Стекло появилось много тысяч лет назад, и никто не знает, кто и как его изобрёл.

Фото Натальи Домриной.

Распределение напряжений в стекле при изгибающей нагрузке: а — напряжение в листе закалённого стекла без нагрузки; б — напряжение в отожжённом стекле; в — напряжение в закалённом стекле под нагрузкой.

Стекло — один из самых распространённых материалов, окружающих человека. И в то же время мы его чаще всего не замечаем — и когда смотрим в окно, и когда разглядываем витрины магазинов, и когда смотримся в зеркало. А всё потому, что чистое стекло прозрачно.

Стекло появилось много тысяч лет назад, и никто не знает, кто и как его изобрёл. Римский писатель и учёный Плиний Старший, живший в I веке, рассказывает, что как-то финикийские купцы развели огонь под сосудом, чтобы в пути сварить еду. Очаг они устроили, за неимением камней, из кусков соды, которая на жару расплавилась и образовала с песком и другими составными частями почвы первое рукотворное стекло. Вероятно, этот рассказ — выдумка. Хотя бы потому, что для расплавления соды нужна очень высокая температура, которую обычный костёр не даёт. Скорее всего, стекло изобрели представители одной из древнейших профессий — гончары. При обжиге глиняные сосуды, кирпичи нередко трескались. Поэтому их пытались предварительно обмазывать разными составами. Одна из смесей оказалась удачной: готовое изделие покрылось тонкой блестящей эмалью. Это и было первое стекло — непрозрачное и мутное. Но для гончарных изделий это не было недостатком. Со временем из смеси соды, песка и известняка (или мела) стали варить стекло, из которого делали украшения, флакончики для благовоний. Вводя в стекло различные добавки, научились окрашивать его в разные цвета.

Труднее всего было получить бесцветное прозрачное оконное стекло. Его не было даже у королей и императоров средневековой Европы. Окна построек представляли собой узкие щели или небольшие отверстия, которые в непогоду закрывали ставнями или завешивали кожами, холстами, или натягивали бычий пузырь. Самые богатые люди могли позволить себе вставить в окна прозрачные пластинки слюды. В Европе слюду добывали в Карелии. Большие пластинки слюды попадались редко и потому стоили очень дорого. Лишь в XIV веке в домах самых богатых людей появилось оконное стекло (в зданиях церквей его стали использовать раньше — примерно в X веке). Для выработки хорошего стекла прежде всего нужен был очень чистый белый песок, а он встречается нечасто. Обычный песок, содержащий примеси железа, окрашивает стекло в зелёный цвет. Поэтому когда-то все оконные стёкла были зеленоватыми. И чем больше в песке железа, чем песок темнее, тем менее прозрачным будет стекло. Сейчас из такого стекла делают бутылки.

Промышленность выпускает множество самых разнообразных сортов стекла: электровакуумное, светотехническое, оптическое, химико-лабораторное, термометрическое, медицинское, тарное, хрустальное… В их состав могут, помимо обязательного оксида кремния, входить оксиды разных элементов – алюминия, кальция, магния, бария, натрия, калия, железа, бора, цинка и даже мышьяка (например, в молочном светотехническом стекле).

Все знают, что основной недостаток многих стёкол — их хрупкость. Огромная масса стеклянных изделий ежедневно превращается в стеклянный бой. Помимо экономических убытков, разбитое стекло представляет опасность, так как свежий скол стекла очень острый. Недаром только что надломленную пластинку стекла можно использовать в качестве режущего инструмента в микротоме — приборе, делающем тончайшие срезы биопрепаратов для биологических исследований. Но оказывается, стекло можно сделать не только очень прочным, но и не дающим острых осколков.

Эта история началась давно — в XVII веке. Английский принц Руперт (полный титул — пфальцграф Рейнский, герцог Баварский) имел все шансы сделать блестящую военную карьеру. Но, оставив военную службу, он посвятил последние годы своей жизни искусству и науке. Одно из его открытий — закалённое стекло. Что же это такое?

Все знают, что бывает, когда в графин или гранёный стакан из толстого стекла наливают крутой кипяток: стекло лопается. Это происходит потому, что стекло — очень плохой проводник тепла; оно прогревается в сотни раз медленнее, чем, например, медь. Поэтому когда внутренняя часть стакана уже горячая, внешние его слои ещё холодные. В результате теплового расширения наружная часть изделия испытывает огромные нагрузки, которые оно часто не выдерживает. Чтобы толстостенные стеклянные изделия не разрушались, их следует нагревать (и охлаждать) медленно. Тем более это относится к изготовлению различных стеклянных изделий: после формования из полужидкой стеклянной массы их охлаждают до комнатной температуры очень медленно. Делается это в специальных печах, в которых температура понижается в течение многих часов. Эта процедура называется отжигом, а полученное таким образом изделие — отожжённым.

В плохо отожжённом стекле остаются внутренние напряжения, которые никак не изменяют его внешний вид (они видны только в поляризованном свете), но сильно ухудшают механические свойства. Эти напряжения часто концентрируются на краях, утолщённых частях изделий. В листовом стекле они могут следовать одно за другим, образуя как бы цепочку. Такое стекло очень трудно отрезать по прямой линии: неравномерно распределённые напряжения уводят трещину в сторону от нанесённой алмазом царапины.

Но отжечь стекло — только полдела. Поверхность даже хорошо отожжённого стекла, как правило, ослаблена множеством мельчайших трещинок, царапин, которые могут быть не видны невооружённым глазом. Особенно опасны микротрещины на краях стеклянных изделий. Именно с них и начинается разрушение. Под нагрузкой на концах трещинок концентрируются очень большие напряжения; трещина увеличивается и, в конечном счёте, прорезает всё изделие — оно раскалывается на части. Если каким-либо способом «залечить» поверхность стекла, сделать её очень ровной и гладкой, то такое стекло станет намного прочнее. Сделать это можно, например, химическим травлением поверхности. Если обычное оконное стекло опустить на несколько минут в смесь фтороводородной (плавиковой) и серной кислот, то с его поверхности будет стравлен слой толщиной до 0,1 мм. Оксид кремния из состава стекла при этом переходит в растворимый фторосиликат:

SiO₂•xH₂O+6HF→SiF₆^2-+(2+x)H₂O+2H⁺.

Чтобы обработанное таким образом стекло вновь не покрылось трещинками и царапинками из-за попадания на него пыли, а также для защиты от атмосферной влаги (она тоже понижает прочность стекла), его поверхность после сушки покрывают защитной плёнкой из кремнийорганических соединений. Частично «залечить» трещинки в только что купленном стакане можно и в домашних условиях. Для этого его надо осторожно нагреть в воде до её кипения и продолжать кипячение ещё минут десять. Такой стакан будет жить дольше.

В промышленности для упрочнения стекла его закаляют. Закалку осуществляют путём резкого охлаждения горячего стекла. Посмотрим, что будет, если расплавленное стекло вылить в холодную воду. Если лить его понемногу, отдельными каплями, то они не растрескиваются и после охлаждения остаются целыми. Если стекло нагрето до очень высокой температуры (когда оно совсем жидкое), то при падении в воду капельки стекла с достаточно большой высоты она превращается почти в идеальный шарик. Если же кончик стеклянной палочки расплавить на обычной горелке, которой пользуются стеклодувы, то образуется довольно вязкая капля, которая как бы нехотя отрывается от палочки и при этом тянет за собой стеклянную нить. При попадании в холодную воду такая капля принимает форму слезинки с длинным хвостиком. При вхождении в воду скорость падения капли резко замедляется, тогда как её полужидкий хвост продолжает двигаться с прежней скоростью. В результате хвостик у застывшей капли получается в виде змейки. Именно такие капли получил впервые принц Руперт, поэтому они названы его именем (другое название — батавские слёзки).

То, что слёзки остаются целыми, — далеко не самое удивительное их свойство. Они исключительно прочные: выдерживают сильные удары молотком по толстой грушевидной части. Но есть у слёзки ахиллесова пята: стоит надломить её тонкий хвостик поближе к основанию, как вся капля с треском рассыпается на мельчайшие кусочки. Если проводить этот эксперимент в темноте, то иногда видно свечение. Рассыпание слёзок может происходить с такой силой, что, если проводить опыт в стакане с водой, он разбивается, как при взрыве!

Чтобы объяснить необычные свойства слёзок, рассмотрим более подробно процесс их образования. При охлаждении капли возникают силы, которые тянут наружный слой внутрь, создавая в нём напряжения сжатия, а внутреннее ядро — наружу, создавая в нём напряжения растяжения. Отжиг (длительный нагрев при 100^оС) приводит к снятию напряжений, так как при повышенных температурах частицы стекла приобретают подвижность и переходят на свои «удобные» места.

Описанные свойства «рупертовых слёз» присущи в большей или меньшей степени всем стеклянным изделиям, которые не прошли отжиг. Такое стекло называется закалённым. Болонские стеклодувы, например, изготовляли круглые сосуды с толстым дном, которые быстро охлаждали на воздухе. Эти сосуды (их называли болонскими склянками) выдерживали сильные удары без разрушения. Но уже незначительные повреждения внутренней их части, например царапины, приводили к разрыву сосуда на части.

Высокая прочность закалённого стекла широко используется на практике. Если напряжения создаются в стекле направленно и равномерно, то они в значительной степени упрочняют его. Чтобы понять, почему это возможно, рассмотрим лист быстро охлаждённого с обеих сторон стекла.

Как и в случае шарика, наружные слои такого стекла будут испытывать сильное сжатие, которое по мере продвижения внутрь листа сначала уменьшается, а потом переходит в напряжение растяжения — оно максимально в центре, как это показано на рисунке. Распределение напряжений в нижней половине листа зеркально повторяет картину в верхней части.

Рассмотрим теперь, как будет вести себя под нагрузкой обычное стекло. Положим лист стекла на две опоры и надавим сверху. Верхняя изогнутая часть стекла будет испытывать сжатие, а нижняя часть — растяжение. Очевидно, что максимальные нагрузки приходятся на самые внешние слои — а они как раз и самые слабые — по причинам, о которых говорилось выше. При этом стекло начнёт разрушаться снизу, так как сжатие оно выдерживает в десять раз лучше, чем растяжение, как, впрочем, и другие материалы.

Проделаем ту же операцию с закалённым стеклом. Здесь прилагаемая механическая нагрузка приведёт к напряжениям, которые будут налагаться на уже имеющиеся в стекле. Казалось бы, это должно только ухудшить дело. Действительно, в верхней части стекла суммарное напряжение сжатия ещё более вырастет. Но дальше сложение напряжений приведёт к тому, что наиболее опасные напряжения растяжения будут максимальными где-то внутри листа, тогда как вблизи нижней поверхности напряжения могут оказаться очень малыми. Итак, под влиянием изгибающего усилия закалённое стекло испытывает по сравнению с отожжённым стеклом большее сжатие в верхнем слое и меньшее растяжение в нижнем слое. В результате на лист закалённого стекла, лежащего на двух опорах, могут встать несколько человек — лист прогнётся в 4—5 раз сильнее, чем обычное стекло, но не сломается! Закалённое стекло значительно превосходит обычное и по термическим нагрузкам — оно выдерживает перепады температур до 270^оС, тогда как обычное растрескивается уже при быстром изменении температуры на 70^оС.

Опыты по получению промышленного закалённого стекла начали проводить в последней четверти XIX века. Изобретателем особого «твёрдого стекла» считается итальянец де ла Басти. Стеклянные изделия, нагретые до красного каления, но не потерявшие своей формы, он погружал в ванну со смесью расплавленного жира и растительного масла, смешанных в определённой пропорции. Такую смесь можно было нагреть до нужной температуры (обычно от 150 до 300^оС) и таким образом регулировать скорость охлаждения в зависимости от состава стекла, формы изделия и его размеров. Испытывались и другие способы закалки — в расплавленном парафине при 200^оС, перегретым водяным паром, охлаждение листового стекла сдавливанием между холодными металлическими (или металлической и глиняной) пластинами. Такие опыты, в частности, проводил немец Ф. О. Шотт, который в 1886 году основал знаменитый стекольный завод (шоттовское стекло и поныне известно во всём мире; из него делают и лабораторную посуду высокого качества). Отличить закалённое стекло от простого можно по его оптическим свойствам: закалённое стекло обладает двойным лучепреломлением и в поляризованном свете будет казаться окрашенным.

В настоящее время закалённое стекло производят в большом количестве. Для закалки листового стекла его нагревают до 600—650^оС и затем быстро охлаждают путём равномерного обдувания воздухом на специальной обдувочной решётке. Такое стекло по своим термическим и механическим свойствам значительно превосходит обычное. Например, листовое отожжённое стекло толщиной 5—6 мм выдерживает без разрушения удар стального шара массой 800 г при его падении с высоты не более 15 см. Если же это стекло закалить, то оно уже сможет выдержать без разрушения удар аналогичного шара при его падении с высоты 120 см! Прочность на изгиб у закалённого стекла тоже в 4—5 раз выше, чем у обычного. Такое «небьющееся» стекло применяют для остекления вагонов, автомобилей, самолётов и т. д. Главная его особенность в том, что при аварии оно не даёт больших кусков с очень острыми краями, которые исключительно опасны, а рассыпается на небольшие (примерно 3—5 мм) кусочки округлой формы без острых краёв. Для ещё большей безопасности передние стёкла автомобилей делают из так называемого триплекса: комбинации из двух листов обычного или закалённого стекла, склеенных прозрачным и упругим слоем синтетического полимера. При ударе осколки такого стекла остаются на месте, так как удерживаются полимером.

Информация о книгах Издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru

№3, 2017