Определение термической стойкости стекла и

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 7

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

ситаллов

Цель работы: определение термической стойкости стекла и ситаллов экспериментальным методом.

Основные понятия

К теплофизическим свойствам стекла можно отнести теплоёмкость, теплопроводность, термическое расширение и термическую устойчивость.

Теплоемкость (С) показывает, какое количество теплоты необходимо подвес­ти к единице массы тела для повышения его температуры на один градус. У стекол она колеблется от 0,3 до 1,05 кДж/(кг·°К). Поэтому обычно для стекол измеряют среднюю теплоемкость для того или иного интервала температур при постоянном давлении С_р.

Теплоемкость стекол возрастает при введении в них легких элементов Li₂O, Na₂O, BeO и снижается при значитель­ном содержании оксидов бария и свинца (BaO, PbO). Используют эту величину при расчете стекловарочных печей, отжи­гательных, стеклоформующих и закалоч­ных машин.

Коэффициент теплопроводности (l) показывает, какое количество тепла проходит в 1с. через пластину толщиной 1м и площадью 1м² при разности температур 1°С. Для различных стекол колеблется от 0,7 до 1,3 Вт/(м·К). Стекло является плохим проводником тепла. С повышением температуры теплопроводность стекла увеличивается, при нагревании выше t_g примерно удваивается, коэффициент теплопроводности зависит от химического состава. Наиболее высокой теплопроводностью обладает кварцевое стекло – 1,34. Щелочные и щелочноземельные оксиды снижают теплопроводность.

Термическое расширение (a). От величины a зависит сопротивляемость стекла резким изменением температур (термическая устойчивость). Кроме того, в технике часто приходиться спаивать стекло со стеклом другого состава, с керамикой и металлами. Если спаиваемые друг с другом материалы будут иметь различное тепловое расширение, то прочность спая получить не удастся: изделия при охлаждении растрескиваются.

Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) находится из соотношения:

, град^-1

где Dl – приращение длины при нагревании на Dt°, l – первоначальная длина образца.

ТКЛР изменяется в пределах 5•10^-7–200•10^-7 град^-1 и его величина существенно зависит от химического состава. Так у кварцевого стекла a = 5•10^-7 град^-1, у оконных и тарных стекол a = 90–100•10^-7 град^-1. Сильно снижает ТКЛР оксиды SiO₂, B₂O₃, Al₂O₃, увеличивают – Na₂O, K₂O.

На дилатометрической кривой нагревания наблюдается резкий перегиб в сторону увеличения Dl (в области стеклования). ТКЛР представляет собой тангенс угла наклона прямолинейного участка кривой относительно удлинения. По кривой расширения можно определить также температуры стеклования (t_g), размягчения (t_f) (деформация под нагрузкой) и отжига (Т_н.о и Т_в.о)

Термическая устойчивость. В процессе эксплуатации стеклянные изделия часто подвергаются тепловым ударам, т.е. испытывают переменное нагревание и охлаждение. Способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры называется термостойкостью.

Термостойкость является сложным техническим свойством и зависит от многих факторов, таких как коэффициент термического расширения, упругости, прочности при расширении, теплоёмкости, химического состава, формы образца, размера изделий и др.

Если какое-либо стеклянное изделие нагреть до определенной температуры, а затем резко охладить, то поверхностный слой стремится сжаться. Однако внутренняя часть образца, имеющая более высокую температуру, препятствует сжатию, вызывая растяжение поверхностного слоя. Так как сопротивление стекла растяжению не велико (в 10-20 раз меньше, чем сжатию), то резкий перепад температур вызывает растрескивание.

Возникающие в стекле усилия растяжения тем больше, чем больше коэффициент термического растяжения. Следовательно, стёкла с малым температурным коэффициентом расширения обладают более высокой термостойкостью.

Иная картина наблюдается при резком повышении температуры стеклянного образца. Поверхностный слой его расширяется, а внутренний слой, имеющий более низкую температуру, препятствует расширению, т. е. поверхностный слой испытывает усилия сжатия. Так как предел прочности стекла на сжатие значительно выше, чем на растяжение, то нагревание стекла менее опасно, чем охлаждение.

Термическая стойкость различных видов стёкол находится в пределах 90-1000°С.

В табл. 11.1 приведены данные по термостойкости стёкол и ситаллов.

Таблица 11.1

Термостойкость стекол и ситаллов

Прочность ситаллов, как правило, значительно выше прочности стекла, поэтому термостойкость их при равных значениях ТКЛР имеет более высокое значение.

По сравнению с другими материалами стекло имеет невысокую термостойкость, например, сталь можно многократно нагревать до 1100-1200˚С и опускать в воду, не опасаясь разрушения.

Термостойкость стекла зависит от его химического состава, определяющего тепловое расширение и механические свойства стекла. Все компоненты, уменьшающие ТКЛР, увеличивают его термостойкость. К ним относятся SiO₂, B₂O₃, Al₂O₃, ZnO, MgO и др. понижение термостойкости вызывается теми же причинами, которые ведут к снижению механической прочности стекла. Значительно снижают термостойкость стекла царапины и трещины, имеющиеся на поверхности, а также различные неоднородности и пороки стекла (свили, камни). Термостойкость стекла может быть повышена огневой полировкой его поверхности или травлением стекла плавиковой кислотой. Закалка стекла также может увеличить термостойкость в 1,5-2 раза.

Термостойкость может быть рассчитана по формуле, предложенной Винкельманом и Шоттом:

,

где К – коэффициент термостойкости стекла;

Р – предел прочности при растяжении, МПа;

a – ТКЛР, град^-1;

Е – модуль упругости, МПа;

l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

с – теплоемкость, кДж/(кг·К);

d – плотность, кг/м³.

Для цилиндрических образцов с толщиной стенок менее 1 мм термостойкость приближённо может быть найдена по формуле:

Толщина стенки стеклянного изделия существенно влияет на термостойкость: чем тоньше изделие, тем выше термостойкость. Эта зависимость выражается следующей формулой:

, (11.1)

где Δt – термостойкость изделия, ˚С

Δt ₁ – разность температур, при которой разрушился образец, ˚С

δ – толщина стенки изделия, мм.

Результаты испытаний цилиндрических образцов на термостойкость приводят к диаметру образца, равному 6 мм, по формуле:

, (11.2)

где d – диаметр образца, мм; 0,6 – переводной коэффициент к стандартному образцу с диаметром 6 мм.

Способы определения термостой­кости основаны на резком переохлаждении изделий в виде пластин, штабиков или балочек от заданной высокой тем­пературы до температуры охлаждаю­щего агента, в качестве которого обычно применяют воду. Способы определения термостойкости различаются как аппа­ратурным оснащением, которое зависит от размеров и массы испытуемого объекта и условий испытания, так и выбором параметров, по которым оценивают термическую устойчивость. В качестве таких параметров могут фигурировать: число теплосмен, выдерживаемых материалом без разрушения (при условии, что перепад температур остается постоянным для каждого теплоудара); число теплосмен, которое способно выдержать изделие до фиксированной степени разрушения, задаваемой потерей массы (ГОСТ 7875–83); максимальная разность температур, приводящая к локальному разрушению изделий; потеря прочности после одной или нескольких теплосмен.

Для испытания изделий из стекла наиболее широкое распространение получил метод разрушающего термического удара (рис. 1.2)

Прибор для определения термостойкости состоит из трубчатой электрической печи 1, снабжённой приспособлением 2 для установки образца в печи во время его нагревания и последующего сбрасывания в ёмкость с водой 3. Тяга 4 служит для открывания крышки 5 (при сбрасывании образца) закрывающей снизу полость печи.

Методика проведения работы

Согласно ГОСТ 11103-85 термостойкость листового стекла и ситаллов определяют на полированных пластинах размером 30×30×4 мм. При лабораторных исследованиях можно использовать цилиндрические стержни из стекла длиной 25 мм, диаметром 5-6 мм с оплавленными концами. Образцы тщательно просматривают под лупой. Выбираются образцы без пороков и трещин. Термостойкость определяют как среднюю арифметическую величину для 10 образцов.

Испытания начинают обычно при температуре, лежащие ниже предполагаемой по термостойкости на 20-30°С. Отобранные образцы помещают в печь и выдерживают при определённой температуре в течение 15 минут, а затем сбрасывают в стакан с водой комнатной температуры.

Извлечённые из воды образцы тщательно просматриваются под лупой. Образцы с трещинками отбираются, а остальные вновь загружаются в печь. Выбор шага повышения температуры Δt зависит от свойств материала с учётом предполагаемого среднего перепада температур, способного разрушить образец. При низкой термостойкости (от 50 до 100 °С) шаг повышения температуры может составлять 20-25°С. Испытания проводят до тех пор, пока все образцы не разрушатся. Термостойкость рассчитывают по формулам (1, 2).

Выводы по работе: оценить термическую стойкость исследуемого образца. Сравнить термостойкость двух образцов и сделать вывод о влиянии толщины стенки на термостойкость.

Контрольные вопросы по работе:

1. Теплофизические свойства стекол?

2. Что является мерой термостойкости

3. Как рассчитать коэффициент термостойкости?

4. Методы повышения термической стойкости стекол.

5. Как взаимосвязаны ТКЛР (Термический коэффициент линейного расширения) и термостойкость?

6. Как определить число теплосмен?

7. Методы определения термостойкости стекол.

Лабораторная работа № 12