Glas

In diesem Artikel geht es um das Material. Für andere Verwendungen siehe Glas (Disambiguierung).
Eine Glasgebäudefassade

Glas ist ein Nichtskristallin, häufig transparent amorphes Feststoff, das hat zum Beispiel weit verbreitete praktische, technologische und dekorative Verwendung Fenster Scheiben, Scheiben, Geschirr, und Optik. Glas wird am häufigsten durch schnelle Kühlung gebildet (Quenching) des geschmolzen bilden; Einige Brillen wie z. Vulkanglas sind natürlich vorkommen. Die bekanntesten und historischsten die ältesten Arten von hergestelltem Glas sind "Silikatgläser", die auf der chemischen Verbindung basieren Kieselsäure (Siliziumdioxid oder Quarz) der primäre Bestandteil von Sand. Soda -Lime -GlasMit rund 70% Kieselsäure enthält rund 90% des hergestellten Glases. Der Begriff GlasIn der Bevölkerung wird häufig nur verwendet, um nur auf diese Art von Material zu verweisen, obwohl Silica-freie Brillen häufig wünschenswerte Eigenschaften für Anwendungen in der modernen Kommunikationstechnologie aufweisen. Einige Objekte wie Trinkgläser und Brille, werden so häufig aus Glas auf Silikatbasis hergestellt, dass sie einfach unter dem Namen des Materials bezeichnet werden.

Obwohl es brüchig ist, überlebt ein vergrabenes Silikatglas sehr lange Zeiträume, wenn sie nicht gestört werden, und es gibt viele Beispiele für Glasfragmente aus frühen Glasherstellungskulturen. Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass die Glasverlaufsdaten auf mindestens 3.600 v. Chr. In zurückzuführen sind Mesopotamien, Ägypten, oder Syrien. Die frühesten bekannten Glasobjekte waren Perlen, vielleicht versehentlich erstellt während Metallbearbeitung oder die Produktion von Faience. Aufgrund seiner Leichtigkeit Formbarkeit In jede Form wurde Glas traditionell für Gefäße verwendet, wie z. Schalen, Vasen, Flaschen, Gläser und Trinkgläser. In seinen feststen Formen wurde es auch für verwendet Papiergewichte und Murmeln. Glas kann durch Hinzufügen von Metallsalzen oder gestrichen und gedruckt werden emailliertes Glas. Das Brechung, reflektierend und Übertragung Eigenschaften von Glas sind für die Herstellung geeigneter Glas geeignet Optische Objektive, Prismen, und Optoelektronik Materialien. Extrudiert Glasfasern Anwendung als Optische Fasern In Kommunikationsnetzwerken thermisches Isoliermaterial, wenn er verfilzt wird Glaswolle um Luft zu fangen oder in Glasfaser verstärkter Kunststoff (Glasfaser).

Mikroskopische Struktur

Die amorphe Struktur von glasigen Kieselsäure (Siio2) in zwei Dimensionen. Es ist keine Langstreckenordnung vorhanden, obwohl es in Bezug auf die lokale Ordnung vorhanden ist Tetraedrisch Anordnung von Sauerstoffatomen um die Siliziumatome.
Mikroskopisch, a Einzelkristall hat Atome in einem nahezu perfekten periodisch Anordnung; a Polykristall besteht aus vielen mikroskopischen Kristallen; und ein amorph Feststoff wie Glas hat auch mikroskopisch keine regelmäßige Anordnung.
Hauptartikel: Struktur von Flüssigkeiten und Brillen

Die Standarddefinition von a Glas (oder Glaskörper fest) ist ein Feststoff, der durch schnelle Schmelze gebildet wird Quenching.[1][2][3][4] Der Begriff "Glas" wird jedoch häufig in einem breiteren Sinne definiert, um nicht kristalline zu beschreiben (amorph) Feststoff, der a zeigt Glasübergang Wenn er zum flüssigen Zustand erhitzt wird.[4][5]

Glas ist ein amorphes Feststoff. Obwohl die Struktur von Gläsern die Merkmale der Struktur von a teilt Supercooled Flüssigkeit, Glas zeigt alle mechanischen Eigenschaften eines Feststoffs.[6][7][8] Wie in anderen Amorphe FeststoffeDie atomare Struktur eines Glass fehlt die in der Fernzeit beobachtete Fernleistung in kristalline Festkörper. Wegen chemische Verbindung Einschränkungen besitzen eine Brille einen hohen Grad an Kurzstreckenordnung in Bezug auf lokale Atomare Polyeder.[9] Die Vorstellung, dass Glasflüsse in einem längeren Zeitraum in merkwürdigem Maße fließen, wird nicht durch empirische Forschung oder theoretische Analyse gestützt (siehe Viskosität in Festkörpern). Labormessungen von Raumtemperatur Gla -Fluss zeigen eine Bewegung, die mit einer materiellen Viskosität in der Größenordnung von 10 übereinstimmt17–1018 Pa s.[5][10]

Bildung aus einer unterkühlten Flüssigkeit

Hauptartikel: Glasübergang
Ungelöstes Problem in der Physik :

Was ist die Natur der Überleitung zwischen einem flüssigen oder normalen Feststoff und einer glasigen Phase? "Das tiefste und interessanteste ungelöste Problem in der Festkörpertheorie ist wahrscheinlich die Theorie der Natur des Glas- und des Glasübergangs." -P.W. Anderson[11]

(mehr ungelöste Probleme in der Physik)

Für die Schmelzlösung, wenn die Kühlung ausreichend schnell ist (relativ zum Merkmal Kristallisation Zeit) dann wird die Kristallisation verhindert und stattdessen die ungeordnete Atomkonfiguration der unterkühlt Flüssigkeit wird in t in den festen Zustand eingefroreng. Die Tendenz, dass ein Material während des Löschens ein Glas bildet, wird als gläserbildende Fähigkeit bezeichnet. Diese Fähigkeit kann von der vorhergesagt werden Starrheitstheorie.[12] Im Allgemeinen existiert ein Glas strukturell metastabil Zustand in Bezug auf seine kristallin Form, obwohl unter bestimmten Umständen zum Beispiel in Ataktisch Polymere, es gibt kein kristallines Analogon der amorphen Phase.[13]

Glas wird manchmal als Flüssigkeit angesehen, da ein Mangel an erster Ordnung mangelt Phasenübergang[7][14] wo sicher thermodynamisch Variablen wie zum Beispiel Volumen, Entropie und enthalpy sind diskontinuierlich durch den Glasübergangsbereich. Das Glasübergang kann als analog zu einem Phasenübergang zweiter Ordnung beschrieben werden, bei dem die intensiven thermodynamischen Variablen wie die Wärmeausdehnung und Wärmekapazität sind diskontinuierlich, dies ist jedoch falsch.[2] Die Gleichgewichtstheorie der Phasentransformationen gilt nicht für Glas, und daher kann der Glasübergang nicht als eine der klassischen Gleichgewichtsphasentransformationen in Festkörpern eingestuft werden.[4][5] Darüber hinaus beschreibt es nicht die Temperaturabhängigkeit von TG bei der Erwärmungsrate, wie in der differentiellen Scankalorimetrie gefunden.

Vorkommen in der Natur

Hauptartikel: Vulkanglas, Wirkung, und Fulgurite

Glas kann sich natürlich aus vulkanischem Magma bilden. Obsidian ist ein übliches Vulkanglas mit hoher Siliciumdioxid (Siio2) Inhalt gebildet, wenn Felsic Lava aus einem Vulkan extrudiert wird.[15] Wirkung ist eine Form von Glas, die durch den Einfluss von a gebildet wird Meteorit, wo Moldavit (gefunden in Mittel- und Osteuropa) und Libyaner Wüstenglas (gefunden in Gebieten im Osten Sahara, das Wüsten Ostlibyen und Westägypten) sind bemerkenswerte Beispiele.[16] VERTRIFIERUNG von Quarz kann auch auftreten, wenn Blitz Streiks Sand, hohl, bilden verzweigte Wurzel Strukturen genannt Fulguriten.[17] Trinitit ist ein glasigen Rückstand, der aus dem Wüstenbodensand am Sand gebildet wird Dreieinigkeit Atombomben -Test Seite? ˅.[18] Edeowie Glass, gefunden in Süd Australien, wird vorgeschlagen, aus zu stammen Pleistozän- Graslandbrände, Blitz Streiks, oder Hyperzeloität Wirkung von einem oder mehreren Asteroiden oder Kometen.[19]

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte von Glas
römisch Käfigbecher ab dem 4. Jahrhundert v. Chr.

Natürlich vorkommend Obsidian Glas wurde von verwendet von Steinzeit Gesellschaften, die sich an sehr scharfen Kanten anbraten, wodurch es ideal zum Schneiden von Werkzeugen und Waffen.[20][21] Die Glastherstellung stellt mindestens 6000 Jahre zurück, lange bevor der Mensch entdeckt hatte, wie man Stint Eisen.[20] Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass das erste wahre synthetische Glas in angegeben wurde Libanon und der Küstennorden Syrien, Mesopotamien oder antikes Ägypten.[22][23] Die frühesten bekannten Glasobjekte des Mitte des Millenniums v. Chr. Waren Perlen, vielleicht anfänglich als zufällige Nebenprodukte von Metallbearbeitung (Schlacken) oder während der Herstellung von Faience, ein Vorglas Glaskörper Material, das durch einen Prozess ähnelt wie Verglasung.[24] Frühes Glas war selten transparent und enthielt oft Verunreinigungen und Unvollkommenheiten,[20] und ist eher Faience als wahres Glas, was erst im 15. Jahrhundert vor Christus erschien.[25] Red-orange-Glasperlen wurde jedoch aus dem ausgegraben Indus -Tal -Zivilisation datiert vor 1700 v. Chr. (Möglicherweise bereits 1900 v. Chr.) Vorzugeordneter Glasproduktion, die bei Mesopotamien um 1600 v. Chr. Und in Ägypten um 1500 v. Chr. auftauchte.[26][27] Während der Spätbronzezeit Es gab ein schnelles Wachstum in Glasfertigung Technologie in Ägypten und West-Asien.[22] Archäologische Funde aus dieser Zeit umfassen farbiges Glas Barge, Schiffe und Perlen.[22][28] Viel frühe Glasproduktion beruhte auf Schleiftechniken, die von entlehnt wurden Steinbearbeitung, wie das Schleifen und Schnitzglas in einem kalten Zustand.[29]

Der Begriff Glas spät entwickelt Römisches Reich. Es war in der Römisches Glas Zentrum bei Trier (befindet sich im heutigen Tag Deutschland), dass die Spätlatin Begriff Glesum entstanden, wahrscheinlich von a germanisch Wort für a transparent, glänzend Substanz.[30] Glasobjekte wurden im römischen Reich geborgen[31] im Inland, Begräbnis,[32] und industrielle Kontexte,[33] sowie Handel in Marktplätzen in entfernten Provinzen.[34][35] Beispiele von Römisches Glas wurden außerhalb des ersteren gefunden Römisches Reich in China,[36] das Baltik, das Naher Osten, und Indien.[37] Die Römer perfektionierten Cameo -Glas, produziert von Radierung und durch fusionierte Schichten verschiedener Farben zu schnitzen, um ein Entwurf in der Glastrojekt zu erzeugen.[38]

Fenster im Chor der Basilika von Saint Denis, eine der frühesten Verwendungszwecke in umfangreicher Gläser (Architektur aus dem frühen 13. Jahrhundert mit restauriertem Glas des 19. Jahrhunderts)

Im postklassisch Westafrika, Benin war ein Hersteller von Glas- und Glasperlen.[39] Glas wurde in Europa während der ausgiebig eingesetzt Mittelalter. Anglo-Saxonglas wurde in ganz England bei archäologischen Ausgrabungen sowohl der Siedlung als auch der Friedhofsstellen gefunden.[40] Ab dem 10. Jahrhundert wurde Glas in beschäftigt Glasfenster von Kirchen und Kathedralen, mit berühmten Beispielen bei Chartres Kathedrale und die Basilika von Saint Denis. Bis zum 14. Jahrhundert entwickelten Architekten Gebäude mit Wänden von Wänden Buntglas wie zum Beispiel Sainte-Chapelle, Paris, (1203–1248) und das östliche Ende von von Gloucester -Kathedrale. Mit der Veränderung des architektonischen Stils während der Renaissance In Europa wurde die Verwendung großer Buntglasfenster viel weniger verbreitet,[41] Obwohl Buntglas eine große Wiederbelebung mit Gothic Revival Architecture im 19. Jahrhundert.[42]

Im 13. Jahrhundert die Insel von Murano, Venedig, wurde ein Zentrum für Glasherstellung und baute auf mittelalterlichen Techniken, um farbenfrohe Zierstücke in großen Mengen zu produzieren.[38] Murano -Glas Die Hersteller entwickelten das außergewöhnlich klare farblose Glas Cristalloso gefordert, dass er Ähnlichkeit mit natürlichen Kristall gefordert hat, das für Fenster, Spiegel, Schiffslaternen und Objektive ausgiebig eingesetzt wurde.[20] Im 13., 14. und 15. Jahrhundert Vergoldung auf Glasgefäßen wurde in Ägypten und Syrien perfektioniert.[43] Gegen Ende des 17. Jahrhunderts,, Böhmen wurde zu einer wichtigen Region für die Glasproduktion, die bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts verbleibte. Bis zum 17. Jahrhundert wurde auch Glas in der venezianischen Tradition in der Tradition produziert England. Um 1675, George Ravenscroft erfunden Bleikristall Glas, mit Glas schneiden im 18. Jahrhundert modisch werden.[38] Zierglasobjekte wurden zu einem wichtigen Kunstmedium während der Jugendstil Periode im späten 19. Jahrhundert.[38]

Im Laufe des 20. Jahrhunderts neu Massenproduktion Techniken führten zu einer weit verbreiteten Verfügbarkeit von Glas in viel größeren Mengen, wodurch es als Baumaterial praktisch war und neue Glasanwendungen ermöglicht.[44] In den 1920er Jahren a SchimmelDer Ach -Prozess wurde entwickelt, bei dem Kunst direkt in die Form geätzt wurde, so dass jedes gegossene Stück aus der Form mit dem Bild auf der Oberfläche des Glass auftauchte. Diese reduzierte Herstellungskosten und in Kombination mit einer breiteren Verwendung von farbigem Glas führte in den 1930er Jahren zu billigen Glaswaren, die später als bekannt wurden als Depression Glas.[45] In den 1950ern, Pilkington Bros., England, entwickelte die Schwimmendes glas Prozess, produzieren hochwertiger verzerrend flacher Glasplatten durch Blahen auf geschmolzen Zinn.[20] Moderne mehrstöckige Gebäude werden häufig mit konstruiert Vorhangmauern fast vollständig aus Glas gemacht.[46] Verbundglas wurde weithin auf Fahrzeuge für Windscreens angewendet.[47] Seit dem Mittelalter wird optisches Glas für Brillen verwendet.[48] Die Produktion von Objektiven ist zunehmend kompetenter geworden und unterstützt Astronomen[49] sowie andere Anwendung in Medizin und Wissenschaft.[50] Glas wird auch in vielen als Blendenabdeckung eingesetzt Solarenergie Sammler.[51]

Im 21. Jahrhundert haben Glashersteller verschiedene Marken von entwickelt Chemisch verstärktes Glas für weit verbreitete Anwendung in Touchscreen zum Smartphones, Tablet -Computerund viele andere Arten von Informationsgeräte. Diese beinhalten Gorilla-Glas, entwickelt und hergestellt von Corning, Agc Inc.'s Dragontrail und Schott AGXensation.[52][53][54]

Physikalische Eigenschaften

Optisch

Glas ist in optischen Systemen weit verbreitet, da sie Licht befolgen, reflektieren und übertragen werden können Geometrische Optik. Die häufigsten und ältesten Anwendungen von Glas in der Optik sind wie Linsen, Fenster, Spiegel, und Prismen.[55] Die wichtigsten optischen Eigenschaften Brechungsindex, Dispersion, und Übertragung, von Glas sind stark von der chemischen Zusammensetzung und in geringerem Maße seine thermische Geschichte abhängig.[55] Optisches Glas hat typischerweise einen Brechungsindex von 1,4 bis 2,4 und eine ABBE -Nummer (die Dispersion charakterisiert) von 15 bis 100.[55] Der Brechungsindex kann durch Hochdichte (Brechungsindex erhöht) oder niedrige Dichte (Abneiung des Brechungsindex) geändert werden.[56]

Glastransparenz resultiert aus der Abwesenheit von Korngrenzen die diffusleuchte Licht in polykristallinen Materialien.[57] Die Halbfähigkeit aufgrund von Kristallisation kann in vielen Gläser induziert werden, indem sie für einen langen Zeitraum bei einer Temperatur gehalten werden, die nur unzureichend ist, um Fusion zu verursachen. Auf diese Weise das kristalline, verzerrte Material, bekannt als Réaumurs Glas Porzellan ist produziert.[43][58] Obwohl im Allgemeinen transparent zu sichtbarem Licht, können Gläser sein undurchsichtig zu anderen Wellenlängen des Lichts. Während Silikatgläser im Allgemeinen undurchsichtig sind Infrarot Wellenlängen mit einem Übertragungsabschnitt bei 4 μm, Schwermetall Fluorid und Chalkogenid Gläser sind transparent zu Infrarotwellenlängen von bis zu 7 bzw. bis zu 18 μm.[59] Die Zugabe von metallischen Oxiden führt zu unterschiedlichen farbigen Brillen, da die metallischen Ionen Lichtwellenlängen absorbieren, die bestimmten Farben entsprechen.[59]

Sonstiges

Siehe auch: Liste der physikalischen Eigenschaften von Glas, Korrosion § Korrosion von Glas, und Glasstärke

Im Herstellungsprozess können Gläser gegossen, gebildet, extrudiert und in Formulare geformt werden, die von flachen Blättern bis zu hoch komplizierten Formen reichen.[60] Das fertige Produkt ist spröde und wird brechen, es sei denn laminiert oder temperiert Haltbarkeit verbessern.[61][62] Glas ist typischerweise inert, resistent gegen chemische Angriffe und kann der Wirkung von Wasser hauptsächlich standhalten. Damit ist es zu einem idealen Material für die Herstellung von Behältern für Lebensmittel und die meisten Chemikalien.[20][63][64] Obwohl das Glas normalerweise stark resistent gegen chemischen Angriffe ist, korrodieren oder löst sie sich unter bestimmten Bedingungen auf.[63][65] Die Materialien, aus denen eine bestimmte Glaszusammensetzung besteht, wirken sich darauf aus, wie schnell das Glas korrodiert. Brille mit einem hohen Anteil von Alkali oder Alkalische Erde Elemente sind anfälliger für Korrosion als andere Glaszusammensetzungen.[66][67]

Die Glasdichte variiert mit der chemischen Zusammensetzung mit Werten im Bereich von 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter (2.200 kg/m)3) zum Fusions Siliciumdioxid bis 7,2 Gramm pro Kubikzentimeter (7.200 kg/m)3) für dichter Feuersteinglas.[68] Glas ist stärker als die meisten Metalle mit einem theoretischen Zugfestigkeit Bei reinem, fehlerfreiem Glas, das auf 14 Gigapascals (2.000.000 psi) bis 35 Gigapascals (5.100.000 psi) geschätzt wird, weil sie ohne Fraktur eine reversible Kompression unterzogen werden können. Das Vorhandensein von Kratzern, Blasen und anderen mikroskopischen Mängel führen jedoch zu einem typischen Bereich von 14 Megapascals (2.000 psi) bis 175 Megapascals (25.400 psi) in den meisten kommerziellen Brillen.[59] Mehrere Prozesse wie z. hartnäckig Kann die Festigkeit von Glas erhöhen.[69] Sorgfältig makellos gezeichnet Glasfasern kann mit einer Stärke von bis zu 11,5 Gigapascals (1.670.000 psi) produziert werden.[59]

Renommierter Fluss

Die Beobachtung, dass alte Fenster manchmal am Boden dicker sind als oben, wird häufig als unterstützende Beweise für die Ansicht angeboten, dass Glas über einen Zeitraum von Jahrhunderten fließt, wobei die Annahme besteht eine Form zur anderen.[70] Diese Annahme ist falsch, da das Glas nach dem erst verfestigten Glas nicht mehr fließt. Die in alten Glas beobachteten SAGs und Wellen waren bereits an dem Tag, an dem es gemacht wurde, da; Herstellungsprozesse in der Vergangenheit produzierten Blätter mit unvollkommenen Oberflächen und ungleichmäßige Dicke.[7] (Der nahezu perfekte Schwimmendes glas Heute wurde erst in den 1960er Jahren verbreitet.)

Die Rate des Glasflusses in mittelalterlichen Fenstern wurde 2017 berechnet. Es wurde festgestellt, dass das Glas 16 Größenordnungen betrug (1016 Zeiten) weniger viskoös (daher frei fließend) als bei Raumtemperatur erwartet-16 Größenordnungen unter früheren Schätzungen basierend auf Soda-Lim-Silicat-Glas. Es wurde geschätzt, dass die Flussrate 1 nicht überschreiten würdenm pro Milliarde Jahre.[71][72]

Typen

Silikat

Quarzsand (Kieselsäure) ist der Haupt Rohstoff in der kommerziellen Glasproduktion

Siliciumdioxid (Siio2) ist ein gemeinsamer grundlegender Bestandteil von Glas. Fusionsquarz ist ein Glas aus chemisch-pure-Siliciumdioxid.[67] Es hat eine sehr geringe thermische Expansion und eine hervorragende Resistenz gegen thermischer SchockIn der Lage, das Eintauchen in Wasser zu überleben, während sie rot heiß ist, widersteht hohen Temperaturen (1000–1500 ° C) und chemischer Verwitterung und ist sehr hart. Es ist auch transparent zu einem breiteren Spektralbereich als gewöhnliches Glas, und erstreckt sich von dem sichtbaren weiter in beide UV und Ir Bereiche und wird manchmal verwendet, wenn Transparenz zu diesen Wellenlängen erforderlich ist. Fusionsquarz wird für Hochtemperaturanwendungen wie Ofenrohre, Beleuchtungsröhrchen, Schmelzkrubles usw. verwendet.[73] Die hohe Schmelztemperatur (1723 ° C) und die Viskosität machen es jedoch schwierig, mit ihnen zu arbeiten. Daher werden normalerweise andere Substanzen (Flüsse) hinzugefügt, um die Schmelztemperatur zu senken und die Glasverarbeitung zu vereinfachen.[74]

Soda -Lime

Natriumcarbonat (N / A2CO3, "Soda") ist ein häufiger Additiv und senkt die Glasübergangstemperatur. Jedoch, Natriumsilicat ist wasserlöslich, Also Limette (CAO, Calciumoxid, allgemein erhalten von Kalkstein), etwas Magnesiumoxid (Mgo) und Aluminium Oxid (Al2O3) sind andere häufige Komponenten hinzugefügt, um die chemische Haltbarkeit zu verbessern. Soda -Lime -Brille (NA2O) + Kalk (CAO) + Magnesia (Mgo) + Alumina (Al2O3) Über 75% des hergestellten Glases enthält etwa 70 bis 74% Siliciumdioxid.[67][75] Soda -Lime -Silicat -Glas ist transparent, leicht geformt und am besten für Fensterglas und Tabellengeschirr geeignet.[76] Es hat jedoch eine hohe thermische Ausdehnung und einen schlechten Wärmewiderstand.[76] Soda -Lime -Glas wird normalerweise für verwendet Fenster, Flaschen, Glühbirne, und Gläser.[74]

Borosilikat

A Pyrex Borosilikatglas Messbecher

Borosilikatgläser (z.B. Pyrex, Duran) enthalten typischerweise 5–13% Bor -Trioxid (B2O3).[74] Borosilikatgläser haben ziemlich niedrig Koeffizienten der thermischen Expansion (7740 Pyrex CTE ist 3,25×10–6/° C[77] Im Vergleich zu etwa 9×10–6/° C für ein typisches Soda -Lim -Glas[78]). Sie sind daher weniger ausgesetzt betonen verursacht durch Wärmeausdehnung und damit weniger anfällig für knacken aus thermischer Schock. Sie werden üblicherweise für z. Labor, Haushaltskochgeschirrund versiegeltes Strahlauto Scheinwerfer.[74]

Führen

Das Hinzufügen von Blei (ii) Oxid in Silikatglas senkt den Schmelzpunkt und Viskosität der Schmelze.[79] Die hohe Dichte von Bleiglas (Silica + Bleioxid (PBO) + Kaliumoxid (k)2O) + Soda (Na2O) + Zinkoxid (ZnO) + Aluminurchina führt zu einer hohen Elektronendichte und damit zu einem hohen Brechungsindex, wodurch das Aussehen von Glaswaren brillanter wird und spürbarer macht Spiegelreflexion und erhöhte sich Optische Dispersion.[67][80] Bleiglas hat eine hohe Elastizität, die die Glaswaren verarbeitbarer macht und beim Schlagen zu einem klaren "Ring" -Song führt. Bleiglas kann jedoch hohe Temperaturen nicht gut standhalten.[73] Bleioxid erleichtert auch die Löslichkeit anderer Metalloxide und wird in farbigem Glas verwendet. Die Viskositätsabnahme der Bleiglasschmelze ist sehr signifikant (ungefähr 100 -mal im Vergleich zu Sodaglas); Dies ermöglicht eine leichtere Entfernung von Blasen und das Arbeiten bei niedrigeren Temperaturen, weshalb der häufige Gebrauch als Additiv in Glaskörper Emaille und Glaslöten. Das Hoch Ionenradius des pb2+ Ionen macht es sehr unbeweglich und behindert die Bewegung anderer Ionen; Bleigläser haben daher einen hohen elektrischen Widerstand, etwa zwei Größenordnungen höher als Soda -Lim -Glas (108.5 vs 106.5Ωatte cm, DC bei 250 ° C).[81]

Aluminosilikat

Aluminosilikatglas enthält typischerweise 5-10% Aluminiumoxid (Al2O3). Aluminosilikatglas ist im Vergleich zu Borosilikatzusammensetzungen in der Regel schwieriger zu schmelzen und zu formen, weist jedoch einen hervorragenden thermischen Widerstand und Haltbarkeit auf.[74] Aluminosilikatglas wird ausgiebig verwendet Glasfaser,[82] Wird zur Herstellung von Kunststoffen (Booten, Angelruten usw.), Kochgeschirr und Halogenlampenglas verwendet.[73][74]

Andere Oxidzusatzstoffe

Das Hinzufügen von Barium Erhöht auch den Brechungsindex. Thoriumoxid gibt Glas einen hohen Brechungsindex und eine niedrige Dispersion und wurde früher bei der Herstellung hochwertiger Linsen verwendet, aber aufgrund seiner Radioaktivität wurde durch ersetzt durch Lanthanoxid in modernen Brillen.[83] Eisen kann in Glas eingebaut werden, um zu absorbieren Infrarot Strahlung, zum Beispiel bei hitzebildenden Filtern für Filmprojektoren Cerium (iv) Oxid kann für Glas verwendet werden, die absorbiert Ultraviolett Wellenlängen.[84] Fluor senkt die Dielektrizitätskonstante aus Glas. Fluor ist hoch elektronegativ und senkt die Polarisierbarkeit des Materials. Fluorid -Silikatgläser werden zur Herstellung von verwendet integrierte Schaltkreise Als Isolator.[85]

Glaskeramik

Hauptartikel: Glaskeramie
Ein hochfestes Glas-Keramik-Kochfeld mit vernachlässigbarer Wärmeausdehnung

Glaskeramie Materialien enthalten sowohl nichtkristalline Glas als auch kristallin Keramik Phasen. Sie werden durch kontrollierte Keimbildung und partielle Kristallisation eines Basisglas durch Wärmebehandlung gebildet.[86] Kristalline Körner werden häufig in eine nichtkristalline intergranulare Phase von eingebettet Korngrenzen. Die Glaskeramik weisen im Vergleich zu Metallen oder organischen Polymeren vorteilhafte thermische, chemische, biologische und dielektrische Eigenschaften auf.[86]

Die kommerziell wichtigste Eigenschaft der Glaskeramik ist ihre Vereinbarkeit gegen den thermischen Schock. Somit sind die Glaskeramik für die Küche und industrielle Prozesse der Arbeitsplatte äußerst nützlich geworden. Das negative Wärmeausdehnung Der Koeffizient (CTE) der kristallinen Keramikphase kann mit dem positiven CTE der glasigen Phase ausgeglichen werden. An einem bestimmten Punkt (~ 70% kristallin) hat die Glaskeramik einen Netto-CTE nahe Null. Diese Art von Glaskeramie zeigt hervorragende mechanische Eigenschaften und kann wiederholte und schnelle Temperaturänderungen bis zu 1000 ° C aufrechterhalten.[87][86]

Glasfaser

Hauptartikel: Glasfaser und Glaswolle

Glasfaser (auch als Glasfaser verstärkte Kunststoff bezeichnet, GRP) ist a Verbundwerkstoff hergestellt durch Verstärkung eines Plastiks Harz mit Glasfasern. Es wird hergestellt, indem es Glas schmilzt und das Glas in Fasern streckt. Diese Fasern werden zusammen in ein Tuch gewebt und in ein Plastikharz eingesetzt.[88][89][90] Glasfaser hat die Eigenschaften, leicht und korrosionsbeständig zu sein und ist gut Isolator Aktivieren der Verwendung als Baudämmmaterial und für elektronische Wohnungen für Konsumgüter. Fiberglass wurde ursprünglich in Großbritannien und den Vereinigten Staaten verwendet Zweiter Weltkrieg Herstellung Radomen. Zu den Verwendung von Glasfaser gehören Gebäude- und Baumaterialien, Bootsrümpfe, Karosserieteile und Luft- und Raumfahrtverbundmaterialien.[91][88][90]

Glasfaserwolle ist ein ausgezeichnetes Thermal- und Klang Isolationsmaterial, üblicherweise in Gebäuden verwendet (z. Dachboden und Hohlraumwandisolierung) und Sanitär (z. Rohrisolierung), und Schalldämmung.[91] Es wird hergestellt, indem geschmolzenes Glas durch ein feines Netz durch gezwungen wird Zentripetalkraftund die extrudierten Glasfasern mit einem Strom von Hochgeschwindigkeitsluft in kurze Längen einbrechen. Die Fasern sind mit einem Klebstoffspray verbunden und die resultierende Wollmatte wird geschnitten und in Rollen oder Paneele gepackt.[59]

Nicht-Silikat

A CD-RW (CD). Chalkogenidglas Bilden Sie die Grundlage der Umschreibens-CD- und DVD-Solid-State-Speicher-Technologie.[92]

Neben einer gemeinsamen Brille auf Silica-Basis viele andere anorganisch und organisch Materialien können auch Gläser bilden, einschließlich Metalle, Aluminaten, Phosphate, Borates, Chalkogenide, Fluoride, Germanien (Brille basierend auf Geo2), Telluriten (Brille basierend auf Teo2), Antimonate (Brille basierend auf SB2O3) Arsenate (Brille basierend auf als2O3), Titanate (Brille basierend auf TIO2), Tantalate (Brille basierend auf TA2O5), Nitrate, Karbonate, Kunststoff, Acryl-und viele andere Substanzen.[5] Einige dieser Brillen (z. Germanium -Dioxid (Geo2, Germania), in vielerlei Hinsicht ein strukturelles Analogon von Kieselsäure, Fluorid, aus Aluminat, Phosphat, Borat, und Chalkogenid Brille) haben physikalisch-chemische Eigenschaften, die für ihre Anwendung in nützlich sind faseroptisch Wellenleiter in Kommunikationsnetzwerken und anderen speziellen technologischen Anwendungen.[93][94]

Kieselfreie Brillen können oft schlechte Glasform-Tendenzen haben. Neuartige Techniken, einschließlich containerloser Verarbeitung von aerodynamische Levitation (Kühlen Sie die Schmelze, während sie auf einem Gasstrom schwimmt) oder Splat Quenching (Drücken Sie die Schmelze zwischen zwei Metallbindungen oder -walzen), kann verwendet werden, erhöhen die Kühlgeschwindigkeit oder verringern Sie die Kristallkeimbildungsauslöser.[95][96][97]

Amorphe Metalle

Hauptartikel: Amorphes Metall
Proben von amorphem Metall mit Millimeter -Skala

In der Vergangenheit kleine Chargen von Amorphe Metalle Mit hohen Oberflächenkonfigurationen (Bänder, Kabel, Filme usw.) wurden durch die Implementierung extrem schneller Kühlraten erzeugt. Amorphe Metalldrähte wurden durch Sputter geschmolzenes Metall auf eine drehende Metallscheibe produziert.[98][99]

In jüngerer Zeit wurde eine Reihe von Legierungen in Schichten mit einer Dicke von mehr als 1 Millimeter hergestellt.[wenn?] Diese sind als Bulk Metallic Brille (BMG) bekannt. Liquidmetal -Technologien verkaufen eine Reihe von Zirkonium-basierten BMGs.

Es wurden auch Chargen von amorphem Stahl hergestellt, die mechanische Eigenschaften zeigen, die die in herkömmlichen Stahllegierungen gefundenen weit überschreiten.[100]

Experimentelle Beweise deuten darauf hin, dass das System al-Fe-Si möglicherweise a erfahren kann Übergang erster Ordnung zu einer amorphen Form (genannt "q-glass") bei schneller Kühlung von der Schmelze. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bilder zeigen, dass Q-Glas-Kern von der Schmelze als diskrete Partikel mit einem gleichmäßigen kugelförmigen Wachstum in alle Richtungen keimt. Während Röntgenbeugung enthüllt die isotrope Natur von Q-Glas, a Keimbildung Die Barriere impliziert eine Grenzflächendiskontinuität (oder innere Oberfläche) zwischen den Glas- und Schmelzephasen.[101][102]

Polymere

Wichtige Polymergläser sind amorphe und glasige pharmazeutische Verbindungen. Diese sind nützlich, weil die Löslichkeit der Verbindung im Vergleich zu derselben kristallinen Zusammensetzung stark erhöht ist, wenn sie amorph ist. Viele aufstrebende Pharmazeutika sind in ihren kristallinen Formen praktisch unlöslich.[103] Viele Polymer Thermoplastik Aus dem täglichen Gebrauch sind Brillen vertraut. Für viele Anwendungen wie Glasflaschen oder Brille, Polymergläser (Acrylglas, Polycarbonat oder Polyethylen Terephthalat) sind eine leichtere Alternative zu traditionellem Glas.[104]

Molekulare Flüssigkeiten und geschmolzene Salze

Molekulare Flüssigkeiten, Elektrolyte, geschmolzene Salze, und wässrige Lösungen sind Mischungen verschiedener Moleküle oder Ionen Das bildet kein kovalentes Netzwerk, sondern interagiert nur durch schwache Van der Waals kräftig oder durch transient Wasserstoffbrücken. In einer Mischung aus drei oder mehr ionischen Arten unterschiedlicher Größe und Form kann die Kristallisation so schwierig sein, dass die Flüssigkeit leicht in ein Glas unterkühlt werden kann.[105][106] Beispiele sind LICL:RH2O (eine Lösung von Lithiumchlorid Salz- und Wassermoleküle) im Zusammensetzungsbereich 4 <R<8.[107] Zuckerglas,[108] Orca0,4K0,6(NEIN3)1.4.[109] Glaselektrolyte in Form von BA-dotiertem Li-Glas und BA-dotiertem Na-Glas wurden als Lösungen für Probleme vorgeschlagen, die mit organischen Flüssigelektrolyten identifiziert werden, die in modernen Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden.[110]

Produktion

Hauptartikel: Glasproduktion, Schwimmendes glas, und Glasbläserei
Robotisierter Floatglas -Entladen

Folgt dem Glasstapel Zubereitung und Mischen werden die Rohstoffe zum Ofen transportiert. Soda -Lime -Glas zum Massenproduktion ist geschmolzen in Glasschmelzöfen. Zu den kleineren Öfen für Spezialgläser gehören elektrische Meldungen, Topföfen und Tagespanzer.[75] Nach dem Schmelzen, Homogenisierung und Verfeinerung (Entfernung von Blasen) Das Glas ist. Flaches Glas Für Windows und ähnliche Anwendungen werden von der gebildet Schwimmendes glas Prozess, der zwischen 1953 und 1957 von Sir entwickelt wurde Alastair Pilkington und Kenneth Bickerstaff von den britischen Pilkington -Brüdern, die ein kontinuierliches Glasband unter Verwendung eines geschmolzenen Blechbades schufen, auf dem das geschmolzene Glas unter dem Einfluss der Schwerkraft ungehindert fließt. Die Oberfläche des Glases ist Stickstoff unter Druck ausgesetzt, um ein poliertes Finish zu erhalten.[111] Containerglas Für gemeinsame Flaschen und Gläser entsteht durch blasen und drücken Methoden.[112] Dieses Glas ist oft chemisch leicht modifiziert (mit mehr Aluminiumoxid und Calciumoxid) für eine größere Wasserbeständigkeit.[113]

Glasbläserei

Sobald die gewünschte Form erhalten ist, ist Glas normalerweise geglüht zur Entfernung von Belastungen und zur Erhöhung der Härte und Haltbarkeit des Glas.[114] Oberflächenbehandlungen, Beschichtungen oder Laminierung kann folgen, um die chemische Haltbarkeit zu verbessern (Glasbehälterbeschichtungen, interne Behandlung von Glasbehälter), Stärke (verstärktes Glas, kugelsicheres Glas, Windschutzscheiben[115]) oder optische Eigenschaften (Isolierte Verglasung, Anti-reflektierende Beschichtung).[116]

Neue chemische Glaszusammensetzungen oder neue Behandlungstechniken können zunächst in kleinen Laborversuche untersucht werden. Die Rohstoffe für Glasschmelzen im Labormaßstab unterscheiden sich häufig von denen, die in der Massenproduktion verwendet werden, da der Kostenfaktor eine niedrige Priorität hat. Im Labor größtenteils rein Chemikalien werden verwendet. Es muss darauf geachtet werden, dass die Rohstoffe nicht mit Feuchtigkeit oder anderen Chemikalien in der Umwelt reagiert haben (wie z. Alkali oder Alkalisches Erdmetall Oxide und Hydroxide oder Boroxid) oder dass die Verunreinigungen quantifiziert werden (Verlust gegen Zündung).[117] Verdunstungsverluste während des Schmelzens von Glas sollten während der Auswahl der Rohstoffe, z. B., berücksichtigt werden. Natriumselenit kann vorgezogen werden, leicht zu verdampfen Seleniumdioxid (SEO2). Auch leichter reagierende Rohstoffe können relativ relativ bevorzugt werden untätig Einsen, wie z. Aluminiumhydroxid (Al (OH)3) Über Aluminiumoxid (Al2O3). Normalerweise werden die Schmelzen in Platinkranz durchgeführt, um die Kontamination aus dem Schmelztiegelmaterial zu verringern. Glas Homogenität wird durch Homogenisierung der Rohstoffmischung erreicht (Glasstapel), durch Rühren der Schmelze und durch Zerkleinern und Wiederherstellung der ersten Schmelze. Das erhaltene Glas ist normalerweise geglüht um Bruch während der Verarbeitung zu verhindern.[117][118]

Farbe

Hauptartikel: Glasmalerei und Farbmarkierung

Farbe in Glas kann durch Zugabe von homogen verteilten elektrisch geladenen Ionen (OR) erhalten werden Farbzentren). Während gewöhnlich Soda -Lime -Glas erscheint farblos im dünnen Abschnitt, Eisen (ii) Oxid (FEO) Verunreinigungen erzeugen in dicken Abschnitten einen grünen Farbton.[119] Mangandioxid (Mno2), das Glas eine lila Farbe verleiht, kann hinzugefügt werden, um den von Feo gegebenen grünen Farbton zu entfernen.[120] Feo und Chrom (III) Oxid (Cr2O3) Additive werden bei der Herstellung von grünen Flaschen verwendet.[119] Eisen (iii) OxidAuf der anderen Hand produziert gelb oder gelbbraunes Glas.[121] Niedrige Konzentrationen (0,025 bis 0,1%) von Kobaltoxid (COO) produziert reichhaltig, tiefblau Kobaltglas.[122] Chrom ist ein sehr mächtiger Farbvertreter, der dunkelgrün liefert.[123] Schwefel kombiniert mit Kohlenstoff Und Eisensalze produzieren bernsteinfarbenes Glas von gelblich bis fast schwarz.[124] Eine Glasschmelze kann auch eine bernsteinfarbene Farbe aus einer reduzierenden Verbrennungsatmosphäre erwerben.[125] Cadmiumsulfid produziert imperial rotund kombiniert mit Selen können gelb, orange und rot erzeugt werden.[119][121] Der Additiv Kupfer (ii) Oxid (Cuo) produziert a Türkis Farbe in Glas im Gegensatz zu Kupfer (i) Oxid (Cu2O) die eine stumpfe braunrote Farbe verleiht.[126]

Verwendet

Die Scherbe Glas Wolkenkratzer, in London

Architektur und Fenster

Hauptartikel: Architekturglas und Fenster

Soda -Lime Blattglas wird normalerweise als transparent verwendet Verglasung Material, typischerweise als Fenster in externen Wänden von Gebäuden. Schwimmer- oder gerollte Blechglasprodukte werden entweder durch die Größe geschnitten Wertung und das Material schnappen, Laser schneiden, Wasserstrahlen, oder Diamantblatt gesehen. Das Glas kann thermisch oder chemisch sein temperiert (gestärkt) für Sicherheit und während des Erhitzens gebeugt oder gebogen. Oberflächenbeschichtungen können für spezifische Funktionen wie Kratzwiderstand hinzugefügt werden und spezifische Lichtwellenlängen blockieren (z. Infrarot oder Ultraviolett), Dirt-Repellenz (z. selbstverpacktes Glas) oder schaltbar elektrochrom Beschichtungen.[127]

Strukturverglasungssysteme repräsentieren eine der wichtigsten architektonischen Innovationen der modernen Zeiten, in denen Glasgebäude jetzt häufig dominieren Skylines von vielen modernen Städte.[128] Diese Systeme verwenden Edelstahl -Armaturen in den Ecken der Glasscheiben in Aussparungen, so dass gestärkte Scheiben nicht unterstützt erscheinen können.[128] Strukturverglasungssysteme haben ihre Wurzeln in Eisen und Glass -Konservatorien des neunzehnten Jahrhunderts[129]

Geschirr

Hauptartikel: Geschirr und Liste der Glaswaren

Glas ist ein wesentlicher Bestandteil des Tabellengeschirrs und wird normalerweise für Wasser verwendet. Bier und Wein Trink Gläser.[50] Weingläser sind normalerweise STEMWARE, d. h. aus einer Schüssel, einem Stiel und Fuß gebildete Becher. Kristall oder Bleikristall Glas kann geschnitten und poliert werden, um eine dekorative Trinkgläser mit glänzenden Facetten herzustellen.[130][131] Andere Verwendungen von Glas im Tabellengeschirr umfassen Dekanter, Krüge, Platten, und Schalen.[50]

Verpackung

Hauptartikel: Containerglas

Die inerte und undurchlässige Natur von Glas macht es zu einem stabilen und weit verbreiteten Material für Lebensmittel- und Getränkeverpackungen als Glasflaschen und Gläser. Die meisten Containerglas ist Soda -Lime -Glas, produziert von blasen und drücken Techniken. Containerglas hat eine niedrigere Magnesiumoxid und Natriumoxid Inhalt als flaches Glas und ein höher Kieselsäure, Calciumoxid, und Aluminiumoxid Inhalt.[132] Der höhere Gehalt an wasserunlöslichen Oxiden verleiht etwas höher Chemische Haltbarkeit gegen Wasser, was für die Aufbewahrung von Getränken und Lebensmitteln vorteilhaft ist. Die Glasverpackung ist nachhaltig, leicht recycelt, wiederverwendbar und nachfüllbar.[133]

Für Elektronikanwendungen kann Glas als Substrat bei der Herstellung von verwendet werden Integrierte passive Geräte, Dünnfilm-Schüttgut-Akustikresonatorenund als Hermetische Versiegelung Material in der Geräteverpackung,[134][135] einschließlich sehr dünner, ausschließlich Glasbasis Einkapselung integrierter Schaltungen und anderer Halbleiter in hohen Herstellungsvolumina.[136]

Labors

Hauptartikel: Laborglas

Glas ist ein wichtiges Material in wissenschaftlichen Labors für die Herstellung von experimentellen Apparaten, da es relativ billig ist, leicht zu erforderlichen Formen für Experiment, leicht sauber zu halten, der Wärme standhalten kann, ist im Allgemeinen nicht reaktiv mit vielen. Reagenzienund seine Transparenz ermöglicht die Beobachtung chemischer Reaktionen und Prozesse.[137][138] Laborglas Anwendungen umfassen Flaschen, Petrischalen, Reagenzgläser, Pipetten, Messzylinder, mit Glas ausgekleidete metallische Behälter für die chemische Verarbeitung, Fraktionierungsspalten, Glasrohre, Schlenk -Linien, Messgeräte, und Thermometer.[139][137] Obwohl die meisten Standardlaborglaswaren seit den 1920er Jahren in Massenproduktion hergestellt werden, beschäftigen sich Wissenschaftler immer noch qualifiziert Glasbläser Herstellung von maßgeschneiderten Glasvorrichtungen für ihre experimentellen Anforderungen.[140]

Optik

Glas ist ein allgegenwärtiges Material in Optik aufgrund seiner Fähigkeit zu brechen, reflektieren, und übertragen hell. Diese und andere optische Eigenschaften können durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, thermische Behandlung und Herstellungstechniken gesteuert werden. Die vielen Glasanwendungen in der Optik umfassen Brille Für die Sehkorrektur die Bildgebungsoptik (z. Linsen und Spiegel in Teleskope, Mikroskope, und Kameras), Glasfaseroptik in Telekommunikation Technologie und integrierte Optik. Mikrolensen und Gradienten-Index-Optik (bei dem die Brechungsindex ist ungleichmäßig) Finden Sie die Anwendung in z. lesen optische Scheiben, Laserdrucker, Fotokopierer, und Laserdioden.[55]

Kunst

Hauptartikel: Studioglas, Kunstglas, und Glass art
Teil des Deutsch Buntglas Tafel von 1444 mit dem Heimsuchung; Topf Metall Farbiges Glas verschiedener Farben, einschließlich weißes Glas, schwarzer Glaskörperfarbe, gelber Silberfleck und den "olivgrünen" Teilen sind Emaille. Die Pflanzenmuster am roten Himmel werden gebildet, indem schwarze Farbe vor dem Schießen aus dem roten Glas wegkratzt wird. Ein restauriertes Panel mit neuen Lead -Cames.

Glas als Kunst datiert mindestens 1300 v.[141] die auch enthielt Glaskörper EmailleDas heißt, geschmolzenes farbiges Glas, das auf einem Metallträger verwendet wird. Emailliertes GlasDie Dekoration von Glasgefäßen mit farbigen Glasfarben gibt es seit 1300 v. Chr.[142] und war im frühen 20. Jahrhundert mit Art Nouveau Glas und das der des Haus von Fabergé in St. Petersburg, Russland. Beide Techniken wurden in verwendet Buntglas, der seine Höhe von 1000 bis 1550 vor einer Wiederbelebung im 19. Jahrhundert erreichte.

Das 19. Jahrhundert erlebte eine Wiederbelebung in alten Glasherstellungstechniken, einschließlich Cameo -Glas, zum ersten Mal seit dem Römischen Reich erreicht, zunächst hauptsächlich für Stücke in a neoklassisch Stil. Das Jugendstil Bewegung machte eine große Verwendung von Glas, mit René Lalique, Émile Gallé, und Daum von Nancy In der ersten französischen Welle der Bewegung, die farbige Vasen und ähnliche Stücke produzieren, oft in Cameo -Glas oder in Glanzglas Techniken.[143]

Louis Comfort Tiffany in Amerika spezialisiert auf Buntglassowohl weltlich als auch religiös, in Tafeln und seinen berühmten Lampen. Im frühen 20. Jahrhundert sah die groß angelegte Fabrikproduktion von Glaskunst von Unternehmen wie Waterford und Lalique. Kleine Studios können Glaskunstwerke von Hand produzieren. Zu den Techniken zur Herstellung von Glaskunst gehören blasen, Ofen-Casting, Fusing, Slumping, Pâte de Verre, Flammenarbeit, Heißkupplung und Kaltarbeit. Die kalte Arbeit umfasst traditionelle Glasscheiben und andere Methoden zur Gestaltung von Glas bei Raumtemperatur. Objekte aus Glas umfassen Gefäße, Papiergewichte, Murmeln, Perlen, Skulpturen und Installationskunst.[144]

Siehe auch

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