Стеклообразующие компоненты

Основным компонентом, позволяющим образоваться стеклу, является оксид кремния, который может существовать как в форме стекла, так и в форме кристаллического твердого тела. Кристобалит, одна из кристаллических форм оксида кремния, имеет строение в форме тетраэдра, с атомом кислорода в каждом углу и атомом кремния в центре. Строение кристобалита представлено на Рис.1.4.6. Его структура достаточно сложна, ее неудобно использовать для объяснения процесса образования стекла. Для наглядности можно использовать двухмерную модель строения кристобалита, где все связи расположены в одной плоскости, и у каждого атома кремния одна связь отсутствует (Рис. 1.4.7).

Рис. 1.4.6. Кристаллическая структура кристобалита

Рис. 1.4.7. Схематичное представление структуры оксида кремния в двухмерном пространстве: (а) расположение атомов, (б) расположение кислорода в виде треугольников

При плавлении оксида кремния и его быстром охлаждении, кристаллическая структура не способна образоваться за такое короткое время, поэтому оксид кремния превращается в стекло, которое называют плавленым кварцем (Рис. 1.4.8).

Рис. 1.4.8. Схематичное представление структуры чистого кремнеземного стекла в двухмерном пространстве: (а) расположение атомов, (б) расположение кислорода в виде треугольников

Высокая температура плавления этого материала, равная 1713°С, делает его весьма дорогостоящим для массового использования. Если оксид кремния смешать с некоторыми оксидами металлов, то это позволит существенно понизить температуру его плавления.

Например, если взять композицию, состоящую из трех четвертей оксида кремния и одной части оксида натрия, то температура ее плавления составит всего 1339°С. Такие стекла называются смешанными оксидными стеклами, а их структура представлена на Рис. 1.4.9. Атомы металла образуют положительно заряженные ионы, которые разрушают порядок строения кислородных тетраэдров, и в результате не все атомы кислорода будут делиться своими электронами с соседними атомами. В этой композиции оксид кремния будет играть роль стеклообразующего компонента, а оксид металла — роль стекломодификатора.

Рис. 1.4.9. Схематичное представление структуры стекла из смеси оксидов в двухмерном пространстве: (а) расположение атомов, (б) расположение кислорода в виде треугольников

Оксиды титана, цинка, свинца и алюминия также могут принимать участие в образовании пространственной сетчатой структуры стекла, и образовывать жесткие сетки. Сода (Na20) и известь (СаО) обладают низкой вязкостью расплава, вследствие чего при температуре стеклования происходит интенсивное разрушение структуры. Это приводит к образованию стекла. Борный ангидрид (В203) также может играть роль стеклообразующего компонента в широко известных боратных стеклах.