Úvod do studia materiálů Sklo

NTI/USM Úvod do studia materiálů Úvod do studia materiálů Sklo Karel Žídek TOPTEC ÚFP Akademie Věd ČR, v.v.i. Turnov Připraveno s využitím skript Úvod do studia materiálů, Prof. RNDr. Bohumil Kratochvíl, DSc., Prof. Ing. Václav Švorčík, DrSc., Doc. Dr. Ing. Dalibor Vojtěch, VŠCHT, Praha 2005

Co je dobré si (za)pamatovat Sklo: roztavený materiál je rychle zchlazený pod teplotu skelného přechodu amorfní materiál Když budu chladnout pomalu krystalky Když později pomalu natavím sklo krystalky Složení skla: základ skla (síťotvorná část): SiO 2 /B 2 O 3 + aditiva (ladí vlastnosti skla) Výroba skla: smíchá se materiál (sklářský kmen), roztaví se, vyčeří, vytvaruje, zchladí Tvarování skla: foukání, lisování, lití, broušení, leštění

Druhy skel 1. Plochá a obalová skla 2. Křišťálová skla 3. Tepelně a chemicky odolná skla 4. Chalkogenidová a halogenidová skla 5. Bioskla 6. Sklokeramika 7. Optická skla 8. Vláknová optika

Plochá a obalová skla Plochá skla okenní tabule, zrcadla (pokryté Ag/Al/Cr) Obalová skla barevná (viz barvení skla minule), zakalená (kaliva Na3AlF6) Křemičitano-sodné sklo má velkou rozpínavost s teplotou (snadno praskne při zahřátí) to ale nevadí Tvrzená skla výměna iontů na povrchu skla napětí v povrchové vrstvě - 10x vyšší pevnost

Čiré sklo Křemičitano-sodné sklo Vidíme jen tuto oblast, ostatní záření přenáší energii (teplo) bez osvětlovacího účinku

Stavební skla Determální skla FeCO 3 + Zn, Si a cukr (redukce) 80% IČ záření pohltí Vícevrstvená skla tepelná izolace uprostřed (Ar,Xe tepelná izolace, SF 6 zvuková i Skelná vata Mirkovláknové filtry Sklolaminát Tepelná izolační vata běžné sklo + struska z vysokých pecí mikrovlákna (d<0.1mm)

Barvení obalů Odstranění UV (znehodnocení vitamínů, změna chuti piva, stárnutí oleje) Hnědá barva (absorbuje hlavně modrou část), barvení ionty Mn+Fe

Optická filtrová skla Fotografie, věda, průmysl (sváření) Barvená nejrůznějšími prvky UV selekce (NiO-CoO) IČ selekce (MnO 2 -K 2 Cr 2 O 7 ) Návěstní skla: Červená Se rubín Žlutá uhlíková žluť Zelená CuO-K 2 Cr 2 O 2 Modrá Cu-CoO 1. Bioskla

Křišťálová skla Umělecká výroba + (z malé části) užitkové sklo Český křišťál SiO 2 - CaO (BaO)-K 2 O + Na 2 O+B 2 O 3 Anglický (olovnatý) křišťál SiO 2 - PbO K 2 O Na 2 O ZnO - lead glass Kvůli přídavku olova je křišťál těžký 2.4 g/cm 3 běžné sklo, 3-6 g/cm 3 křišťál Bižuterie: Dříve domácí výroba mačkáním kleštěmi z předehřáté tyče V 50. letech přechod na průmyslovou výrobu

Třpytivé sklo V hlavní roli: index lomu Běžné sklo n = 1.5 Křišťálové sklo n = 1.7-1.8 Diamant n = 2.4 Efekt odrazů na povrchu + totální odraz na vnitřní straně třpytivost Obojí se zvýrazňuje pro vyšší index lomu

Tepelně a chemicky odolná skla Požadavky: malá tepelná roztažnost Nejodolnější čistý tavený křemen Špatně se vyrábí používají se jiné typy skel: Pyrex, Simax, Vycor Teplotní roztažnost: Pyrex: 3.25 10 6 / C Běžné sklo: 9 10 6 / C 3x menší roztažnost pyrexu chemické nádobí, varné nádobí, žárovková skla, teploměrová skla,. Pyrex: silica 81% + boric oxide (B 2 O 3 ) 12% + soda (Na 2 O) 4.5% + alumina (Al 2 O 3 ) 2.0%.

Chalkogenidová skla Propustné v IČ (podle složení mezi 900 nm-25um) běžné sklo končí někde okolo 3 um Konkurence: Ge (70% se používá na čočky do IČ) Zapouzdření mikroelektroniky (nízká teplota skelného přechodu) Xerografický proces (objeven 1942) - nabití fotovodivého filmu (selenové sklo) elektrostatickým nábojem - film se vybíjí osvětlením (kopie prosvětlením originálu) - opačně nabitý toner se přichytí z válce na nabité části

Bioskla 1) Skla, které umožní srůst s tkání obsahují fosfor ve formě oxidů Kde je používají: vyplnění dutin po zhoubných nádorech 2) Skla, které jsou v těle inertní (nedráždí tělo, neničí se v biologickém prostředí) Náhrady za čočku v lidském oku při operaci šedého zákalu

Sklokeramika Neporézní materiál se zbytkovou skelnou fází - na půl cesty cesty mezi sklem a krystalovou fází Sklářké techniky + přídavek nukleátorů Nulová tepelná roztažnost + mechanická pevnost varné nádoby, desky sporáků, jaderná energetika SiO 2 - Al 2 O 3 - Li 2 O, s přídavkem nukleátorů TiO 2, ZrO 2 nebo P 2 O 5. Vznikajícími krystalickými fázemi jsou eukryptit (LiAlSiO 4 ) a spodumen (LiAlSi 2 O 6 ).

Brýlová skla - fotochromismus Ve skle-objeveno firmou Corning v 60. letech UV světlo vytváří barevná centra a ty se bez ozáření vracejí zpět Halogenidy stříbra/mědi (AgCl, AgBr, CuCl), europium, cer Organické látky okolo 100 um tlustá vrstva u povrchu čočky Skla Transitions Brýle: dosahuje se ztmavnutí z 90% na cca 20% transmise Problém reakce výrazně tepelně závislé v teple nemohou být úplně tmavé v zimě naopak extrémně tmavnou, pomalá zpětná reakce

Optická skla

Proč tolik optických skel Každé má jiné vlastnosti: - Propustnost - Index lomu - Disperzi - Chemickou odolnost SCHOTT N-FK58: Sklo s vysokou disperzí

Výroba optických skel

Od kusu skla k čočce I Hrubé broušení (přesnost okolo 5 um) Jemné broušení (přesnost okolo 1 um)

Od kusu skla k čočce II Leštění skla např. oxidy ceru kontrola pomocí interferometrie Centrování optická a mechanická osa v jednom

Od kusu skla k čočce III Čištění čočky Anti-reflexní pokrytí

Proč se vyplatí mít anti-reflexní pokrytí SLR = Single-lens reflex camera (zrcadlovka) 18 rozhraní: na každém ztráta 5% 39% projde skrz Na každém ztráta 1% 83% projde skrz

Sklo v optickém přenosu dat První komerční systém 1970, fa. Corning Glass Works Kombinace dvou objevů: - Nízkoztrátové sklo - GaAs polovodičové lasery (800 nm) Později: 1.3 µm InGaAsP lasery Ještě později: 1.55 µm InGaAs lasery r. 2002 : 250,000 km podmořských kabelů

Vláknová skla Extrémně vysoká čistota Al 2 O 3 (90%) + GeO 2 (10%) ztráta 5% světla na 1km vlnovodu Je potřeba velký kontrast indexů lomů, n 1 >n 2 : - jádro: křemenné/fluoridové sklo - plášť: olovnaté/borokřemičité sklo/plastové sklo

Optický kabel Teorie: Praxe: Průřez podmořským optickým kabelem: 1 Polyethylene 2 Mylar tape 3 Stranded steel wires 4 Aluminium water barrier 5 Polycarbonate 6 Copper or aluminium tube 7 Petroleum jelly 8 Optical fibers

Velké shrnutí skla Bez skla: Nepodívali byste se ven z okna Neposílali GB dat optickými kabely Pořizovali samé rozmazané fotky (plastové čočky) Optika by byla nějakých 200-300 let zpátky Pili pivo pouze z plastu a další a další věci.

Témata pro semestrální práci Katastrofický scénář: vláda ČR vydala regulaci zákazující používání skla kvůli vysokým emisím při jeho výrobě. Které materiály a proč mohou nahradit sklo v: Optice Vláknovém přenosu dat atd. Je někde sklo nenahraditelné? Takové to domácí posílání dat jak by fungoval optický kabel z běžného skla (třeba sodnovápenátého skla okenní tabule?). Je optický kabel o tolik výhodnější než přenos drátem? Proč? Tečení skla: okna v katedrálách jsou často dole tlustší oproti horní části údajně vliv tečení skla. Je to možné? Jak velký může být takový efekt?