauptsächlich Kanadabalsam verwendet .