3. Ciało stałe
krystaliczne amorficzne
Uporządkowanie dalekiego zasięgu Uporządkowanie bliskiego zasięgu
Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna-
dla promieniowania X,neutronowego,
elektronowego:ugięcie pod określonymi
kątami.
szkliste
Rentgeno-bezpostaciowe
5. Co to jest szkło?
Definicje szkła:
Definicja (genetyczna) Maxwella
Każdą substancję niezależnie od jej składu
chemicznego, która w wyniku ochładzania przeszła w
sposób ciągły od stanu ruchliwej cieczy do stanu
stałego, przekraczając w pewnej temperaturze
lepkość 1013
dPsek, nazywamy szkłem.
6. Definicja według U.S. National Research Council:
Każda substancja rentgenograficznie bezpostaciowa, wykazująca
przemianę zeszklenia (witryfikacji) jest szkłem.
Definicja fenomenologiczna
Szkło wykazuje izotropię wszystkich właściwości, a kryształ
wystarczy, by wykazywał anizotropię jednej jedynej właściwości.
Izotropia właściwości – dana właściwość nie jest funkcją kierunku
jej badania.
Anizotropia właściwości - dana właściwość jest funkcją kierunku
jej badania ( łupliwość kryształu).
7. Definicja strukturalna szkła
Struktura szkła charakteryzuje się brakiem uporządkowania
dalekiego zasięgu, nie wykazuje właściwości siatki dyfrakcyjnej
dla promieniowania rentgenowskiego.
Definicja termodynamiczna szkła
Szkło jest stanem nietrwałym, w którym brak jest równowagi
konfiguracyjnej (strukturalno- teksturalnej)
Definicja szkła wg Meckenzie
Produkt niekrystaliczny
8. Sposoby tworzenia substancji amorficznych:
Technologie przemysłowe
Topienie, przechłodzenie stopu,
formowanie, witryfikacja
(zeszklenie), stabilizacja
struktury (odprężanie);
Technologie specjalne
z fazy gazowej z fazy ciekłej
metoda zol-żel
-czyli synteza
szkieł z roztworów
metoda CVD czyli
otrzymywanie szkieł na
drodze reakcji w fazie
gazowej i kondensacji
gazowych produktów
reakcji
SiCl4+2H2O SiO2+4HCl
10. Z czego zrobić szkło
stosując przemysłową technologię
topienia i przechłodzenia stopu
Modyfikatory
Topniki
Surowce
szkłotwórcze
Surowce
pomocnicze
11. Surowce szkłotwórcze, czyli wykazujące
zdolność tworzenia stopu o własnościach
szkłotwórczych (wysoka lepkość w
temperaturach topienia lub likwidusu);
przykłady: krzemionka SiO2
, związki boru,
fosforu, tlenki germanu, galu.
Topniki - związki obniżające temperaturę
topienia surowców szkłotwórczych;
przykłady: surowce węglanowe: węglany
sodu, potasu, wapnia;
12. Modyfikatory – związki modyfikujące
właściwości szkła;
przykłady: surowce węglanowe (węglan baru,
węglan magnezu), tlenkowe (tlenki ołowiu,
tlenek cynku, tlenek glinu i inn.);
Surowce pomocnicze - związki
wspomagające odgazowanie stopu (surowce
klarujące) oraz nadające szkłom szczególne
własności (surowce barwiące, odbarwiające,
wywołujące „zamącenie” itp.)
13. Surowce pomocnicze w technologii szkła
Surowce klarujące (wspomagające odgazowanie
stopu)
siarczan sodu Na2
SO4
lub inne surowce siarczanowe +
reduktor (najczęściej węgiel)
azotany (saletry) NaNO3
; KNO3
Barwniki:
związki metali przejściowych: Co, Ni, Mn, Cr, Cu, Fe, Ti
i inn.;
związki kadmu, selenu, siarki: CdS, CdSe;
metale w rozproszeniu koloidalnym (pyrozole): Ago
, Auo
,
Cuo
, Seo
14. Składy chemiczne szkieł
przemysłowych
Szkła krzemianowe
szkło budowlaneszkło
opakowaniowe
szkło gospodarcze
Składy szkieł w przeliczeniu
na tlenki w % wagowych
Stosowane surowce
SiO2
70-75
Na2
O 14-17
CaO 8-12
MgO 3-5
Al2
O3
0,5-2,5
piasek kwarcowy
soda Na2
CO3
wapień CaCO3
dolomit CaCO3
.
MgCO3
skalenie (np.
Na O.
A O .
6SiO )
15. Składy chemiczne szkieł
przemysłowych
Szkła boranowo-krzemianowe
szkło laboratoryjne
Szkła typu PYREX (SiO2
-B2
O3
-R2
O)
szkło techniczne
Składy szkieł w przeliczeniu
na tlenki w % wagowych
Stosowane surowce
SiO2
80-82
B2
O3 11-13
Al2
O3
2-3
R2O 0,6-4
(Na2O, K2O)
piasek kwarcowy
kwas borowy H3
BO3
boraks Na2
B4
O7
skalenie lub tlenek i
wodorotlenek glinu
K2O - potaż K2
CO3
Na2O - soda Na2
CO3
19. Topienie
Procesy fizyczne i reakcje chemiczne zachodzące w
zestawach surowcowych podczas ogrzewania (zestaw
surowcowy: piasek SiO2
, soda Na2
CO3
,wapień CaCO3
)
Usuwanie wody
Przemiany polimorficzne (SiO2
)
Ulatnianie się składników (węglan sodu)
Tworzenie się podwójnych węglanów
CaCO3
+ Na2
CO3
→ CaNa2
(CO3
)2
( ≅ 600o
C )
Wyrównywanie stężeń poszczególnych składników
na drodze dyfuzji;
Tworzenie się i topienie eutektyku
CaNa2
(CO3
)2
.
Na2
CO3
(740-800o
C)
20. Topienie
Dysocjacja termiczna węglanów
CaCO3
→ CaO + CO2
(≅ 912o
C)
CaNa2
(CO3
)2
→CaO+Na2
O+2CO2
(≅ 960o
C)
Tworzenie się krzemianów
Na2
CO3
+ 2SiO2
→ Na2
SiO3
+CO2
(≅720-900o
C)
CaO + SiO2
→ CaSiO3
(≅1010o
C)
Topienie krzemianów (do 1100o
C)
Roztwarzanie się ziaren krzemionki w stopie
krzemianowym
21. Klarowanie (odgazowanie) i
ujednaradnianie stopu
Klarowanie – usunięcie ze stopu pęcherzy gazowych.
Czynniki determinujące proces klarowania:
lepkość
napięcia powierzchniowe
Podwyższenie temperatury powoduje:
obniżenie lepkości i napięć powierzchniowych
sprzyja procesowi klarowania
22. Klarowanie (odgazowanie) i
ujednaradnianie stopu
Proces klarowania – przyspiesza dodatek środków
klarujących .
Są to związki chemiczne rozkładające się w temperaturach, w
których stop osiąga niską lepkość sprzyjającą klarowaniu
(powyżej 1200o
C)
Siarczany: Na2
SO4
→ O2
↑ + SO2
↑
Saletry + arszenik: NaNO3
+ As2
O3
→ O2
↑
Temperatury klarowania szkieł przemysłowych
≅ 1450o
C
23. Klarowanie (odgazowanie) i
ujednaradnianie stopu
Ujednaradnianie stopu
Przetrzymywanie stopionej i wyklarowanej
masy szklanej w temperaturze nieco niższej niż
temperatura klarowania;
Ujednaradnianie można przyspieszyć przez
zastosowanie mieszania mechanicznego;
24. Formowanie
Studzenie stopu do temperatury wyrobowej -
Obniżenie temperatury stopu celem osiągnięcia
odpowiedniej lepkości dla danego sposobu
formowania
Zakres lepkości formowania:
lg η = 3 – 5
25. Formowanie
Metody formowania ze stopu
wydmuchiwanie (ręczne, maszynowe)
wyciąganie tafli, rur, prętów (pionowe, poziome)
walcowanie
26. Formowanie
Metody formowania ze stopu
formowanie tafli na kąpieli metalicznej
(metoda float
prasowanie (wyroby grubościenne –
kształtki budowlane, popielnice itp.)
rozwłóknianie (włókna krótkie i długie)
42. OLED- płaskie źródła światła
Circuit Board- płyty przewodzące
prąd z nadrukiem na szkle
Szkło przełączane
Powłoki przewodzące prąd elektryczny (przewodnictwo
elektronowe)
44. Pod względem rozwiązań konstrukcyjnych rozróżnia się
następujące typy szkleń pełniących funkcję nośną:
•belki szklane:
poziome i pionowe (żebra)
• kolumny
• rury
46. Town Hall Column, Saint Germain-en Laye, www.dupont.com/safetyglass/Ign/stories/2401.html
47. Szkło borokrzemianowe
Średnica zewnętrzna 85-240 mm
Długość 4,60 - średnica 165 mm
Średnica zew. 200 mm, grubość ścianki 9 mm obciążenie 33 t
HI-TECH-GLASS Grünenplan GMbH
Szklane rury
48.
49.
50.
51. Meczet Nasir al-Mulk (koniec XIX w.) przechodzące światło tworzy wrażenie
kalejdoskopu
Fotografia: Abbas Arabzadeh
Gra kolorów i świateł w celu iluminacji fasad i obiektów, przy wykorzystaniu szkła
czy też ożywienie” poszczególnych części struktury znane było od wieków.
Projekty oparte były na zjawisku przepuszczalności i odbicia światła.
56. Cyfryzacja
1980
komputery
1990
dostęp do sieci
2000
sensory mobilność
oddziaływanie
Powszechność technologii cyfrowej zmieniło oblicze
komunikowania masowego. Zmienił się jego charakter,
skala oddziaływania i społeczne znaczenie. Przekaz
informacji i opinii staje się przekazem dwustronnym, w
którym między nadawcą a odbiorcą dochodzi do dialogu
oraz zamiany ról. W architekturze obserwujemy trend
komunikacji masowej, dla której podstawą stała się
interaktywność relacji między nadawcą a odbiorcą.
57. Project buidling info foamglass Ref.2004/03/EN
Fasady i elewacje funkcyjne – trendy:
-efektywne energetycznie
-zapewniające większy dopływ światła
-multimedialne
-ekologiczne
-opływowe kształty budynku (duży udział szkła giętego)
-powłoki funkcyjne
Kunsthaus w Graz, Austria
58. Project buidling info foamglass Ref.2004/03/EN
Efektywność energetyczne i ekologia
- Termoizolacyjne szkło piankowe
Kunsthaus w Graz, Austria
59. Project buidling info foamglass Ref.2004/03/EN
Kunsthaus w Graz, Austria
Fasada - 930 lamp fluorescencyjnych
60. LED – OLED – Nowe źródła światła:
układy hybrydowe zawierające kropki kwantowe np.(CdTe), oraz
nanocząstki Au.
LED
64. Transparentne i elastyczne ogniwa fotowoltaiczne
jako element szyb okiennych
• Szyby okienne staja się transparentnym elementem produkującym
energię, transparentne ogniwa fotowoltaiczne mogą być też
elementem szkła stosowanego jako balustrady szklane, daszki
szklane lub żaluzje przeciwsłoneczne
• www.swiat-szkla.pl/component/content/article/13975
• www.swiat-szkla.pl/component/content/article/6591
65. Ogniwa fotowoltaiczne zamknięte w szybach zespolonych
• Szyby zespolone wyposażone w ten rodzaj szkła nie tylko
ochraniają wnętrza przed nadmiernym nasłonecznieniem i
gwarantują wysoką przejrzystość, ale również produkują prąd
pozwalający na zaspokojenie potrzeb współczesnych budynków
• www.swiat-szkla.pl/component/content/article/6747
74. Szkło ultra cienkie o grubości poniżej 100 µm może być produkowane jako
tafle ale również nawinięte na rolkę
Dr Elmar Gunther, Schott AG, 2014
75. Zastosowanie procesu wymiany jonowej (1962)
Podniesienie wytrzymałości (wzmacnianie chemiczne)
Barwienie szkieł
Zmiana współczynnika załamania światła (1966 K.C. Kao
and G.A )
Przetwórstwo szkła- modyfikacja powierzchni
76. Wymiana jonowa w szkłach tlenkowych ma miejsce,
gdy szkło zawierające ruchliwy jon A jest poddane
działaniu związków (soli) zawierających inny ruchliwy
jon B a energia aktywacji reakcji jest uwarunkowana
warunkami termicznymi. Jony ze szkła dyfundują na
zewnątrz natomiast jony z roztworu (soli) dyfundują
do wnętrza warstwy powierzchniowej szkła.
77. Typy reakcji wymiany jonowej w szkłach
1. Wymiana jonów alkalicznych, wszystkie jony biorące
udział w wymianie jonowej są jonami metali alkalicznych
2. Wymiana jonów ziem alkalicznych, wszystkie jony
biorące udział w wymianie jonowej są jonami metali ziem
alkalicznych
3. Wymiana zespalania, włączenie jonów metali innych
niż jony metali ziem alkalicznych i jony alkaliczne (Cu/Ag,
Ca2+
/Pb2+
, Ca2+
/Zn2+
)
4. Dealkalizaja, jony alkaliczne w szkle wymieniane na
wodór podczas reakcji z kwasem.
78. Modyfikacja właściwości w procesie wymiany jonowej
właściwości mechaniczne
twardość, wytrzymałość na rozciąganie i zginanie,
minimalizacja defektów powierzchniowych
optyczne,
absorbancja, luminescencja, fotoczułość, odbicie,
współczynnik załamania, rozpraszanie
elektryczne, przewodnictwo jonowe
chemiczne, odporność na korozję, reaktywność,
energia powierzchni
Dwie podstawowe zasady wzmacniania chemicznego: różnica
we współczynnikach rozszerzalności termicznej pomiędzy
powierzchnią a szklanym podłożem oraz „upychanie jonów”.
79. I. Różnica współczynnika rozszerzalności termicznej
Typy wymiany jonowej:
a) Na+
na H+
dealkalizacja
HCl
Powierzchnia szkła
b) Na+
na Li+ Wysokotemperaturowa wymiana jonowa
II. Upakowanie jonów
Wymiana jonów o większym promieniu jonowym na jony o
mniejszym promieniu jonowym
Li+ < Na+ < K+
80. Wartość i ilość naprężeń ściskających jest proporcjonalna
do objętości szkła, która jest poddana wymianie jonowej.
Wymiana jonowa prowadzona jest poniżej temperatury
transformacji Tg.
Przykłady jonów biorących udział w wymianie jonowej:
Na+
czy K+ na Rb+
, Cs+
, Ag+
, Tl+
Ca2+
na Zn2+
, Sn2+
, Cd2+
i Pb2+
83. Szkło Gorilla
Szkło Gorilla to alkaliczne szkło glinokrzemianowe. Do wytopu
tego szkła używa się czystych surowców. Poprawę
właściwości mechanicznych tego szkła uzyskuje się poprzez
proces wymiany jonowej.
84. Właściwości szkła Gorilla
-twarde (twardość ok 9 w skali Mosha )
-cienkie (0,4mm-2mm)
-lekkie
-odporne na zarysowania
Szkło SLS- 0,227 kN
Szkło SLS po wymianie jonowej- 0,24 kN
Szkło Gorilla -0,538 kN
Zastosowanie
Apple's iPhone ,Motorola Atrix 4G , Nokia N8 ,Nokia C7 ,Nokia
E7 HTC Desire HD , Samsung Galaxy S ,Samsung Vibrant ,
Samsung Galaxy Tab
85. Wytrzymałość na zginanie szkieł po wymianie jonowej;
Gorilla- 0,538 kN
SLS-0,24 kN
http://www.corninggorillaglass.com
86.
87. Pierwsze szkła metaliczne
1960 – Duwez, Willens; stop Au80Si20
Jak najszybciej przejść przez
zakres temperatury od Tl do Tg
(Tg/Tl≈0.7)
Metoda:
Szybkie chłodzenie metoda
melt-spinning
88. Ze względu na dużą ruchliwość elementów stopu metale
wykazują naturalną zdolność do krystalizacji- nie tworzą faz
bezpostaciowych
Dla uzyskania metalu w stanie szklistym konieczna jest bardzo
dużo szybkość studzenia
V〉1010
C/sec.
91. Światłowody- pieśń przyszłości
Popyt na coraz większe przepustowości to wymóg cywilizacyjny.
Neostrada 20 Mbit/s,
1 Gbit/s
LTE maksymalnie 300 Mbit/s
FTTH - internet z prędkością światła
93. RODZAJE SZKIEŁ STOSOWANYCH DO PRODUKCJI
ŚWIATŁOWODÓW
Szkła tlenkowe syntezowane na bazie tlenków ołowiu i bizmutu.
Szkła halogenkowe zawierające halogenki cynku, kadmu, bizmutu i toru.
Szkła fluorkowe otrzymywane na bazie ZrF4
, ThF4
i AlF3
.
Szkła chalkogenidkowe As2
S3
, As2
Te3
i As2
Se3
.
Szkła halogenkowo-chalkogenidkowe z układów:
HgS – PbBr2
– PbI2
oraz Sb2
S3
– HgS – PbBr2
.
• Szkła fotochromowe zawierające SiO2
, Na2
O, Al2
O3
, B2
O3
oraz halogenki
srebra i tlenku miedzi.
• Szkła polichromowe otrzymywane na bazie SiO2
– Al2
O3
– ZnO – Na2
O z
zastosowaniem stabilizatora optycznego CeO2
.
94. Światłowody możemy podzielić na kilka grup:
ze względu na strukturę - światłowody
włókniste i planarne;
ze względu na charakterystykę modową -
światłowody jednomodowe i wielomodowe;
ze względu na rozkład współczynnika
załamania w rdzeniu - światłowody skokowe
i gradientowe;
ze względu na materiał - światłowody
szklane, plastikowe oraz półprzewodnikowe.
