Glas - Glass

In diesem Artikel geht es um das Material. Für andere Verwendungen siehe Glas (Begriffsklärung) .

Eine gläserne Gebäudefassade

Glas ist ein nicht kristalliner , oft transparenter amorpher Festkörper , der eine weit verbreitete praktische, technologische und dekorative Verwendung z. B. in Fensterscheiben , Geschirr und Optik findet . Glas wird am häufigsten durch schnelles Abkühlen ( Abschrecken ) der geschmolzenen Form gebildet; einige Gläser wie vulkanisches Glas kommen natürlich vor. Die bekanntesten und historisch ältesten Glasfabrikate sind „Silikatgläser“ auf Basis der chemischen Verbindung Kieselsäure (Siliziumdioxid oder Quarz ), dem Hauptbestandteil von Sand . Kalknatronglas , das etwa 70 % Siliziumdioxid enthält, macht etwa 90 % des hergestellten Glases aus. Der Begriff Glas wird im allgemeinen Sprachgebrauch oft nur für diese Art von Material verwendet, obwohl silikafreie Gläser oft wünschenswerte Eigenschaften für Anwendungen in der modernen Kommunikationstechnik aufweisen. Einige Gegenstände, wie Trinkgläser und Brillen , werden so häufig aus Glas auf Silikatbasis hergestellt, dass sie einfach beim Namen des Materials genannt werden.

Obwohl brüchiges, vergrabenes Silikatglas sehr lange überleben wird, wenn es nicht gestört wird, und es gibt viele Beispiele für Glasfragmente aus frühen Glasherstellungskulturen. Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass die Glasherstellung in Mesopotamien , Ägypten oder Syrien bis mindestens 3.600 v. Chr. zurückreicht . Die frühesten bekannten Glasobjekte waren Perlen , die vielleicht zufällig bei der Metallbearbeitung oder der Herstellung von Fayencen entstanden . Aufgrund seiner leichten Formbarkeit in jede beliebige Form wurde Glas traditionell für Gefäße wie Schalen , Vasen , Flaschen , Krüge und Trinkgläser verwendet. In seinen feststen Formen wurde es auch für Briefbeschwerer und Murmeln verwendet . Glas kann durch Zugabe von Metallsalzen eingefärbt oder als emailliertes Glas bemalt und bedruckt werden . Die Brechungs- , Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Glas machen Glas für die Herstellung optischer Linsen , Prismen und optoelektronischer Materialien geeignet . Extrudierte Glasfasern hat Anwendung als optische Fasern in Kommunikationsnetzen, wärmedämmenden Material , wenn es als mattierte Glaswolle , um eingeschlossene Luft oder in Glasfaserkunststoff (verstärktes Glasfaser ).

Mikroskopische Struktur

Die amorphe Struktur von glasigem Siliziumdioxid (SiO 2 ) in zwei Dimensionen. Es liegt keine Fernordnung vor, aber eine lokale Ordnung bezüglich der tetraedrischen Anordnung der Sauerstoffatome (O) um die Siliziumatome (Si).
Mikroskopisch hat ein Einkristall Atome in einer nahezu perfekten periodischen Anordnung; ein Polykristall besteht aus vielen mikroskopischen Kristallen; und ein amorpher Feststoff wie Glas weist selbst mikroskopisch keine periodische Anordnung auf.
Hauptartikel: Struktur von Flüssigkeiten und Gläsern

Die Standarddefinition eines Glases (oder glasartigen Festkörpers) ist ein Festkörper, der durch schnelles Abschrecken der Schmelze gebildet wird . Der Begriff "Glas" wird jedoch oft in einem weiteren Sinne definiert, um jeden nichtkristallinen ( amorphen ) Feststoff zu beschreiben, der beim Erhitzen in den flüssigen Zustand einen Glasübergang zeigt .

Glas ist ein amorpher Feststoff . Obwohl die atomare Struktur von Glas die Eigenschaften einer unterkühlten Flüssigkeit teilt , weist Glas alle mechanischen Eigenschaften eines Festkörpers auf. Wie bei anderen amorphen Festkörpern fehlt der Atomstruktur eines Glases die in kristallinen Festkörpern beobachtete Fernperiodizität . Aufgrund chemischer Bindungsbeschränkungen besitzen Gläser einen hohen Grad an Nahordnung in Bezug auf lokale atomare Polyeder . Die Annahme, dass Glas über längere Zeiträume in nennenswertem Umfang fließt, wird weder durch empirische Forschung noch durch theoretische Analysen gestützt (siehe Viskosität in Feststoffen ). Labormessungen des Glasflusses bei Raumtemperatur zeigen eine Bewegung, die mit einer Materialviskosität in der Größenordnung von 10 17 –10 18 Pa s übereinstimmt .

Bildung aus einer unterkühlten Flüssigkeit

Hauptartikel: Glasübergang
Ungelöstes Problem in der Physik :

Wie ist der Übergang zwischen einer flüssigen oder regulären festen und einer glasigen Phase? "Das tiefste und interessanteste ungelöste Problem der Festkörpertheorie ist wahrscheinlich die Theorie der Natur von Glas und des Glasübergangs." — PW Anderson

(weitere ungelöste Probleme in der Physik)

Beim Schmelzabschrecken wird, wenn das Abkühlen ausreichend schnell ist (relativ zur charakteristischen Kristallisationszeit ), die Kristallisation verhindert und stattdessen wird die ungeordnete atomare Konfiguration der unterkühlten Flüssigkeit bei T g in den festen Zustand eingefroren . Die Neigung eines Materials, während des Abschreckens ein Glas zu bilden, wird als Glasbildungsfähigkeit bezeichnet. Diese Fähigkeit kann durch die Starrheitstheorie vorhergesagt werden . Im Allgemeinen liegt ein Glas in Bezug auf seine kristalline Form in einem strukturell metastabilen Zustand vor , obwohl es unter bestimmten Umständen, beispielsweise in ataktischen Polymeren, kein kristallines Analogon der amorphen Phase gibt.

Glas wird manchmal als Flüssigkeit angesehen, da es keinen Phasenübergang erster Ordnung gibt , bei dem bestimmte thermodynamische Variablen wie Volumen , Entropie und Enthalpie durch den Glasübergangsbereich diskontinuierlich sind. Der Glasübergang kann als analog zu einem Phasenübergang zweiter Ordnung beschrieben werden, bei dem die intensiven thermodynamischen Variablen wie die thermische Ausdehnung und die Wärmekapazität unstetig sind, dies ist jedoch falsch. Die Gleichgewichtstheorie der Phasenumwandlungen gilt nicht für Glas, und daher kann der Glasübergang nicht als eine der klassischen Gleichgewichtsphasenumwandlungen in Festkörpern eingestuft werden. Außerdem beschreibt es nicht die Temperaturabhängigkeit von Tg von der Heizrate, wie sie in der Differentialscanningkalorimetrie gefunden wird.

Vorkommen in der Natur

Hauptartikel: Vulkanisches Glas , Impactite und Fulgurite

Glas kann sich natürlich aus vulkanischem Magma bilden. Obsidian ist ein verbreitetes vulkanisches Glas mit hohem Siliziumdioxidgehalt (SiO2), das sich bildet, wenn aus einem Vulkan extrudierte felsische Lava schnell abkühlt. Impaktit ist eine Form von Glas, die durch den Einschlag eines Meteoriten gebildet wurde , wobei Moldavit (in Mittel- und Osteuropa gefunden) und libysches Wüstenglas (in Gebieten in der östlichen Sahara , den Wüsten Ostlibyens und Westägyptens gefunden ) bemerkenswerte Beispiele sind . Eine Verglasung von Quarz kann auch auftreten, wenn Blitze in Sand einschlagen und hohle, verzweigte wurzelähnliche Strukturen bilden, die Fulgurite genannt werden . Trinitit ist ein glasiger Rückstand, der aus dem Sand des Wüstenbodens auf dem Trinity -Atombombentestgelände gebildet wird . Es wird vermutet , dass Edeowie-Glas , das in Südaustralien gefunden wurde , aus pleistozänen Graslandbränden, Blitzeinschlägen oder Hypergeschwindigkeitseinschlägen von einem oder mehreren Asteroiden oder Kometen stammt .

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte des Glases
Römischer Käfigbecher aus dem 4. Jahrhundert v. Chr.

Natürlich vorkommendes Obsidianglas wurde von steinzeitlichen Gesellschaften verwendet, da es an sehr scharfen Kanten bricht, was es ideal zum Schneiden von Werkzeugen und Waffen macht. Die Glasherstellung reicht mindestens 6000 Jahre zurück, lange bevor die Menschen entdeckten, wie man Eisen schmelzen kann . Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass das erste echte synthetische Glas im Libanon und an der Küste Nordsyriens , Mesopotamiens oder des alten Ägyptens hergestellt wurde . Die frühesten bekannten Glasobjekte, von der Mitte des dritten Jahrtausend vor Christus, waren Perlen , vielleicht zunächst als zufällige Nebenprodukt erstellt Metallbearbeitung ( Schlacken ) oder bei der Herstellung von Fayencen , ein Pre-Glas glasiges Material , das durch ein Verfahren hergestellt , ähnlich wie Verglasungen . Frühes Glas war selten transparent und enthielt oft Verunreinigungen und Unvollkommenheiten und ist technisch eher Fayence als echtes Glas, das erst im 15. Jahrhundert v. Chr. Auftauchte. Rot-orangefarbene Glasperlen, die aus der Industal-Zivilisation ausgegraben wurden, die vor 1700 v. Chr. (möglicherweise bereits 1900 v. Chr.) Während der Spätbronzezeit gab es in Ägypten und Westasien ein schnelles Wachstum der Glasherstellungstechnologie . Archäologische Funde aus dieser Zeit sind farbige Glasbarren , Gefäße und Perlen. Ein Großteil der frühen Glasproduktion stützte sich auf Schleiftechniken, die der Steinbearbeitung entlehnt waren , wie das Schleifen und Schnitzen von Glas in kaltem Zustand.

Der Begriff Glas entstand im späten Römischen Reich . Es war in der römischen Glasmacherzentrum in Trier (befindet sich in der aktuellen Tages Deutschland), dass die spät lateinischen Begriff glesum entstanden, wahrscheinlich von einem germanischen Wort für einen transparenten , glänzenden Stoff. Glasobjekte wurden im gesamten Römischen Reich in häuslichen, Bestattungs- und Industriekontexten geborgen . Beispiele für römisches Glas wurden außerhalb des ehemaligen Römischen Reiches in China , dem Baltikum , dem Nahen Osten und Indien gefunden . Die Römer perfektionierten Kameeglas , das durch Ätzen und Schnitzen durch verschmolzene Schichten verschiedener Farben hergestellt wurde, um ein Reliefmuster auf dem Glasobjekt zu erzeugen.

Fenster im Chor der Basilika Saint Denis , eine der frühesten Verwendungen von großflächigen Glasflächen (Architektur des frühen 13. Jahrhunderts mit restauriertem Glas des 19. Jahrhunderts)

Im postklassischen Westafrika war Benin ein Hersteller von Glas und Glasperlen. Glas wurde im Mittelalter in Europa in großem Umfang verwendet . Angelsächsisches Glas wurde in ganz England bei archäologischen Ausgrabungen von Siedlungen und Friedhöfen gefunden. Ab dem 10. Jahrhundert wurde Glas in Buntglasfenstern von Kirchen und Kathedralen verwendet , mit berühmten Beispielen in der Kathedrale von Chartres und der Basilika Saint Denis . Im 14. Jahrhundert entwarfen Architekten Gebäude mit Wänden aus Buntglas wie Sainte-Chapelle , Paris (1203-1248) und das östliche Ende der Kathedrale von Gloucester . Mit der Änderung des architektonischen Stils während der Renaissance in Europa wurde die Verwendung von großen Glasfenstern viel weniger verbreitet, obwohl die Glasmalerei mit der neugotischen Architektur im 19.

Im 13. Jahrhundert wurde die Insel Murano , Venedig , zu einem Zentrum der Glasherstellung und baute auf mittelalterlichen Techniken auf, um farbenfrohe Ornamente in großen Mengen herzustellen. Murano Glasmacher entwickelt , um das außergewöhnlich klaren , farbloses Glas cristallo , so genannt wegen seiner Ähnlichkeit mit natürlichen Kristall, die in großem Umfang für Fenster verwendet wurden, Spiegel, Schiffs Laternen und Linsen. Im 13., 14. und 15. Jahrhundert wurde das Emaillieren und Vergolden von Glasgefäßen in Ägypten und Syrien perfektioniert. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts wurde Böhmen zu einer wichtigen Region für die Glasherstellung, die es bis Anfang des 20. Jahrhunderts blieb. Im 17. Jahrhundert wurde auch in England Glas nach venezianischer Tradition hergestellt . Um 1675 erfand George Ravenscroft das Bleikristallglas , wobei geschliffenes Glas im 18. Jahrhundert in Mode kam. Ornamentale Glasobjekte wurden während der Jugendstilzeit Ende des 19. Jahrhunderts zu einem wichtigen Kunstmedium .

Im Laufe des 20. Jahrhunderts führten neue Massenproduktionstechniken zu einer weit verbreiteten Verfügbarkeit von Glas in viel größeren Mengen, was es als Baumaterial praktisch machte und neue Anwendungen von Glas ermöglichte. In den 1920er Jahren wurde ein Mold- Etch-Verfahren entwickelt, bei dem Kunst direkt in die Form geätzt wurde, so dass jedes Gussstück mit dem Bild bereits auf der Glasoberfläche aus der Form kam. Dies reduzierte die Herstellungskosten und führte in Kombination mit einer breiteren Verwendung von farbigem Glas in den 1930er Jahren zu billigen Glaswaren, die später als Depressionsglas bekannt wurden . In den 1950er Jahren entwickelte Pilkington Bros. , England , das Floatglasverfahren , mit dem durch Aufschwimmen auf geschmolzenem Zinn hochwertige verzerrungsfreie Flachglasscheiben hergestellt werden . Moderne mehrstöckige Gebäude werden häufig mit Vorhangfassaden gebaut, die fast vollständig aus Glas bestehen. Laminiertes Glas ist weit verbreitet bei Fahrzeugen für Windschutzscheiben verwendet worden. Optisches Glas für Brillen wird seit dem Mittelalter verwendet. Die Herstellung von Linsen ist zunehmend kompetenter geworden und hilft Astronomen ebenso wie andere Anwendungen in Medizin und Wissenschaft. Glas wird auch in vielen Sonnenkollektoren als Blendenabdeckung verwendet .

Im 21. Jahrhundert haben Glashersteller verschiedene Marken von chemisch gehärtetem Glas für eine weit verbreitete Anwendung in Touchscreens für Smartphones , Tablet-Computer und viele andere Arten von Informationsgeräten entwickelt . Dazu gehören Gorilla - Glas , entwickelt und hergestellt von Corning , AGC Inc. 's Dragon und Schott AG ' s Xensation.

Physikalische Eigenschaften

Optisch

Glas ist in optischen Systemen aufgrund seiner Fähigkeit, Licht nach geometrischer Optik zu brechen, zu reflektieren und zu übertragen, weit verbreitet . Die häufigsten und ältesten Anwendungen von Glas in der Optik sind Linsen , Fenster , Spiegel und Prismen . Die optischen Schlüsseleigenschaften Brechungsindex , Dispersion und Transmission von Glas hängen stark von der chemischen Zusammensetzung und in geringerem Maße von seiner thermischen Vorgeschichte ab. Optisches Glas hat typischerweise einen Brechungsindex von 1,4 bis 2,4 und eine Abbe-Zahl (die die Dispersion charakterisiert) von 15 bis 100. Der Brechungsindex kann durch Zusätze hoher Dichte (Brechungsindex steigt) oder niedriger Dichte (Brechungsindex sinkt) modifiziert werden .

Die Glastransparenz resultiert aus dem Fehlen von Korngrenzen, die Licht in polykristallinen Materialien diffus streuen . Durch Kristallisation bedingte Halbopazität kann in vielen Gläsern dadurch induziert werden, dass sie über einen langen Zeitraum bei einer Temperatur gehalten werden, die gerade nicht ausreicht, um ein Schmelzen zu bewirken. Auf diese Weise wird die kristalline, entglasten Material, wie Glas Réaumur der bekannte Porzellan hergestellt. Obwohl Gläser im Allgemeinen für sichtbares Licht transparent sind, können sie für andere Lichtwellenlängen undurchsichtig sein . Während Silikatgläser im allgemeinen opak sind Infrarot - Wellenlängen , mit einer Übertragungsabschaltung bei 4 & mgr; m, Schwermetallfluorid und Chalcogenid - Gläser sind transparent für infrarote Wellenlängen von bis zu 7 und bis zu 18 um betragen. Die Zugabe von Metalloxiden führt zu unterschiedlich gefärbten Gläsern, da die Metallionen Lichtwellenlängen entsprechend bestimmter Farben absorbieren.

Sonstiges

Siehe auch: Liste der physikalischen Eigenschaften von Glas , Korrosion § Korrosion von Glas und Festigkeit von Glas

Im Herstellungsprozess können Gläser gegossen, geformt, extrudiert und in Formen gebracht werden, die von flachen Platten bis hin zu sehr komplizierten Formen reichen. Das fertige Produkt ist spröde und bricht, wenn es nicht laminiert oder angelassen wird , um die Haltbarkeit zu erhöhen. Glas ist in der Regel inert, beständig gegen chemische Angriffe und kann der Einwirkung von Wasser weitgehend standhalten, was es zu einem idealen Material für die Herstellung von Behältern für Lebensmittel und die meisten Chemikalien macht. Obwohl Glas normalerweise sehr widerstandsfähig gegen chemische Angriffe ist, korrodiert es oder löst sich unter bestimmten Bedingungen auf. Die Materialien, aus denen eine bestimmte Glaszusammensetzung besteht, haben einen Einfluss darauf, wie schnell das Glas korrodiert. Gläser mit einem hohen Anteil an Alkali- oder Erdalkalielementen sind korrosionsanfälliger als andere Glaszusammensetzungen.

Die Dichte von Glas variiert mit der chemischen Zusammensetzung mit Werten im Bereich von 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter (2.200 kg/m 3 ) für Quarzglas bis 7,2 Gramm pro Kubikzentimeter (7.200 kg/m 3 ) für dichtes Flintglas. Glas ist stärker als die meisten Metalle, mit einer theoretischen Zugfestigkeit für reines, makelloses Glas, die auf 14 Gigapascal (2.000.000 psi) bis 35 Gigapascal (5.100.000 psi) geschätzt wird, da es eine reversible Kompression ohne Bruch durchmachen kann. Das Vorhandensein von Kratzern, Blasen und anderen mikroskopischen Fehlern führt jedoch bei den meisten handelsüblichen Gläsern zu einem typischen Bereich von 14 Megapascal (2.000 psi) bis 175 Megapascal (25.400 psi). Mehrere Verfahren wie das Vorspannen können die Festigkeit von Glas erhöhen. Sorgfältig gezogene fehlerfreie Glasfasern können mit einer Festigkeit von bis zu 11,5 Gigapascal (1.670.000 psi) hergestellt werden.

Renommierte Strömung

Die Beobachtung, dass alte Fenster manchmal unten dicker sind als oben, wird oft als Beleg für die Ansicht geliefert, dass Glas über einen Zeitraum von Jahrhunderten fließt, wobei angenommen wird, dass das Glas die flüssige Eigenschaft des Fließens aufweist eine Form zur anderen. Diese Annahme ist falsch, da Glas aufhört zu fließen, wenn es erstarrt ist. Die bei altem Glas beobachteten Durchbiegungen und Wellen waren bereits am Tag der Herstellung vorhanden; Herstellungsverfahren, die in der Vergangenheit verwendet wurden, erzeugten Bleche mit unvollkommenen Oberflächen und ungleichmäßiger Dicke. (Das heute verwendete nahezu perfekte Floatglas hat sich erst in den 1960er Jahren verbreitet.)

Typen

Silikat

Quarzsand (Silica) ist der Hauptrohstoff in der kommerziellen Glasproduktion

Siliziumdioxid (SiO 2 ) ist ein üblicher Grundbestandteil von Glas. Quarzglas ist ein Glas aus chemisch reinem Siliziumdioxid. Es hat eine sehr geringe Wärmeausdehnung und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen thermischen Schock , in der Lage zu seinem Eintauchen in Wasser , um zu überleben , während rotglühend, widersteht hohe Temperaturen (1000-1500 ° C) und chemische Verwitterung und ist sehr hart. Es ist auch für einen breiteren Spektralbereich transparent als gewöhnliches Glas, das sich vom sichtbaren Bereich sowohl in den UV- als auch in den IR-Bereich erstreckt, und wird manchmal verwendet, wenn Transparenz für diese Wellenlängen erforderlich ist. Quarzglas wird für Hochtemperaturanwendungen wie Ofenrohre, Beleuchtungsrohre, Schmelztiegel usw. verwendet. Seine hohe Schmelztemperatur (1723 °C) und seine Viskosität erschweren jedoch die Verarbeitung. Daher werden normalerweise andere Substanzen (Flussmittel) hinzugefügt, um die Schmelztemperatur zu senken und die Glasverarbeitung zu vereinfachen.

Natron-Kalk

Natriumcarbonat (Na 2 CO 3 , "Soda") ist ein übliches Additiv und wirkt, um die Glasübergangstemperatur zu senken. Jedoch Natriumsilicat ist wasserlöslich , so Kalk (CaO, Calciumoxid , im allgemeinen erhalten Kalkstein ), teilweise Magnesiumoxid (MgO) und Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) sind andere gemeinsame Komponenten zugesetzt chemische Haltbarkeit zu verbessern. Natron-Kalk-Gläser (Na 2 O) + Kalk (CaO) + Magnesiumoxid (MgO) + Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) machen über 75 % des hergestellten Glases aus und enthalten etwa 70 bis 74 Gew.-% Siliziumdioxid. Natron-Kalk-Silikat-Glas ist transparent, leicht formbar und bestens geeignet für Fensterglas und Geschirr. Es hat jedoch eine hohe Wärmeausdehnung und eine schlechte Wärmebeständigkeit. Natron-Kalk-Glas wird typischerweise für Fenster , Flaschen , Glühbirnen und Gläser verwendet .

Borosilikat

Ein Messbecher aus Pyrex- Borosilikatglas

Borosilikatgläser (zB Pyrex , Duran ) enthalten typischerweise 5–13% Bortrioxid (B 2 O 3 ). Borosilikatgläser haben relativ niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten (7740 Pyrex CTE beträgt 3,25 × 10 – 6 /°C im Vergleich zu etwa 9 × 10 – 6 /°C für ein typisches Kalknatronglas). Sie sind daher weniger Belastungen durch Wärmeausdehnung ausgesetzt und somit weniger anfällig für Rissbildung durch Thermoschock . Sie werden beispielsweise für allgemein verwendetes Labware , Kochgeschirr und sealed beam Autokopf Lampen .

Das Blei

Die Zugabe von Blei(II)-oxid in Silikatglas senkt Schmelzpunkt und Viskosität der Schmelze. Die hohe Dichte von Bleiglas (Silika + Bleioxid (PbO) + Kaliumoxid (K 2 O) + Soda (Na 2 O) + Zinkoxid (ZnO) + Aluminiumoxid) führt zu einer hohen Elektronendichte und damit zu einem hohen Brechungsindex , wodurch die Optik von Glaswaren brillanter wird und eine deutlich stärkere spiegelnde Reflexion und eine erhöhte optische Dispersion bewirkt werden . Bleiglas hat eine hohe Elastizität, wodurch die Glaswaren besser bearbeitbar sind und beim Schlagen ein klares "Ring" -Geräusch erzeugt wird. Allerdings kann Bleiglas hohen Temperaturen nicht gut standhalten. Bleioxid erleichtert auch die Löslichkeit anderer Metalloxide und wird in farbigem Glas verwendet. Die Viskositätsabnahme der Bleiglasschmelze ist sehr signifikant (ca. 100-fach im Vergleich zu Sodaglas); Dies ermöglicht eine leichtere Blasenentfernung und das Arbeiten bei niedrigeren Temperaturen, daher häufige Verwendung als Zusatz in Glasemaille und Glasloten . Der hohe Ionenradius des Pb 2+ -Ions macht es sehr unbeweglich und behindert die Bewegung anderer Ionen; Bleigläser haben daher einen hohen elektrischen Widerstand, der etwa zwei Größenordnungen höher ist als der von Kalknatronglas (10 8,5 vs 10 6,5  Ω⋅cm, DC bei 250 °C).

Alumosilikat

Aluminosilikatglas enthält typischerweise 5-10% Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Aluminiumsilikatglas ist im Vergleich zu Borsilikatzusammensetzungen tendenziell schwieriger zu schmelzen und zu formen, weist jedoch eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und Haltbarkeit auf. Aluminosilikatglas wird in großem Umfang für Glasfasern verwendet , die zur Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffen (Boote, Angelruten usw.), Kochgeschirr und Halogenlampenglas verwendet werden.

Andere Oxidadditive

Die Zugabe von Barium erhöht auch den Brechungsindex. Thoriumoxid verleiht Glas einen hohen Brechungsindex und eine geringe Dispersion und wurde früher zur Herstellung hochwertiger Linsen verwendet, wurde aber aufgrund seiner Radioaktivität in modernen Brillen durch Lanthanoxid ersetzt . Eisen kann in Glas eingebaut werden, um Infrarotstrahlung zu absorbieren, beispielsweise in wärmeabsorbierenden Filtern für Filmprojektoren, während Cer(IV)-Oxid für Glas verwendet werden kann, das ultraviolette Wellenlängen absorbiert . Fluor senkt die Dielektrizitätskonstante von Glas. Fluor ist stark elektronegativ und verringert die Polarisierbarkeit des Materials. Fluoridsilikatgläser werden bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen als Isolator verwendet.

Glaskeramik

Hauptartikel: Glaskeramik
Ein hochfestes Glaskeramik-Kochfeld mit vernachlässigbarer Wärmeausdehnung .

Glaskeramikmaterialien enthalten sowohl nichtkristallines Glas als auch kristalline Keramikphasen . Sie werden durch kontrollierte Nukleation und partielle Kristallisation eines Basisglases durch Wärmebehandlung gebildet. Kristalline Körner sind oft in eine nicht-kristalline intergranulare Phase von Korngrenzen eingebettet . Glaskeramiken weisen gegenüber Metallen oder organischen Polymeren vorteilhafte thermische, chemische, biologische und dielektrische Eigenschaften auf.

Die kommerziell wichtigste Eigenschaft von Glaskeramiken ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber Thermoschock. Somit sind Glaskeramiken für das Auftischkochen und industrielle Prozesse äußerst nützlich geworden. Der negativer Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der kristallinen Keramikphase kann mit der positiven CTE der Glasphase ausgeglichen werden. An einem bestimmten Punkt (~70% kristallin) hat die Glaskeramik einen Netto-CTE nahe Null. Diese Art von Glaskeramik weist hervorragende mechanische Eigenschaften auf und hält wiederholten und schnellen Temperaturwechseln bis 1000 °C stand.

Glasfaser

Hauptartikel: Fiberglas und Glaswolle

Fiberglas (auch glasfaserverstärkter Kunststoff, GFK genannt) ist ein Verbundmaterial, das durch Verstärkung eines Kunstharzes mit Glasfasern hergestellt wird . Es wird durch Schmelzen von Glas und Dehnen des Glases zu Fasern hergestellt. Diese Fasern werden zu einem Tuch zusammengewebt und in einem Kunstharz aushärten gelassen. Glasfaser hat die Eigenschaften, leicht und korrosionsbeständig zu sein, und ist ein guter Isolator , der seine Verwendung als Gebäudeisoliermaterial und für elektronische Gehäuse für Konsumgüter ermöglicht. Fiberglas wurde ursprünglich im Vereinigten Königreich und in den Vereinigten Staaten während des Zweiten Weltkriegs zur Herstellung von Radomen verwendet . Zu den Verwendungen von Glasfaser gehören Bau- und Konstruktionsmaterialien, Bootsrümpfe, Karosserieteile und Verbundmaterialien für die Luft- und Raumfahrt.

Glasfaserwolle ist ein ausgezeichnetes thermisches und Schallisolationsmaterial, die üblicherweise in Gebäuden (zB Dachboden und Hohlwandisolierung ) und Sanitär (zB Rohrisolierung ) und Schallisolierung . Es wird hergestellt, indem geschmolzenes Glas durch Zentripetalkraft durch ein feines Netz gedrückt wird und die extrudierten Glasfasern mit einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom in kurze Längen gebrochen werden. Die Fasern werden mit einem Klebespray verbunden und die resultierende Wollmatte wird geschnitten und in Rollen oder Platten verpackt.

Nichtsilikat

Eine CD-RW (CD). Chalkogenid-Glas bildet die Grundlage der wiederbeschreibbaren CD- und DVD-Festkörperspeichertechnologie.

Neben üblichen silikatischen Gläsern können auch viele andere anorganische und organische Materialien Gläser bilden, darunter Metalle , Aluminate , Phosphate , Borate , Chalkogenide , Fluoride , Germanate (Gläser auf Basis von GeO 2 ), Tellurite (Gläser auf Basis von TeO 2 ), Antimonate ( Gläser auf Basis von Sb 2 O 3 ), Arsenate ( Gläser auf Basis von As 2 O 3 ), Titanate ( Gläser auf Basis von TiO 2 ), Tantalate ( Gläser auf Basis von Ta 2 O 5 ), Nitrate , Carbonate , Kunststoffe , Acryl und viele andere Stoffe. Einige dieser Gläser (z. B. Germaniumdioxid (GeO 2 , Germania), in vielerlei Hinsicht ein strukturelles Analogon von Siliziumdioxid-, Fluorid- , Aluminat- , Phosphat- , Borat- und Chalkogenidgläsern ) haben physikalisch-chemische Eigenschaften, die für ihre Anwendung in faseroptischen Wellenleitern nützlich sind in Kommunikationsnetzen und anderen spezialisierten technologischen Anwendungen.

Kieselsäurefreie Gläser können oft schlechte Glasbildungstendenzen aufweisen. Neuartige Techniken, einschließlich der behälterlosen Verarbeitung durch aerodynamische Levitation (Kühlen der Schmelze, während sie in einem Gasstrom schwimmt) oder Splat-Quenching (Pressen der Schmelze zwischen zwei Metallambossen oder Walzen), können verwendet werden, um die Kühlrate zu erhöhen oder die Kristallkeimbildungsauslöser zu reduzieren.

Amorphe Metalle

Hauptartikel: Amorphes Metall
Proben aus amorphem Metall, mit Millimeterskala

In der Vergangenheit wurden kleine Chargen von amorphen Metallen mit Konfigurationen mit großer Oberfläche (Bänder, Drähte, Filme usw.) durch Anwendung extrem schneller Abkühlgeschwindigkeiten hergestellt. Drähte aus amorphem Metall wurden durch Sputtern von geschmolzenem Metall auf eine sich drehende Metallscheibe hergestellt. In jüngerer Zeit wurden eine Reihe von Legierungen in Schichten mit einer Dicke von mehr als 1 Millimeter hergestellt. Diese werden als Bulk-Metallic-Gläser (BMG) bezeichnet. Liquidmetal Technologies verkauft eine Reihe von BMGs auf Zirkoniumbasis. Es wurden auch Chargen von amorphem Stahl hergestellt, die mechanische Eigenschaften aufweisen, die weit über denen herkömmlicher Stahllegierungen liegen.

Experimentelle Beweise deuten darauf hin, dass das System Al-Fe-Si beim schnellen Abkühlen aus der Schmelze einen Übergang erster Ordnung in eine amorphe Form (bezeichnet als "q-Glas") eingehen kann. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Bilder zeigen, dass q-Glas als diskrete Partikel mit einem gleichmäßigen kugelförmigen Wachstum in alle Richtungen aus der Schmelze keimt. Während Röntgenbeugung die isotrope Natur von q-Glas zeigt, existiert eine Keimbildungsbarriere , die eine Grenzflächendiskontinuität (oder innere Oberfläche) zwischen den Glas- und Schmelzphasen impliziert.

Polymere

Wichtige Polymergläser umfassen amorphe und glasartige pharmazeutische Verbindungen. Diese sind nützlich, da die Löslichkeit der Verbindung im Vergleich zur gleichen kristallinen Zusammensetzung stark erhöht ist, wenn sie amorph ist. Viele neue Pharmazeutika sind in ihrer kristallinen Form praktisch unlöslich. Viele aus dem täglichen Gebrauch bekannte Polymer- Thermoplaste sind Gläser. Für viele Anwendungen, wie Glasflaschen oder Brillen , sind Polymergläser ( Acrylglas , Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat ) eine leichtere Alternative zu herkömmlichem Glas.

Molekulare Flüssigkeiten und geschmolzene Salze

Molekulare Flüssigkeiten, Elektrolyte , geschmolzene Salze und wässrige Lösungen sind Mischungen verschiedener Moleküle oder Ionen , die kein kovalentes Netzwerk bilden, sondern nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte oder durch vorübergehende Wasserstoffbrückenbindungen wechselwirken . In einer Mischung aus drei oder mehr ionischen Spezies unterschiedlicher Größe und Form kann die Kristallisation so schwierig sein, dass die Flüssigkeit leicht zu einem Glas unterkühlt werden kann. Beispiele umfassen LiCl: R H 2 O (eine Lösung von Lithiumchloridsalz und Wassermolekülen) im Zusammensetzungsbereich 4 < R < 8. Zuckerglas oder Ca 0,4 K 0,6 (NO 3 ) 1,4 . Glaselektrolyte in Form von Ba-dotiertem Li-Glas und Ba-dotiertem Na-Glas wurden als Lösungen für Probleme vorgeschlagen, die bei organischen Flüssigelektrolyten identifiziert wurden, die in modernen Lithium-Ionen-Batteriezellen verwendet werden.

Produktion

Hauptartikel: Glasherstellung , Floatglas und Glasbläserei
Robotisiertes Entladen von Floatglas

Nach der Glaschargenvorbereitung und Mischung werden die Rohstoffe zum Ofen transportiert. Kalknatronglas für die Massenproduktion wird in gasbefeuerten Anlagen geschmolzen . Öfen in kleinerem Maßstab für Spezialgläser umfassen elektrische Schmelzgeräte, Topföfen und Tagestanks. Nach dem Schmelzen, Homogenisieren und Läutern (Entfernen von Blasen) wird das Glas geformt . Flachglas für Fenster und ähnliche Anwendungen wird durch das Floatglasverfahren hergestellt, das zwischen 1953 und 1957 von Sir Alastair Pilkington und Kenneth Bickerstaff von den britischen Pilkington Brothers entwickelt wurde, die mit einem Bad aus geschmolzenem Zinn, auf dem das geschmolzene Glas unter dem Einfluss der Schwerkraft ungehindert fließen. Die obere Oberfläche des Glases wird Stickstoff unter Druck ausgesetzt, um eine polierte Oberfläche zu erhalten. Behälterglas für gängige Flaschen und Gläser wird durch Blas- und Pressverfahren geformt . Dieses Glas wird oft chemisch leicht modifiziert (mit mehr Aluminiumoxid und Kalziumoxid), um eine höhere Wasserbeständigkeit zu erzielen.

Glasbläserei

Sobald die gewünschte Form erreicht ist, wird Glas normalerweise geglüht, um Spannungen abzubauen und die Härte und Haltbarkeit des Glases zu erhöhen. Oberflächenbehandlungen, Beschichtungen oder Laminierung folgen können die chemische Haltbarkeit (zur Verbesserung der Glasbehälter Beschichtungen , Glasbehälterinnen Behandlung ), Stärke ( vorgespanntes Glas , Panzerglas , Windschutzscheiben ) oder optische Eigenschaften ( Isolierverglasung , anti-reflektive Beschichtung ).

Neue chemische Glaszusammensetzungen oder neue Behandlungstechniken können zunächst in kleinen Laborversuchen untersucht werden. Die Rohstoffe für Glasschmelzen im Labormaßstab unterscheiden sich oft von denen in der Massenproduktion, da der Kostenfaktor eine geringe Priorität hat. Im Labor werden meist reine Chemikalien verwendet. Es ist darauf zu achten, dass die Rohstoffe nicht mit Feuchtigkeit oder anderen Chemikalien der Umgebung (wie Alkali- oder Erdalkalimetalloxide und -hydroxide oder Boroxid) reagiert haben oder die Verunreinigungen quantifiziert werden (Glühverlust). Bei der Auswahl der Rohstoffe sind Verdampfungsverluste beim Glasschmelzen zu berücksichtigen, zB kann Natriumselenit dem leicht verdampfenden Selendioxid (SeO 2 ) vorgezogen werden . Auch können leichter reagierende Rohmaterialien gegenüber relativ inerten bevorzugt werden, wie beispielsweise Aluminiumhydroxid (Al(OH) 3 ) gegenüber Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Üblicherweise werden die Schmelzen in Platintiegeln durchgeführt, um Verunreinigungen durch das Tiegelmaterial zu reduzieren. Die Glashomogenität wird durch Homogenisieren der Rohstoffmischung ( Glasbatch ), durch Rühren der Schmelze sowie durch Zerkleinern und Wiederaufschmelzen der ersten Schmelze erreicht. Das erhaltene Glas wird normalerweise geglüht , um ein Brechen während der Verarbeitung zu verhindern.

Farbe

Hauptartikel: Glasfärbung und Farbmarkierung

Farbe im Glas kann durch Zugabe von homogen verteilten elektrisch geladenen Ionen (oder Farbzentren ) erhalten werden. Während gewöhnliches Kalknatronglas in dünnen Schnitten farblos erscheint, erzeugen Eisen(II)-Oxid (FeO)-Verunreinigungen in dicken Schnitten einen Grünstich. Mangandioxid (MnO 2 ), das dem Glas eine violette Farbe verleiht, kann hinzugefügt werden, um die durch FeO verursachte Grünfärbung zu entfernen. Bei der Herstellung von Grünflaschen werden FeO- und Chrom(III)-Oxid (Cr 2 O 3 )-Additive verwendet. Eisen(III)-oxid hingegen erzeugt gelbes oder gelbbraunes Glas. Niedrige Konzentrationen (0,025 bis 0,1%) von Kobaltoxid (CoO) erzeugen ein sattes, tiefblaues Kobaltglas . Chrom ist ein sehr starkes Färbemittel und ergibt dunkelgrün. Schwefel in Kombination mit Kohlenstoff- und Eisensalzen ergibt Bernsteinglas von gelblich bis fast schwarz. Eine Glasschmelze kann auch durch eine reduzierende Verbrennungsatmosphäre eine Bernsteinfarbe annehmen. Cadmiumsulfid erzeugt imperiales Rot und kann in Kombination mit Selen Gelb-, Orange- und Rottöne erzeugen. Das Additiv Kupfer(II)-Oxid (CuO) erzeugt im Glas eine türkisfarbene Farbe, im Gegensatz zu Kupfer(I)-Oxid (Cu 2 O), das eine mattbraun-rote Farbe ergibt.

Verwendet

Der Wolkenkratzer aus Shard- Glas in London .

Architektur und Fenster

Hauptartikel: Architekturglas und Fenster

Kalk- Natron-Scheibenglas wird typischerweise als transparentes Verglasungsmaterial verwendet, typischerweise als Fenster in Außenwänden von Gebäuden. Float- oder gewalzte Flachglasprodukte werden entweder durch Ritzen und Schnappen des Materials, Laserschneiden , Wasserstrahlen oder Diamantsägen zugeschnitten . Das Glas kann zur Sicherheit thermisch oder chemisch vorgespannt (verstärkt) und während des Erhitzens gebogen oder gebogen werden. Oberflächenbeschichtungen können für bestimmte Funktionen wie Kratzfestigkeit, Blockierung bestimmter Lichtwellenlängen (zB Infrarot oder Ultraviolett ), Schmutzabweisung (zB selbstreinigendes Glas ) oder schaltbare elektrochrome Beschichtungen hinzugefügt werden.

Structural-Glazing-Systeme stellen eine der bedeutendsten architektonischen Innovationen der Neuzeit dar, in der Glasgebäude heute oft die Skyline vieler moderner Städte dominieren . Diese Systeme verwenden Edelstahlbeschläge, die in Aussparungen in den Ecken der Glasscheiben versenkt werden, wodurch verstärkte Scheiben freiliegend erscheinen und ein bündiges Äußeres entstehen. Structural Glazing Systeme haben ihre Wurzeln in den Eisen- und Glaswintergärten des 19. Jahrhunderts

Geschirr

Hauptartikel: Geschirr und Liste der Glaswaren

Glas ist ein wesentlicher Bestandteil von Geschirr und wird in der Regel für Wasser, verwendet Bier und Wein Trinkgläser. Weingläser sind typischerweise Stielgläser , dh Kelche, die aus einer Schüssel, einem Stiel und einem Fuß gebildet werden. Kristall- oder Bleikristallglas kann geschliffen und poliert werden, um dekorative Trinkgläser mit glänzenden Facetten herzustellen. Andere Verwendungen von Glas in Geschirr sind Dekanter , Krüge , Teller und Schüsseln .

Verpackung

Hauptartikel: Behälterglas

Die inerte und undurchlässige Natur von Glas macht es zu einem stabilen und weit verbreiteten Material für Lebensmittel- und Getränkeverpackungen wie Glasflaschen und Gläser . Das meiste Behälterglas ist Kalknatronglas , das durch Blas- und Presstechniken hergestellt wird. Behälterglas hat einen geringeren Gehalt an Magnesiumoxid und Natriumoxid als Flachglas und einen höheren Gehalt an Kieselsäure , Calciumoxid und Aluminiumoxid . Sein höherer Gehalt an wasserunlöslichen Oxiden verleiht eine etwas höhere chemische Beständigkeit gegenüber Wasser, was für die Lagerung von Getränken und Lebensmitteln von Vorteil ist. Glasverpackungen sind nachhaltig, leicht recycelt, wiederverwendbar und nachfüllbar.

Für Elektronikanwendungen kann Glas als Substrat bei der Herstellung integrierter passiver Bauelemente , Dünnschicht-Volumen-Akustikresonatoren und als hermetisches Dichtungsmaterial in Bauelementeverpackungen verwendet werden, einschließlich sehr dünner, ausschließlich glasbasierter Einkapselungen von integrierten Schaltkreisen und anderen Halbleitern in hohe Fertigungsmengen.

Labore

Hauptartikel: Laborglaswaren

Glas ist ein wichtiges Material in wissenschaftlichen Laboratorien für die Herstellung von Versuchsapparaturen, weil es relativ billig ist, leicht in die für Experimente erforderlichen Formen geformt werden kann, leicht sauber zu halten, Hitze- und Kältebehandlung standhält, im Allgemeinen mit vielen Reagenzien nicht reagiert und seine Transparenz ermöglicht die Beobachtung chemischer Reaktionen und Prozesse. Laborglasanwendungen umfassen Kolben , Petrischalen , Reagenzgläser , Pipetten , Messzylinder , emaillierte Metallbehälter für die chemische Verarbeitung, Fraktionierungskolonnen , Glasrohre, Schlenk-Leitungen , Messgeräte und Thermometer . Obwohl die meisten Standard-Laborglaswaren seit den 1920er Jahren in Massenproduktion hergestellt werden, beschäftigen Wissenschaftler immer noch erfahrene Glasbläser , um maßgeschneiderte Glasapparaturen für ihre experimentellen Anforderungen herzustellen.

Optik

Glas ist aufgrund seiner Fähigkeit, Licht zu brechen , zu reflektieren und zu übertragen, ein allgegenwärtiges Material in der Optik . Diese und andere optische Eigenschaften können durch unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, Wärmebehandlung und Herstellungstechniken gesteuert werden. Die vielfältigen Anwendungen von Glas in der Optik umfassen Brillen zur Sehkorrektur, abbildende Optiken (zB Linsen und Spiegel in Teleskopen , Mikroskopen und Kameras ), Faseroptiken in der Telekommunikationstechnik und integrierte Optiken . Mikrolinsen und Gradientenindexoptiken (bei denen der Brechungsindex ungleichförmig ist) finden Anwendung zB beim Lesen von optischen Platten , Laserdruckern , Fotokopierern und Laserdioden .

Kunst

Hauptartikel: Studioglas , Glaskunst und Glaskunst
Teil der deutschen Glasmalerei von 1444 mit der Heimsuchung ; topfmetallfarbenes Glas in verschiedenen Farben, darunter weißes Glas, schwarze Glasfarbe, gelbe Silberbeize, und die "olivgrünen" Teile sind emailliert. Die Pflanzenmuster am roten Himmel entstehen, indem vor dem Brennen schwarze Farbe vom roten Glas abgekratzt wird. Eine restaurierte Tafel mit neuem Blei kommt.

Glas als Kunstdaten mindestens 1300 BC als ein Beispiel für Naturglas gezeigt gefunden in Tutankhamuns Brust, die ebenfalls enthaltenen Glasemaille , das heißt, aufgeschmolzen gefärbtes Glas auf einer Metallunterlage verwendet. Emailliertes Glas , die Dekoration von Glasgefäßen mit farbigen Glasfarben, existiert seit 1300 v. Chr. und war im frühen 20. Jahrhundert mit Jugendstilglas und dem des Hauses Fabergé in St. Petersburg, Russland, bekannt. Beide Techniken wurden in Glasmalereien verwendet , die ihre Blütezeit etwa von 1000 bis 1550 erreichten, bevor sie im 19. Jahrhundert wiederbelebt wurden.

Im 19. Jahrhundert kam es zum ersten Mal seit dem Römischen Reich zu einer Wiederbelebung der alten Glasherstellungstechniken, einschließlich des Kameeglases , zunächst hauptsächlich für Stücke im neoklassizistischen Stil. Die Jugendstilbewegung machte großen Gebrauch von Glas, mit René Lalique , Émile Gallé und Daum von Nancy in der ersten französischen Welle der Bewegung, die farbige Vasen und ähnliche Stücke herstellte, oft in Kameeglas oder in Glanzglastechniken .

Louis Comfort Tiffany in Amerika spezialisierte sich auf Glasmalereien , sowohl weltliche als auch religiöse, auf Tafeln und seine berühmten Lampen. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Glaskunst in großem Maßstab von Firmen wie Waterford und Lalique hergestellt . Kleine Ateliers können Glaskunstwerke von Hand herstellen. Techniken zur Herstellung von Glaskunst umfassen Blasen , Ofenguss, Schmelzen, Absenken, Pâte de Verre , Flammen, Heißformen und Kaltformen. Die Kaltbearbeitung umfasst die traditionelle Glasmalerei und andere Methoden zum Formen von Glas bei Raumtemperatur. Zu den Objekten aus Glas gehören Gefäße, Briefbeschwerer , Murmeln , Perlen , Skulpturen und Installationskunst .

Siehe auch

Verweise

Externe Links