Закаленное стекло
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2009 г. ) |
Закаленное или закаленное стекло — это тип безопасного стекла, обработанного контролируемой термической или химической обработкой для увеличения его прочности по сравнению с обычным стеклом. внешних поверхностей Закалка приводит к сжатию внутренних поверхностей и растяжению . Такие напряжения приводят к тому, что стекло при разбитии разбивается на мелкие зернистые куски, а не на большие зазубренные осколки, как это происходит в обычном отожженном стекле . Эти более мелкие, зернистые куски с меньшей вероятностью вызовут глубокое проникновение при попадании в поверхность объекта (например, под действием силы тяжести, ветра, падения на них и т. д.) по сравнению с более крупными зазубренными осколками, поскольку уменьшение как массы, так и максимальный размер осколка стекла соответствует уменьшению как импульса, так и глубины проникновения осколка стекла.
Закаленное стекло используется из-за своей безопасности и прочности в различных областях применения, включая окна легковых автомобилей (кроме лобового стекла), душевые двери, аквариумы, двери и столы из архитектурного стекла, поддоны для холодильников, защитные пленки для мобильных телефонов, компоненты из пуленепробиваемого стекла , маски для дайвинга. , а также тарелки и кухонная посуда.
Характеристики
[ редактировать ]
Закаленное стекло примерно в четыре раза прочнее отожженного. [1] [2] Более быстрое сжатие наружного слоя во время производства вызывает сжимающие напряжения на поверхности стекла, уравновешиваемые растягивающими напряжениями в теле стекла. Полностью закаленное стекло толщиной 6 мм должно иметь минимальное поверхностное сжатие 69 МПа (10 000 фунтов на квадратный дюйм) или сжатие по краям не менее 67 МПа (9 700 фунтов на квадратный дюйм). [3] считалось Чтобы стекло безопасным , поверхностное сжимающее напряжение должно превышать 100 мегапаскалей (15 000 фунтов на квадратный дюйм). В результате повышенного поверхностного напряжения при разбивании стекло разбивается на небольшие округлые куски, а не на острые зазубренные осколки.
Сжимающие поверхностные напряжения придают закаленному стеклу повышенную прочность. Отожженное стекло практически не имеет внутренних напряжений и обычно образует на своей поверхности микроскопические трещины. Напряжение, приложенное к стеклу, может вызвать распространение трещины, которая, однажды начавшись, концентрирует напряжение на кончике трещины, вызывая распространение трещины со скоростью звука через стекло. [ нужна ссылка ] Следовательно, отожженное стекло хрупкое и разбивается на неровные и острые куски. [4] Сжимающие напряжения на поверхности закаленного стекла содержат дефекты, препятствующие их распространению или расширению.
Любая резка или шлифовка должны быть выполнены перед закалкой. Резка, шлифовка и резкие удары после закалки могут привести к разрушению стекла.
Рисунок деформации, возникающий в результате отпуска, можно наблюдать, рассматривая его через оптический поляризатор , например, через поляризационные солнцезащитные очки.
Использование
[ редактировать ]
Закаленное стекло используется, когда важными факторами являются прочность, термостойкость и безопасность. Например, пассажирские транспортные средства отвечают всем трем требованиям. Поскольку они хранятся на открытом воздухе, они подвергаются постоянному нагреву и охлаждению, а также резким перепадам температуры в течение года. Кроме того, они должны выдерживать небольшие удары дорожного мусора, например камней, а также дорожно-транспортные происшествия. Поскольку большие острые осколки стекла могут представлять дополнительную и неприемлемую опасность для пассажиров, используется закаленное стекло, поэтому в случае его разбивания осколки остаются тупыми и в основном безвредными. Вместо этого ветровое стекло или ветровое стекло изготовлено из многослойного стекла , которое не разбивается на куски при разбивании, в то время как боковые окна и заднее ветровое стекло исторически изготавливались из закаленного стекла. Некоторые новые роскошные автомобили имеют ламинированные боковые окна в соответствии с правилами сохранения пассажиров, защиты от угона или звукоизоляции.
Другие типичные области применения закаленного стекла включают:
- Балконные двери
- Спортивные сооружения
- Бассейны
- Фасады
- Душевые двери и ванная комната
- Выставочные площади и экспозиции
- Компьютерные башни или компьютерные корпуса (см.:
- для мобильных телефонов Защитные пленки
Здания и сооружения
[ редактировать ]Закаленное стекло также используется в зданиях для конструкций без рамы (например, безрамных стеклянных дверей), конструкций, нагруженных конструкциями, и любых других применений, которые могут стать опасными в случае воздействия человека. Строительные нормы в Соединенных Штатах требуют закаленного или многослойного стекла в нескольких ситуациях, включая некоторые мансардные окна, стекло, установленное возле дверных проемов и лестниц, большие окна, окна, доходящие до уровня пола, раздвижные двери, лифты, панели доступа пожарной части и стекло, установленное вблизи бассейны. [5]
Бытовое использование
[ редактировать ]Закаленное стекло также используется в быту. Некоторой распространенной бытовой мебелью и бытовой техникой, в которой используется закаленное стекло, являются безрамные душевые двери, стеклянные столешницы, стеклянные полки, шкафное стекло и стекло для каминов.
Общественное питание
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Май 2017 г. ) |
«Закаленный по краю» означает, что ограниченная область, например край стакана или тарелки, закалена и популярна в сфере общественного питания. Существуют также полностью закаленные варианты для обеспечения прочности и термостойкости. Некоторые страны устанавливают требования по этому поводу.
Закаленное стекло также все чаще используется в барах и пабах, особенно в Великобритании и Австралии, чтобы предотвратить использование битого стекла в качестве оружия . [6] [7]
Готовим и выпекаем
[ редактировать ]Некоторые формы закаленного стекла используются для приготовления пищи и выпечки . Производители и бренды включают Glasslock, Pyrex , Corelle и Arc International . Это также тип стекла, используемого для дверец духовки.
Устройства с сенсорным экраном
[ редактировать ]В большинстве мобильных устройств с сенсорным экраном используется закаленное стекло той или иной формы (например, Corning от Gorilla Glass ), но существуют также отдельные закаленные защитные пленки для устройств с сенсорным экраном, которые продаются в качестве аксессуара. [8]
Производство
[ редактировать ]
Закаленное стекло может быть изготовлено из отожженного стекла с помощью процесса термической закалки. Стекло помещают на роликовый стол и пропускают через печь, которая нагревает его значительно выше переходной температуры от 564 °C (1047 °F) до примерно 620 °C (1148 °F). Затем стекло быстро охлаждается принудительной тягой воздуха, в то время как внутренняя часть остается свободной в течение короткого времени.
Альтернативный процесс химической закалки включает сжатие поверхностного слоя стекла толщиной не менее 0,1 мм путем ионного обмена ионов натрия на поверхности стекла с ионами калия (которые на 30% больше), путем погружения стекла в ванну с расплавленный нитрат калия . Химическая закалка приводит к увеличению прочности по сравнению с термической закалкой и может применяться к стеклянным предметам сложной формы. [9]
Недостатки
[ редактировать ]Закаленное стекло необходимо разрезать по размеру или придать ему форму перед закалкой, и после закалки его нельзя подвергать повторной обработке. Полировка кромок или сверление отверстий в стекле производится до начала процесса закалки. Из-за сбалансированных напряжений в стекле повреждение любой части в конечном итоге приведет к тому, что стекло разобьется на кусочки размером с ноготь. Стекло наиболее подвержено разрушению из-за повреждения его края, где растягивающее напряжение является наибольшим, но оно также может разбиться в случае сильного удара в середине стеклянного стекла или в случае сосредоточенного удара (например, по стеклу ударяют закаленным острием).
Использование закаленного стекла в некоторых ситуациях может представлять угрозу безопасности из-за склонности стекла полностью разбиться при сильном ударе, а не оставлять осколки в оконной раме. [10]
На поверхности закаленного стекла наблюдаются поверхностные волны, вызванные контактом с выравнивающими роликами, если оно было сформировано с использованием этого процесса. Эта волнистость является серьезной проблемой при производстве тонкопленочных солнечных элементов. [11] Процесс флоат-стекла можно использовать для получения листов с низкой деформацией и очень плоскими и параллельными поверхностями в качестве альтернативы для различных видов остекления. [12]
Самопроизвольное разрушение стекла
[ редактировать ]Самопроизвольное разрушение стекла — это явление, при котором закаленное стекло (или закаленное) может самопроизвольно разбиться без какой-либо видимой причины. Наиболее распространенными причинами являются: [13] [14]
- Внутренние дефекты стекла, такие как включения сульфида никеля . Дефекты сульфида никеля могут стать причиной самопроизвольного разрушения закаленного стекла спустя годы после его изготовления. [15] включения сульфида никеля В стекле могут присутствовать («камни»). Наиболее распространенной причиной этих включений является использование оборудования из нержавеющей стали в процессе производства и обработки стекла. Мелкая стружка нержавеющей стали , содержащая никель, со временем меняет структуру и разрастается, создавая внутренние напряжения в стекле. Когда эти напряжения превышают прочность стекла, происходит разрушение. Этот тип поломки почти всегда встречается в закаленном стекле и обозначается характерным узором в виде «восьмерки», при этом каждая «петля» восьмерки имеет диаметр примерно 30 мм. В качестве альтернативы, небольшие кусочки огнеупорного кирпича могут быть вымыты расплавленным стеклом из внутренних стенок печи во время обработки и застрять в готовом стекле. Они также известны как «камни» и также могут разбить стекло при нагревании, поскольку создают тепловые аномалии.
- Незначительные повреждения во время установки, такие как потертости или сколы на краях, которые впоследствии перерастают в более крупные разрывы, обычно расходящиеся от места дефекта. Во время перемещения и установки стекла стекольщикам легко надрезать или отколоть края стекла с помощью различных инструментов. Также возможно, что такие крепежные детали, как гвозди или шурупы, используемые для крепления стеклянных упоров, повредят края стекла, если эти крепежные детали установлены под неправильным углом. Эти небольшие зазубрины или сколы не могут привести к немедленной поломке. Однако со временем, когда стекло расширяется и сжимается, вокруг зазубрины может возникнуть концентрация напряжений, что приведет к поломке. В случае с закаленным стеклом обычно разбивается весь блок.
- Закрепление стекла в раме, вызывающее возникновение напряжений по мере расширения и сжатия стекла из-за температурных изменений или отклонений из-за ветра. Стекло расширяется и сжимается при изменении температуры и прогибается под действием ветра, поэтому почти все современное стекло установлено на упругих блоках внизу и с пространством для расширения по бокам и вверху. Прокладки, удерживающие стекло в раме, также обычно эластичны и защищают стекло от ударов ветра. Если по периметру устройства не предусмотрено пространство, стекло будет прижиматься к раме, что приведет к возникновению внутренних напряжений в стекле, которые могут превысить прочность стекла и привести к его поломке.
- Термические напряжения в стекле. Поломка из-за термического напряжения наиболее распространена в больших кусках герметичного изоляционного стекла с тяжелыми теплопоглощающими (отражающими) покрытиями. Покрытие обычно наносится на поверхность «номер два» (внутренняя поверхность внешней поверхности). Это приводит к тому, что внешняя часть стекла нагревается сильнее, чем внутренняя, поскольку покрытие преобразует лучистое тепло Солнца в физическое тепло. Поскольку внешняя часть расширяется из-за нагрева, весь блок изгибается наружу. Если распорная планка или другое краевое условие соединяют два листа стекла очень жестко, могут возникнуть напряжения изгиба, которые превысят прочность стекла, что приведет к поломке. Это стало причиной обширного разбития стекла в Башне Джона Хэнкока в Бостоне.
- Недостаточная толщина стекла для выдерживания ветровой нагрузки. Слишком большое или тонкое стекло, не рассчитанное должным образом на ветровые нагрузки на объекте, может быть сломано ветром. См. принцип Бернулли о ветре.
Любая проблема с поломкой имеет более серьезные последствия, если стекло установлено над головой или в общественных местах (например, в высотных зданиях). для защитную оконную пленку На закаленное стекло можно наклеить защиты от его падения. Старомодной мерой предосторожности была установка металлических экранов под мансардными окнами.
История
[ редактировать ]Франсуа Бартелеми Альфред Ройе де ла Басти (1830–1901) из Парижа, Франция, приписывают первую разработку метода закалки стекла. [16] путем закалки почти расплавленного стекла в нагретой ванне с маслом или жиром в 1874 году, метод запатентован в Англии 12 августа 1874 года, патент номер 2783. Закаленное стекло иногда называют стеклом Басти в честь де ла Басти. В 1877 году немец Фридрих Сименс разработал другой процесс, иногда называемый сжатым стеклом или стеклом Сименса, позволяющий производить закаленное стекло, более прочное, чем процесс Басти, путем прессования стекла в холодных формах. [17] Первый патент на весь процесс изготовления закаленного стекла принадлежал химику Рудольфу А. Зейдену , который родился в 1900 году в Австрии и эмигрировал в США в 1935 году. [18]
Хотя в то время основной механизм не был известен, эффект «закалки» стекла был известен на протяжении веков. Примерно в 1660 году принц Руперт Рейнский открытие того, что сейчас известно как « Капли принца Руперта довел до сведения короля Карла II » . Это кусочки стекла каплевидной формы, которые получаются путем падения расплавленной капли стекла в ведро с водой, тем самым быстро охлаждая ее. Они могут выдержать удар молотка по выпуклому концу, не разбиваясь, но капли распадутся со взрывом в порошок, если хвостовой конец будет хотя бы слегка поврежден.
См. также
[ редактировать ]- Термический стресс
- Боросиликатное стекло
- Огнезащитное стекло
- Суперстекло
- Стекло с низким содержанием железа
- Витраж
- Свинцовое стекло
- Прессованное стекло
- Superfest (химически закаленное стекло, также известное как CV-Glas и Ceverit)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Форд, Марк (22 января 2001 г.). «Как делается закаленное стекло?» . Научный американец . Спрингер Натура Америка, ООО . Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ Блок, Валери, изд. (2002). Использование стекла в зданиях . Вест-Коншохокен, Пенсильвания: ASTM International. ISBN 978-0-8031-3458-4 . Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ «ASTM C1048-18, Стандартные спецификации для термоупрочненного и полностью закаленного листового стекла» . Книга стандартов ASTM . АСТМ Интернешнл. 2018. дои : 10.1520/C1048-18 . Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ «Закаленное или отожженное стекло | Ханкер» . Ханкер.com . Архивировано из оригинала 14 декабря 2017 г. Проверено 13 декабря 2017 г.
- ^ Хагеман, Дж. М.; Бистон, BEP; Хагеман, К. (2008). Руководство подрядчика по Строительным нормам и правилам (6-е изд.). книжной компании мастера ISBN 9781572182028 .
- ^ Шеперд, Дж. (январь 1994 г.). «Насильственные преступления: роль алкоголя и новые подходы к профилактике травматизма». Алкоголь и алкоголизм (Оксфорд, Оксфордшир) . 29 (1): 5–10. ПМИД 8003116 .
- ^ Шепард, JP; Хаггетт, Р.Х.; Киднер, Дж. (декабрь 1993 г.). «Ударопрочность барных стаканов» . Журнал травмы . 35 (6): 936–8. дои : 10.1097/00005373-199312000-00021 . ПМИД 8263994 . Проверено 19 сентября 2021 г.
- ^ «ПЭТ, ТПУ или закаленное стекло — все, что вам нужно знать, чтобы выбрать защитную пленку» . phonearena.com . Архивировано из оригинала 20 августа 2015 г.
- ^ Пфаендер, Хайнц Г. (1996). Руководство Шотта по стеклу (2-е изд.). Лондон: Чепмен и Холл. ISBN 9780412620607 .
- ^ О'Блок, Роберт Л.; Доннермейер, Джозеф Ф.; Доерен, Стивен Э. (1991). Безопасность и предупреждение преступности . Баттерворт-Хайнеманн. п. 118 .
Однако безопасность закаленного стекла сомнительна. Хотя он устойчив к кирпичу или камню, он чувствителен к воздействию острых инструментов, таких как ледорубы или отвертки. При таком нападении закаленное стекло имеет тенденцию легко и бесшумно сминаться, не оставляя острых краев.
- ^ Валецкий, Войтек Дж.; Сонди, Фанни (2008). «Комплексная квантовая эффективность, топография и метрология напряжений для производства солнечных элементов: подход из реального космоса» . В Дере, Нилкант Г. (ред.). Надежность фотоэлектрических элементов, модулей, компонентов и систем . Том. 7048. Беллингем, Вашингтон: SPIE. п. 704804. Бибкод : 2008SPIE.7048E..04W . дои : 10.1117/12.792934 . ISSN 0277-786X . S2CID 96798712 . Проверено 12 июня 2020 г.
- ^ «ТЕХНОЛОГИЯ ФЛОАТ-СТЕКЛА» . ajzonca.tripod.com . Архивировано из оригинала 14 декабря 2017 г. Проверено 13 декабря 2017 г.
- ^ Американское общество по испытаниям и материалам ( ASTM ) E 2431 - «Практика определения устойчивости отожженного архитектурного плоского стекла с одинарным остеклением к тепловым нагрузкам».
- ^ ASTM E1300 - «Стандартная практика проектирования для определения устойчивости стекла к нагрузкам в зданиях».
- ^ Барри, Джон (12 января 2006 г.). «Ахиллесова пята чудесного материала: закаленное стекло» . Стекло в сети . Проверено 16 августа 2019 г.
- ^ «Стекло». Британская энциклопедия: словарь искусств, наук и общей литературы . 9-е изд. (Американское переиздание). Том. 10. Филадельфия: Шерман и компания, 1894. 595. Печать.
- ^ Ульманн, Д. Р. и Крейдл, ред. Нью-Джерси. Стекло. Наука и технологии: эластичность и прочность стекол . Том. 5. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Академик, 1980. 197. Печать.
- ^ Барр, Йохатан. «Справочник по закалке стекла: понимание процесса закалки стекла». Самостоятельная публикация. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2 апреля 2015 г. Проверено 28 февраля 2015 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ), доступ 28 февраля 2015 г.