История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

Из стекловолокна изготавливают стеклонить, стеклоленту, стеклоткань, стеклосетку, различные стеклопласты, световоды и другие изделия. Эти материалы обладают высокой электрической и механической прочностью, высокой нагревостойкостью, хорошими теплоизолирующими свойствами и т. д. Они хорошо перерабатываются методами прессования, склеивания, наматывания и др., в силу чего нашли широкое применение во всех областях науки и техники.

В электротехнической промышленности из них изготавливаются высоковольтная изоляция машин и аппаратов и конструктивные детали.

В радиоэлектронной промышленности они используются для изготовления печатных плат, как изоляционный и конструкционный материал, а также в устройствах передачи информации (световоды).

В машиностроении изделия из стекловолокон и стеклоткани успешно конкурируют с металлами и применяются для изготовления элементов корпусов и других деталей.

В строительстве стеклоткань используется как изолирующий и защитный материал, а стеклонити могут применяться для изготовления стеклянной арматуры.

Космическая промышленность использует стеклопластики для тепловой изоляции, например в спускаемых космических капсулах.

Широкое применение материалов на основе стекловолокна стало возможно благодаря освоению простой технологии получения непрерывного стекловолокна и избытку исходного сырья. В настоящее время в некоторых странах объем материалов на основе стекловолокна достигает десятков тысяч тонн в год.

Процесс получения непрерывного стекловолокна основан на вытягивании моноволокна из расплавленного стекла.

Основным технологическим элементом стеклопрядильного агрегата (СПА) является сосуд из платино-радиевого сплава примерно прямоугольной формы (лодочка), одна из граней которого имеет отверстия диаметром 1 мм (фильеры). Количество фильер в зависимости от длины сосуда – 100, 200 или 400. Сосуд заполняют исходным материалом – стеклянными шариками (двухстадийный способ) или предварительно расплавленной шихтой (одностадийный способ). Нагрев сосуда осуществляют переменным током более 2000 А до температуры более 1000 °C в зависимости от состава стекломассы. Расплавленная стеклянная масса вытекает через фильеры. При скорости вытягивания 50–60 м/с на расстоянии 2,7 мм от фильерной пластины она, не успевая еще охладиться и затвердеть, вытягивается в очень тонкие моноволокна (3–9 мкм). В процессе вытягивания они проходят через лоток с замасливателем, скрепляющим моноволокна в одну прядь, которая заправляется на вращающийся барабан (бобину). Нить, полученная таким способом, обладает большой гибкостью и может в дальнейшем перерабатываться методами текстильной промышленности (скрутка, ткачество). Толщина стеклянных тканей составляет 0,07—0,28 мм. Постоянство моноволокна по толщине обеспечивается автоматической стабилизацией температуры лодочки и уровня стекломассы в сосуде.

Для получения электроизоляционных стеклопластиков применяют волокна из алюмоборосиликатного бесщелочного стекла. Липкую изоляционную стеклоленту изготавливают из кварцевого стекла высокой нагревостойкости.

Для получения полупроводящей стеклоткани (ленты) в состав пропитывающего лака вводят графит, который обуславливает пониженное значение сопротивления. Толщина такой ткани – 0,12– 0,2 мм.

Оптическое волокно используется для изготовления световодов. Такой световой кабель (жгут) диаметром 5–6 мм содержит несколько тысяч светопроводящих волокон диаметром 5—15 мкм.

Для изготовления оптического стекловолокна используют кварцевое (оптическое) или многокомпонентное стекло. Температура плавления – 1000 °C.

Отличительной особенностью таких волокон является то, что их поверхность имеет коэффициент преломления, отличный от сердцевины. Благодаря этому луч света, проникнув внутрь моноволокна, претерпевает многократное отражение от его поверхности (граница раздела), проходит вдоль волокна и таким образом передает информацию на другой конец.

Преимущества световых кабелей: широкая полоса и высокая скорость передачи информации, низкий уровень потерь сигнала, нечувствительность к электромагнитным помехам.

Впервые стекольное волокно получились случайно. На производстве стекла произошла авария, при которой расплавленная масса была раздута подаваемым под давлением воздухом. В результате получились нити, отличающиеся некой долей гибкости. Это стало неожиданностью, поскольку толстое стекло после застывания является очень твердым. С тех пор прошло уже более 150 лет. Технология немного изменилась, но принцип остался прежним.

Для производства стекловолокна применяется кварцевый песок или битое стекло. Применяемая технология не подразумевает использования сложного оборудования, она является довольно простой. При этом получаемый материал обладает рядом свойств, зависящих от способа подготовки волокна.