شیشه و انواع آن

۱۳۹۴/۰۲/۳۱

فرایند تولید شیشه

۱۳۹۴/۰۲/۳۰

نام مقاله : شیشه

تهیه کننده : زینب درودی

دانشگاه مهندسی فناوری های نوین قوچان

شیشه

فهرست

قدمت شیشه
تاریخچه صنعت شیشه در جهان و ایران
شیشه
فرمول و مراحل ساخت شیشه
تئوری ساختاری شیشه سازی
تئوری سنیتیکی شیشه سازی
انواع شیشه و کاربرد ان
خواص شیشه
انواع شیشه های تجاری مهم
شیشه سرامیک ها
قدمت شیشه
اگر شیشه یا شیشه ای شدن را به معنی عمومی آن یک مرحله از ذوب وطریقه سرد شدن اجسام تعریف کنیم باید قدمت شیشه را تقریبا مساوی با سرد شدن پوسته جامد زمین بدانیم یعنی بگوئیم قبل از آنکه بشر موفق به ساختن شیشه مصنوعی بشود طبیعت آنرا به طور طبیعی بوجود آورده است. بدین طریق که مواد مذاب که دارای ترکیبات مخصوصی بودند از دهانه کوهها فوران نموده و به علت سریع سرد شدن به شیشه تبدیل شده اند البته باید توجه داشت که این شیشه ها تقریبا دارای کلیه خواص شیشه های مصنوعی هستند فقط ممکن است در اغلب مواقع شفاف نباشند یعنی نور به خوبی از آنها عبور نمیکند. انسانهای اولیه این گونه سنگهای شیشه ای را، شکسته و از قسمت تیز آن به عنوان آلت جنگ و شکار استفاده می نمودند. (استفاده از این آلت جنگی از نقاشیهائی که بر دیوار غارها کشیده اند، بخوبی مشخص است) ولی قدمت شیشه را به دقت نمی توان تعیین نمود اما تقریبا با توجه به آثار بدست آمده از حفاریها، نشان میدهد که بشر از پنج هزار سال پیش با شیشه آشنایی داشته واز آن استفاده می نموده است. گدانها وسایر ظروف بدست آمده از حفاریهای بین النهرین دارای قدمتی در حدود دو هزار سال قبل از میلاد مسیح می باشند الواح شیشه ای و گلدانهای بدست آمده از حفاریهای مصر قدمت پنج هزار ساله دارد.
رومیان نیز در فن شیشه گری مهارت داشته اند و در این صنعت از سایرین پیشرفته تر بودند. در ایران نیز ساختن شیشه قدمت چند هزار ساله دارد در حفاریها ی انجام شده در لرستان و شوش باستان شناسان قطعات شیشه ای سبز رنگ بدست آورده اند که قدمت آنرا ۲۲۵۰ سال قبل از میلاد می دانند.
تاریخچه صنعت شیشه در جهان و ایران
شیشه و فرآورده های شیشه ای امروزه بعنوان یکی از صنایع مهم در اغلب کشورهای جهان محسوب می گردد. تنوع پذیری فرآورده های شیشه ای، اختصاصی بودن بعضی از این محصولات و کاربردهای متعدد و روز افزون آنها باعث اهمیت این صنعت برای همگان گردیده است. صنعت شیشه سازی در ایران از سالیان متمادی بصورت سنتی متداول بوده است و حتی تا اوایل دهه ۱۳۴۰ این صنعت به صورت صنعتی ارائه نشده بود.
شیشه برای اولین بار در امواج آتشین آتشفشانهایی که به سردی گراییده بودند، در رنگ های متفاوت یافت گردید. انسانهای عصر برنز، شیشه طبیعی را گرم کرده و به شکل های مختلف در آورده و به زندگی خود وارد کردند.
مردم ایلام، مصر و بین النهرین حدود سالهای ۳۰۰۰ و ۴۰۰۰ قبل از میلاد مسیح شیشه را شناختند و توانستند آنرا بصورت خیلی ابتدایی بسازند. حدود ۱۰۰ سال قبل از میلاد مسیح این هنر از طریق مصر به ایتالیا رفت و رفته رفته کارگاههای شیشه سازی دررم بوجود آمد. بعد از آن شیشه سازی از رم به ممالک قلمرو آن کشور و سپس به اسپانیا، آلمان، انگلیس و سواحل شمالی دریای سیاه راه یافت. درحدود سال ۹۰۰ میلادی شیشه و آیینه سازی در ونیز توسعه فوق العاده یافت و با توجه به اینکه آن کشور تقریبا قدرت دریایی منطقه مدیترانه بود تجارت شیشه یکی از ارقام بزرگ صادرات بشمار می رفت. سربازانی که شیشه ساز بودند و در جنگهای صلیبی سال ۱۲۰۴ میلادی شرکت داشتند بعد از فاتح شدن، صنعت شیشه سازی را به امپراطوری بیزانس برده و آنرا توسعه دادند. مقارن با سالهای ۱۶۰۰تا ۱۷۰۰ میلادی صنعت شیشه سازی بطور سریع در جهان توسعه یافت بطوریکه ایتالیا صنایع و هنر شیشه سازی را به جزایر مورانو (Morano) انتقال دادند تا اسرار این صنعت به خارج نفوذ نکند و حتی مجازات مرگ را برای جاسوسان در نظرگرفتند در سال ۱۶۱۲ یک کشیش فلورانسی بنام آنتونی نری (Antoni Nery) مقداری از اسناد شیشه سازی را در شهر فلورانس منتشر نمود. از آن تاریخ این صنعت در کنار صنایع دیگر آن زمان جای گرفت و تاریخ مستند شیشه پایه گذاری شد. در ایران، قبایل ایرانی و ایلامی از اولین کسانی هستند که صنعت شیشه سازی را در آن مناطق توسعه دادند. ولی متاسفانه در گسترش و تحقیقات علمی و بصورت کلاسیک در آوردن این هنر و صنعت اصیل ایرانی اقدامات چشمگیری صورت نگرفت و حتی به آن توجه ویژه ای نشد.
شیشه سازی بصورت مدرن و صنعتی در ایران در حدود ۸۰ سال پیش آغاز گردیده است. شیشه و بلور سازی رشته ایست که با اتکا به منابع اولیه در داخل کشور و بدون نیاز به مواد اولیه از خارج می توان هر نوع وابستگی را از میان برد. با توجه به وفور مواد اولیه و انرژی ارزان در کشور، امید آن می رود که این صنعت و هنر اصیل جایگاه واقعی خود را در صنعت ایران بازیابد.
فرمول و مراحل ساخت شیشه
شیشه جسمی است شـفـاف که نور به خوبی از آن عبور می کند و پشت آن به طور وضوح قابل رویت است.شیشه به دلیل آرایش اتمی ملکولی خاص خود حالت جامد دارد ولی بر خلاف دیگر جامدها بلوری است. این حالت هنگامی رخ می‌دهد که ماده مذاب تشکیل دهنده شیشه قبل از رسیدن به دمای خاصی به سرعت سرد می‌شود .
شیشه از نظر ساختمان مولکولی در حالت جامد آرایش مولکولی نامنظم دارد . و در درجه حرارت های بالا مثل هر مایع دیگری رفتار می کند . شیشه از نظر ساختمان مولکولی مانند مایعات نامنظم است ولی این ساختمان غـیر منظم دیگر متحرک نیست .
سختی شیشه حدود ۸ می باشد و همه چیز به جز الماس را خط می اندازد . وزن مخصوص شیشه ۵/۲ گرم بر سانتی متر مکعب بوده و بسیار ترد و شکننده است . شیشه در مقابل تمام مواد شیمیایی حتی اسیدهای قوی و بازها مقاومت کرده و تحت تاثیر خورندگی واقع نمی شود ، به همین عـلت ظروف آزمایشگاهی را از آن می سازند . فقط اسید فلوئوریک بر آن اثر داشته و شیشه را در خود حل می کند .
با وجود هزاران فرمول جدید شیشه که طی ۳۰ سال گذشته بوجود آمده ، درخور توجه است که هنوز مانند ۲۰۰۰ سال پیش ، ۹۰ درصد تمام شیشه‌های جهان از آهک ، سیلیس و کربنات سدیم تشکیل یافته‌اند
کمتر عنصری را در جدول عناصر می توان یافت که از آن شیشه به دست نیاید ولی سه ماده کربنات دو سود ، سنگ آهک و سیلیس مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه می باشند در طی سالیان دراز در ترکیبات اصلی شیشه تغییرات کمی بوجود آمده است و تغییرات مهم در ترکیبات فرعی ، پدید آمده است .
ترکیبات اصلی عبارتند از: ماسه ، آهک و کربنات سدیم .
هر ماده خام دیگر ، جزء ترکیبات فرعی تلقی می‌شود، هرچند که بر اثر استفاده از آن ، نتایج مهمی بدست آید.
مواد شیشه ساز مورد تایید موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران عبارتند از سیلیس ، دی اکسید بور ، پنتا اکسید فسفر که از هـر یک به تنهایی می توان شیشه تهیه کرد .
شیشه‌های معمولی که در زندگی روزمره بکار می‌روند، عمدتا شامل سیـلیس ، کربنات کلسیم ( یا آهک ) و کربنات سدیم و زغال کک است ( گاهی از فلدسپار و دولومیت نیز استفاده می‌شود ).
معمولا این مواد را به صورت پودر یا دانه‌هایی به قطر ۰٫۲ تا ۲ سانتی‌متر ، مصرف می‌کنند. البته برای تهیه شیشه‌های مرغوب و کریستال ، از سیلیس تقریبا خالص (کوارتز) استفاده می‌شود. در شیشه‌های معمولی حدود ½ درصد آلومین و ۰٫۰۸ درصد اکسید آهن نیز وجود دارد.
برای ساخت شیشه ، مراحلی وجود دارد که باید طی شود تا مواد اولیه شیشه به محصولی با کیفیت و قابل قبول تبدیل شود. اما در طی ساخت شیشه ، ظرافت‌هایی وجود دارد که بهتر است آنها را در یک کارخانه تولید شیشه مشاهده کرد .
برخی از ترکیبات فرعی شیشه باعث ایجاد کیفیت در شیشه شده و عدم وجودشان در مواد اولیه باعـث از بین رفتن مرغـوبیت کالای تولیدی می شوند که به چند نمونه از آنها اشاره می گردد .
تثبیت کـننده ها
کربنات سدیم ، کربنات پتاسیم ، سـیلـیکات سدیم در آب حل می شوند و از شفافیت شیشه به تدریج کم می کنند به هـمین عـلـت است که اغلب شیشه های مصرف شده در گـلخانه پس از چند سال کدر می شوند و نور از آن ها به خوبی عـبور نمی کند .
برای آن که مقاومت شـیشـه را در مقابل آب وهـوا ثابت کنیم باید اکسـیدهای دوظرفـیتی باریم ، سرب ، کـلسیم ، مـنـیزیم و روی به مـخـلـوط اضافه کنیم که به این عـناصر تثبیت کـننده می گـویند .
تصفیه کننده ها
تصفیه کننده ها موجب کاستن حباب هوای شیشه می شوند و بر دو نوع اند :
۱ ) فـیزیکی : سولفات سدیم ، کلرات سدیم
با ایجاد حباب های بزرگ ، حباب های کوچک را جذب و از شیشه مذاب خارج می کنند .
۲ ) شیمیایی : املاح آرسنیک و آنتیموان
ترکیباتی ایجاد می کنند که حباب های کوچک داخل شیشه را از بین می برند .
ایجاد رنگ شفاف در شیشه و بالا بردن مقاومت آن
استفاده از نیترات سدیم برای از بین بردن رنگ سبز شیشه ناشی از اکسید آهن که همراه مواد دیگر وارد کوره می شود باعث شفافیت و بی رنگی شیشه می شود.
برای ایجاد مقاومت بیشتر در مقابل عـوامل جوی و شفاف تر شدن شیشه از اکسید منگنز استفاده می شود .
اسـتفاده از فلدسپار نیز باعـث بالاتر بردن مقاومت شیشه در مقابل مواد شیمیایی می شود .
برای این که شیشه در برابر اسید فلوئوریدریک هم مقاوم باشد ، ترکیباتی از فـسـفـات به آن می افزایند .
برای ساختن شیشه های مرغـوب بلور که درخشندگی بیشتری دارند از اکسید سرب به جای کلسیم اکسید استفاده می شوند
برای ساختن بلور مرغـوب از اکسـید نقـره اسـتفاده می کنند .
برخی دیگر از افزونی های دیگر شیشه :
۱) استفاده از خرده شیشه که به ذوب مواد سرعت بیشتری می دهد .
۲ ) استفاده از بوراکس به جای اکسید و کربنات سدیم که در اثر حرارت به سدیم اکسید و بورم اکسید تجزیه می شود و در واقع به جای هر دو ماده عمل می کند .
۳) استفاده از اکسید فلزات برای تهیه شیشه های رنگی .
۴ ) اکسید سزیم برای جذب پرتو مادون قرمز خورشید
۵) اکسیدبرم ، برای ازدیاد مقاومت حرارتی شیشه مورد استفاده قرار می گیرند .
دو نمونه از ترکیبات منجر به تولید شیشه
(۱) ترکیبات : اکسید سیلیسیم حدود ۷۴ تا ۸۰ درصد و بقیه شامل پر اکسید سـدیم تا ۱۵ درصد و اکسـید کلسیم ۷ تا ۱۲ درصد اکسـید منیزیم ۲ تا ۴ درصد و ۲ درصد هم عـناصر دیگر چون اکسید آهن ، اکسید آلومینیوم ، اکسید منیزیم ، فسفید تیتانیم ، سیلیسیم تری اکیسد .
(۲) ترکیبات : اکسـید سیلیسیم در حدود ۷۳ درصد ، اکسـید سـدیم ۱۵ درصد ، اکسـید کـلـسـیم ۵۵/۵
درصد ، اکـسـید منیزیم ۶/۳ درصد ، اکـسـید آلـومـیـنـیـوم ۵/۱ درصد ، اکـسـید بور و اکـسـید پتاسـیم
هر کدام ۴/۰ درصد ، اکـسـید آهن و اکـسید سـیلـیـسـیم ۶ ظرفـیتی هـریک ۳/۰ درصد .
عـلاوه بر موارد بالا هـمـیشـه مـقـداری خرده شـیشـه نیز با این مواد وارد کوره می گـردد .
مراحل ساخت شیشه
۱- تهیه مواد اولیه و تبدیل آنها به پودر با دانه‌بندی بین ۰٫۱ تا ۲ میلی‌متر
۲- توزین هر یک از مواد اولیه به نسبتهای مورد نظر و مخلوط کردن آنها همراه با ۴ تا ۵ درصد آب و انتقال مخلوط به کوره
۳- ذوب کردن مخلوط در کوره و تهیه خمیر شیشه
کوره‌های شیشه‌سازی را می‌توان به کوره‌های بوته‌ای یا کوره‌های مخزنی تقسیم‌بندی کرد. کوره‌های بوته‌ای با ظرفیت تقریبی ۲ تن یا کمتر برای تولید شیشه‌های ویژه به مقدار کم یا هنگامی که حفاظت از پیمانه مذاب در برابر محصولات احتراق الزامی است، بسیار مفیدند. بوته‌ها از جنس خاک رس یا پلاتین هستند. در کوره مخزنی ، مواد پیمانه از یک سر مخزن بزرگی که از جنس بلوکهای نسوز است، وارد می‌شوند. این کوره‌ها با گاز یا برق گرم می‌شوند.
بسته به توانایی آجر نسوز کوره برای تحمل انبساط ، دمای کوره‌ای که به‌تازگی شروع به تولید کرده است، روزانه تنها به اندازه معینی افزایش می‌یابد. پس از گرم شدن کوره بازیابی گرما ، در تمام اوقات دمایی که دست‌کم معادل با ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد است، همچنان حفظ می‌شود. بخش زیادی از گرما به جهت تابش در کوره تلف می‌شود و در واقع مقدار بسیار کمتری از گرما برای ذوب شیشه به‌مصرف می‌رسد.
در هر حال ، دمای دیواره‌های کوره ممکن است چنان بالا رود که شیشه مذاب آنها را حل کند یا بپوساند، مگر اینکه اجازه داده شود دیواره‌ها ضمن تابش مقداری خنک شوند. به‌منظور کاهش کنش شیشه مذاب ، غالبا در دیواره‌های کوره ، لوله‌های آب خنک‌کن کار گذاشته می‌شود.
۴- بی‌رنگ کردن خمیر شیشه و خارج کردن گازها
۵- تبدیل به فرآورده‌های مورد نیاز بازار و صنایع
۶- پختن شیشه ( قرار دادن شیشه داغ در کوره‌هایی که دمای کمی دارد، برای کاهش شکنندگی شیشه)
شکل دهی
شیشه را می‌توان با قالب‌گیری ماشینی یا دستی شکل داد. عامل مهمی که باید در قالب‌گیری ماشینی شیشه مدنظر داشت، این است که طراحی ماشین باید چنان باشد که کالای موردنظر ، ظرف چند ثانیه کاملا شکل گیرد. در طی این زمان نسبتا کوتاه ، شیشه از حالت یک مایع گرانرو به جامدی شفاف تبدیل می‌شود. در نتیجه به‌سهولت می‌توان دریافت که حل مشکلات طراحی همچون جریان گرما ، پایداری فلزات و لقی یاتاقانها بسیار پیچیده است و موفقیت چنین ماشینهایی به مهندس شیشه کمک شایانی می‌کند. شیشه پنجره ، شیشه جام ، شیشه شناور ، شیشه نشکن و مشجر ، شیشه دمشی و … ، با ماشین شکل داده می‌شوند.
به‌منظور کاهش کرنش در تمام کالاهای شیشه‌ای ، اعم از آنکه به روشهای ماشینی یا دستی قالب‌گیری شده‌اند، لازم است که تحت عملیات تابکاری قرار گیرند. بطور خلاصه ، عملیات تابکاری دو بخش دارد:
• اول ،‌ نگه داشتن توده‌ای از شیشه در دمایی بالاتر از یک دمای بحرانی معین تا زمانی که میزان کرنش درونی ، ضمن ایجاد یک سیلان پلاستیکی ، کمتر از یک مقدار حداکثر از پیش تعیین شده گردد.
• دوم ، خنک کردن تدریجی این توده تا دمای اتاق به‌نحوی‌که مقدار کرنش همچنان کمتر از آن میزان حداکثر باقی بماند.
تابدان یا آون تابکاری چیزی بیش از یک محفظه گرم و به‌دقت طراحی شده نیست که در آن سرعت خنک کردن چنان کنترل می‌شود که شرایط گفته شده رعایت شود. ایجاد یک رابطه کمی میان تنش و شکست مضاعف ناشی از تنش ، متخصصان شیشه را قادر به طراحی شیشه ای کرده است که می‌تواند شرایط خاصی از تنش‌های مکانیکی و گرمایی را تحمل کند.
با استفاده از این اطلاعات ، مهندسان ، مبنایی برای تولید تجهیزات پیوسته تابکاری یافته‌اند. این تجهیزات ، مجهز به وسایل خودکار تنظیم دما و گردش کنترل شده هستند که امکان انجام بهتر تابکاری با هزینه سوخت پایین‌تر و ضایعات کمتر محصول را فراهم می‌آورند.
تئوری ساختاری شیشه سازی
یکی از معروف ترین تئوری های ساختاری شیشه سازی، تئوری زاکازیاسن است که در ادامه مطرح می شود. به علت یکسان بودن خواص مکانیکی بلور و شیشه، نیروهای بین اتمی در یک شیشه اکسیدی باید مشابه بلور آن باشد. بنابراین، اتم های شیشه باید مانند بلور ها تشکیل شبکه های سه بعدی گسترده بدهند؛ ولی، الگوی پراش پرتو ایکس شیشه ها بر خلاف بلور ها فاقد خطوط مشخص است و این امر نشان دهنده عدم وجود تقارن و تناوب در ساختار شیشه است. ساختار شیشه دارای سلول واحدی بی نهایت بزرگ و دارای بی نهایت اتم است. به طور کلی قوانینی را که زاکاریاسن درباره اکسیدهای شیشه ساز مطرح کرد به این شرح است:
۱- هیچ آنیون اکسیژنی نباید به بیش از دو کاتیون وصل شود.
۲- تعداد اکسیژن های اطراف کاتیون باید کم باشد.
۳- چند وجهی های اکسیژن باید فقط رئوس خود را به اشتراک بگذارند و نه یال ها و وجوه خود را.
۴- حداقل باید سه راس هر چند وجهی به اشتراک گذاشته شود.
قوانین فوق پس از بررسی شیشه های پیچیده تر توسط زاکاریاسن به شکل زیر مطرح شد. یک شیشه اکسیدی در صورتی تشکیل می شود که:
۱- نمونه حاوی درصد بالایی از کاتیون های دارای عدد همسایگی ۳ یا ۴ باشد (این کاتیون ها توسط مثلث ها یا چهار وجهی های اکسیژنی محاصره شده باشند)
۲- این چهار وجهی ها یا مثلث ها تنها رئوس خود را به اشتراک بگذارند.
۳- برخی اتم های اکسیژن تنها با دو کاتیون مرتبط باشند و اتصالات بیشتری با کاتیون های دیگر برقرار نسازند.
هنگامی که ساختار شیشه ها بر اساس مدل زاکاریاسن مورد بررسی قرار می گیرد، معمولا اصطلاح اکسید شبکه ساز، برای اکسیدی که بخشی از شبکه شیشه ای را می سازد به کار می رود و اصطلاح اکسید دگرگون ساز را، برای اکسیدی که قادر به این کار نیست. اکسید های واسطه نیز به اکسید هایی گفته می شود که بسته به شرایط بتوانند گاه شبکه ساز و گاه دگرگون ساز باشند.
فرمول عمومی یک شیشه اکسیدی را می توان به صورت AmBnO نوشت. که در این جا m و n معمولا اعداد صحیحی نیستند. علامت B معرف کاتیون های شبکه ساز و A معرف کاتیون های دگرگون ساز است. بر اساس نظر زاکاریاسن کاتیون های A که کاتیون های بزرگ با بار کم مانند Na+، K+، Ca2+، Ba2+ و Pb2+ هستند، در داخل حفره های نسبتا بزرگ ساختار شیشه قرار گیرند. برای ساختار هایی که از چهار وجهی ها تشکیل شده اند، اشتراک حداقل سه راس هر چهار وجهی لازم است و در نتیجه، در فرمول AmBnO، n در محدوده ۰٫۳۳ و تا ۰٫۵ خواهد بود.
تا پیش از انتشار مقاله زاکاریاسن تلاش جدی در راستای تعیین ساختار های شیشه های ساده توسط پراش اشعه ایکس انجام نشده بود. وارن با کمک مطالعات اشعه ایکس نتیجه گرفت که ساختار شیشه سیلیسی درست به گونه ای است که زاکاریاسن پیشنهاد کرده بود. شکل روبرو نمایشی دو بعدی از ساختار یک شیشه سیلیکات سدیمی را به روایت وارن ارائه می دهد.
این ساختار مبتنی بر شبکه پیوسته ای از چهار وجهی های SiO4 است که در آن یون سدیم به صورتی نامنظم و اتفاقی در حفره های بزرگ شبکه قرار می گیرند. بر خلاف سیلیس آمورف، در اینجا تمام اکسیژن ها به دو اتم سیلیسم وصل نمی شوند، زیرا با وارد شدن Na2O، اتم های اضافی اکسیژن وارد شبکه شده و نسبت اکسیژن به سیلیسیم افزایش می یابد. اتم های اکسیژنی که فقط به یک اتم Si وصل می شوند، معمولا اکسیژن های تک اتصال یا غیر پل ساز، خوانده می شوند.
نظریه زاکاریاسن بعدها مورد انتقادات زیادی قرار گرفت ولی با وجود این انتقادات این تئوری به مدت طولانی و به طور وسیع مورد قبول واقع شد. محدودیت های این تئوری اخیرا کاملا تشخیص داده شده زیرا، شیشه های اکسیدی زیادی ساخته شده اند که از قوانین زاکاریاسن پیروی نمی کنند.
تئوری سینتیکی شیشه سازی
امروزه تئوری سینتیکی شیشه سازی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. تئوری سینتیکی شیشه سازی به این نکته اشاره می کند که تبلور یا عدم تبلور مایع در هنگام سرد شدن پیش از رسیدن به دمای Tg یک مسئله سینتیکی است که به سرعت جوانه زنی و رشد و سرعت خارج کردن انرژی حرارتی از سیستم بستگی دارد. تورنبال در مقاله مشهور خود اشاره می کند که می توان در هر دسته ای از مواد، اعم از کووالانسی، یونی، فلزی، واندوالس و هیدروژنی موادی با قابلیت شیشه سازی یافت. سرعت سرد کردن، میزان تمرکز جوانه ها و برخی از خواص ماده مانند کشش سطحی سطح مشترک بلور – مایع، انتروپی ذوب و غیره به عنوان عوامل موثر و مهمی هستند که توانایی مایعات مختلف را از نظر شیشه سازی تحت تاثیر قرار می دهند. در واقع در این نظریه این پرسش مطرح می شود که یک مایع باید با چه سرعتی سرد شود تا تبدیل به شیشه شود. در نتیجه، از نظر تئوری سینتیکی شیشه سازی، هر ماده ای می تواند تبدیل به شیشه شود به شرط این که با سرعت کافی سرد گردد.
برای این که مایعی در زیر دمای لیکوئیدوس به صورت جامد بلوری در نیاید یا به عبارت دیگر منظم نشود، باید سرعت تشکیل جوانه ها به قدری پایین باشد که در زمان داده شده فرصت منظم شدن یا تبلور به ماده داده نشود. ابتدا توجه محققان به سرعت رشد معطوف شد، در جدول زیر سرعت های تبلور برای مواد مختلف نشان داده شده است. این سرعت برای موادی که به آسانی شیشه ای می شوند، باید پایین ترین مقدار ممکن را داشته باشد. یکی از موارد قابل توجه در این جدول میزان گرانروی در نقطه ذوب است. بر اساس روابط موجود در مورد سرعت رشد و گرانروی، در مایعی که در نقطه ذوب گرانروی بالایی دارد، سرعت رشد بلور کم بوده و این ماده با سهولت بیشتری به صورت شیشه در می آید. سرعت سرد کردن مواد جدول زیر، بیش از حد بالاست و آن ها می توانند در عمل با سرعت سرد کردن بسیار کمتری به صورت شیشه در آیند، زیرا سرعت جوانه زنی این مواد اندک است. بنابراین آهسته بودن جوانه زنی یا رشد هر دو به شیشه سازی کمک می کنند.
انوع شیشه و کاربرد آنها
انواع شیشه برای مصارف گوناگون در ضخامتها، رنگها و طرحهای مختلف تولید می شود. این شیشه ها با توجه به شرایط منطقه ای و نظر مصرف کننده می توانند مقدار نور، انرژی خورشید، حرارت و مقدار صدا را کنترل نمایند.
انواع شیشه ضمن کنترل پارامترهای مذکور، شیک بوده و درطول سالهای متمادی تغییرکیفیت نمی دهند. از شیشه می توان جهت نمای ساختمانها و یا بصورت درب، پارتیشن، دکور داخل ساختمان، اطاقک شیشه ای، میز شیشه ای و به عنوان نرده استفاده کرد.
– شیشه های آبدیده (سکوریت)
انوع مختلف شیشه را می توان بصورت سکوریت (ایمن شده ) تبدیل نمود. در سکوریت کردن، شیشه ها تحت اثر عملیات حرارتی قرار می گیرند. این عملیات به شیشه خواص مکانیکی استثنایی می دهد، مقاومت آن افزایش پیدا کرده و در موقع شکستن، شیشه های آبدیده به تکه های کوچک تقسیم شده واحتمال بریدگی را کاهش می دهد.
– شیشه های دوباره حرارت دیده
شیشه هایی که موقع خروج از کوره دوبار گرم شده اند تنش های داخلی آنها از بین برود.
– شیشه های کنترل کننده نور و حرارت خورشید
۱- شیشه های رنگی غیر انعکاسی
این شیشه ها ضمن کاهش حرارت، تیزی نور آفتاب را هم می گیرد و اجازه می دهد نور طبیعی مورد نیاز وارد ساختمان شود. این نوع شیشه ها در ضخامتها و رنگهای مختلف وجود دارد که بشرح ذیل می باشد. البته درجات کنترل نور و حرارت آنها با هم متفاوت است.
زرد کهربایی ۳-۴-۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر
برنز ۳-۴-۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر
دودی اروپا ۳-۴-۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر
دودی ایتالیا ۳-۴-۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر
صورتی ۳-۴-۵-۶-۱۰ میلیمتر
سبز ۳-۴-۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر
شیشه های مذکور بصورت سکوریت نیز قابل استفاده است.
۲- شیشه منعکس کننده نور خورشید SUN – REFLEC
یک نوع شیشه بصورت مخصوص تولید می شود تا بتواند درصد بسیار بالایی از نور خورشید را منعکس نماید. این شیشه در ضخامت ۶ میلیمتر و رنگهای ساده و خاکستری وجود دارد. وقتی در نمای ساختمان استفاده می شود بصورت نقره ای بنظر می رسد.
۳- شیشه پارلیو PARELIO
شیشه های مختلف به ضخامتهای ۱۲-۱۰-۸-۶ را می توان موقع سکوریت کردن با استفاده ازمواد شیمایی حالت انعکاس خاصی به آنها داد بطوریکه می تواند درصد بالایی از اشعه ماورای بنفش و مادون قرمز را منعکس نماید. (‌از ۴۲ درصد تا ۸۰ درصد) پارلیو با دو ترکیب ۲۴ و ۵۰ انجام می شود. رویه منعکس کننده پارلیو ۲۴ می تواند بطرف داخل یا خارج باشد ولی رویه منعکس کننده پارلیو ۵۰ باید بطرف داخل باشد (غیر از شیشه ساده پارلیو) پارلیو چون موقع سکوریت شدن ایجاد می شود قابل برش نمی باشد.
۴- شیشه جام رفلکس (منکس کننده) REFLECT
این نوع شیشه بصورت جام منعکس کننده نور بوده و می تواند بصورت سکوریت نیز مورد استفاده قرار گیرد. تفاوت این نوع شیشه با شیشه پارلیو در این است که شیشه پارلیو موقع سکوریت شدن بصورت منکس کننده در می آید. البته درجات کنترل نور و حرارت این دو نوع شیشه متفاوت است. این نوع شیشه در ضخامتهای ۵-۶-۸-۱۰ میلیمتر و رنگهای مختلف تولید می شود. هنگام کار با شیشه باید مواظب بود تا سطح منعکس کننده خراش بر ندارد.
۵- شیشه شاهکار انعکاس REFLECYA – COOL
این شیشه به گونه ای تولید می شود که بتواند درصد بالایی از نور و انرژی خورشید را منعکس و جذب نماید و رنگ و زیبایی مورد نظر را به ما بدهد. این نوع شیشه هزینه تهویه داخل ساختمان را به حداقل می رساند. وقتی این نوع شیشه در نمای ساختمان مورد استفاده قرار می گیرد داخل ساختمان از ساختمانهای روبرو قابل رویت نمی باشد. این شیشه در سه نوع استاندارد تولید می شود بطوری که بتواند ۸ % ، ۱۴ % و ۲۰% نور را به داخل ساختمان انتقال دهد. این شیشه در رنگها و ضخامتهای ذیل تولید می شود:
ضخامت (میلیمتر) نوع
– ۱۰-۸-۶-۵-۴-۳ ساده
– ۱۰-۸-۶-۵-۴ زرد کهربایی
– ۶-۵ آبی
– ۱۰-۸-۶-۵-۴-۳ برنز
– ۱۰-۸-۶-۵-۴-۳ دودی اروپا
– ۱۰-۸-۶-۵-۴-۳ دودی ایتالیا
– ۱۰-۶-۴-۳ صورتی
– ۱۰-۸-۶-۵-۴-۳ سبز
۶- شیشه های دو جداره
سیستم شیشه دو یا چند جداره قطعه ای است شامل دو یا چند لایه شیشه که به طور موازی در فواصل مساوی از یکدیگر قرار گرفته اند و توسط فاصل (اسپیسر) در دور تا دور آن، از هم جدا شده اند. در فضای بین شیشه ها هوا یا گازهای خاص بدون رطوبت با فشاری تقریباً مساوی فشار هوای بیرون وجود دارد. در شیشه های دوجداره غالباً از اسپیسرهای آلومینیومی استفاده می شود که درون اسپیسر را با ماده رطوبت گیر پر می کنند که این ماده سبب جذب رطوبت هوای مابین دو شیشه می گردد و توسط مواد درزگیر مناسب، کاملاً آب بندی شده است و در داخل فاصل های استاندارد از مواد جاذب رطوبت استفاده می گردد.
در شیشه های دو جداره می توان از انواع شیشه های معمولی، رنگی، رفلکس، لمینت و سکوریت استفاده کرد.
خصوصیات شیشه دوجداره
– کاهش اتلاف انرژی
– کاهش آلودگیهای صوتی
– جلوگیری از نم زدگی شیشه
– ایمنی بیشتر نسبت به پنجره های تک جداره
۷ – شیشه های ایمنی
شیشه ایمنی به سختی می شکند و در مقابل نیروهای ناشی از ضربه انفجار، باد و زلزله مقاومت نموده و یا در صورت شکسته شدن به قطعات کوچک تبدیل می گردد به نحوی که خسارات جانی و مالی حادثه را به حداقل می رساند.
تغییرات بعدی روی شیشه ایمن شده ممکن نمی باشد بنابراین باید در تهیه نقشه های اجرایی ساخت این نوع شیشه دقت کافی بعمل آید. خواص مختلف در شیشه های ایمنی باعث گردیده که استفاده از یک لایه شیشه ساده تخت در کشورهای صنعتی و پیشرفته جهان تقریبا منسوخ گردد. شیشه ایمنی با انجام عملیات حرارتی بر روی شیشه معمولی تولید می گردد. شیشه را با توجه به ضخامت و شکل مسطح یا خم آن تا حدود ۶۰۰ الی ۷۳۰ درجه سانتیگراد حرارت داده سپس آنرا با دمش هوا با فشار ۲ تا ۶ کیلوگرم/ سانتیمتر مربع بسرعت و به طریقی سرد می کنند که تنش فشاری در سطح و کششی در مرکز شیشه باقی می ماند. این فرآیند باعث می گردد استحکام شیشه بالا رفته ونسبت به ضربه خمش وتنشهای حرارتی مقاومت زیادی نشان دهد. مقاومت خمشی شیشه معمولی حدودا ۳۰۰ تا ۴۰۰ کیلوگرم نیرو بر سانتیمتر مربع می باشد ولی این عدد برای شیشه ایمنی ۱۲۰۰ تا۲۰۰۰ است. شیشه ایمن شده به دلیل مقاومت مکانیکی بالا در ساخت پوشش نما و ورودی ساختمانهای مسکونی، اداری، تجاری و ورزشی، بانکها، هتلها و سایر ساختمانهای پر تردد، ویترین فروشگاهها، پارتیشنها، ‌شیشه های رومیزی، وسائط نقلیه عمومی و… کاربرد وسیعی دارد. همچنین به دلیل مقاومت حرارتی مناسب وجنبه های ایمنی از آن برای ساخت شیشه های درب اجاقها و بخاریهای گازی و.. استفاده می گردد. شیشه دو جداره به دلیل حفظ انرژی حرارتی و برودتی داخل، تجاری و… به جهت کاهش آلودگی در پنجره ساختمان بیمارستانها، کتابخانه ها، موزه ها وساختمانهای حاشیه خیابانهای پرتردد و یا نزدیک فرودگاه ها کاربرد وسیع دارد. همچنین برای ایمنی و آسایش بیشترپنجره های وسایل نقلیه عمومی مانند واگنهای قطار واتوبوسهای بین شهری نیز به شیشه های دو جداره مجهز می گردند. بنابراین استفاده از شیشه های دو جداره در پنجره ساختمانها برتریهای انکار ناپذیری به شرح ذیل دارد.
– حفظ انرژی وحفاظت محیط زیست:مقایسه ضریب انتقال حرارت برای شیشه های مختلف که در پنجره ساختمانها استفاده می شوند وهمچنین میزان مصرف سوخت سالانه که تولید کننده گازهای زیان آور برای محیط زیست مانند CO2 و SO2 می باشد بیانگر این واقعیت است که استفاده از شیشه های دو جداره در ساختمانها تا چه اندازه اهمیت دارد میزان صرفه جویی سوخت برای یک آپارتمان مسکونی که حدود سی متر مربع پنجره داشته و در آنها از شیشه دو جداره با گاز آرگون استفاده شده باشد سالانه ۱۵۰۰ لیتر می باشد که در این حالت تولید گازهای آلاینده نیز تا حدود ۷۰ درصد کاهش می یابد.
– کاهش آلودگی صوتی : متوسط تقریبی شدت سر و صدا در شهر های بزرگ در حدود ۶۵ تا ۷۰ دسیبل می باشد این در حالی است که شدت صوت مجاز برای بیمارستانها ومحیط هایی از این نوع حداکثر ۳۸ دسیبل می باشد.
استفاده بهینه از نور روز وکنترل انرژی: در مناطق گرمسیر با استفاده مناسب از شیشه های رنگی و رفلکس در پنجره های دو جداره میتوان میزان عبور نور ورودی را به دلخواه از حدود ۸ تا ۷۶ درصد نور تابیده شده کنترل نموده وانتقال انرژی از خارج به داخل نیز می تواند از ۲۵ درصد تا حدود ۶۱ درصد کل انرژی تغییر نماید همچنین برای مناطق سردسیر می توان با استفاده از یک لایه شیشه پوشش دار انرژی داخل را نیز حفظ نمود.
۸- انواع دیگر
غیر از مواردی که ذکر شد انواع دیگر شیشه برای مصارف گوناگون وجود دارد. این شیشه ها عبارتند از : شیشه طلقی، ضد آتش، ضد گلوله، شیشه حافظ مواد رادیو اکتیو، شیشه های نقش دار برای دکوراسیون داخلی ساختمان، شیشه های ویترین، آجر شیشه ای، شیشه خم برای اتومبیل وساختمان، شیشه ضد دزد، شیشه ضد صدا، شیشه مخصوص پشت بام کارگاهها و شیشه های مسلح (سیم دار)
شیشه مسلح
برای آنکه شیشه دارای مقاومت بیشتری در مقابل ضربه داشته باشد آنرا مسلح می کنند بدین طریق که یک صفحه توری سیمی بین دو لایه شیشه قرار می دهند. این نوع شیشه بیشتر به طریقه ریخته گری تهیه می شود بدین طریق که اول شیشه مذاب را روی سینی مسطحی که به همین منظور تهیه شده است می ریزند. ضخامت این لایه نصف ضخامت شیشه ایست که می خواهند تهیه کنند آنگاه روی آن توری سیمی که از قبل آماده شده است پهن می کنند آنگاه بلافاصله لایه دوم شیشه مذاب را روی آن می ریزند. کمی صبر می کنند که شیشه مذاب حالت خمیری به خود بگیرد و آنگاه آنرا به طریقه نورد یا غلتک بصورت شیشه مشجر و یا ساده در می آورند ضخامت شیشه های مسلح ۴ تا ۶ میلی متر می باشد و بیشتر برای درهای ورودی و یا کارگاه ها و… که امکان ضربه زدن به شیشه وجود دارد مصرف می نمایند.
شیشه ضد گلوله
اگر چند لایه شیشه را طوری به همدیگر بچسبانند که کلفتی آن بین ۳۰ تا ۶۰ میلی متر بشود این شیشه می تواند ضربه ناشی از شلیک گلوله را تحمل کرده و سوراخ نشود . شیشه های ضد گلوله می تواند شیشه سکوریت و یا شیشه معمولی باشد چسب به کار رفته از نوع شفاف می باشد که قابل رویت نیست.
شیشه مقاوم در مقابل حرارت
این شیشه که با نام تجاری پیرکس در بازار مشهور می باشد در مقابل حرارتهای زیاد مقاوم می باشد و بیشتر برای ساختن ظروف آزمایشگاهی و ظروف لوکس آشپز خانه مورد استفاده قرار می گیرد .ضریب انبساط و انقباض آن بسیار کم است و به همین دلیل می توان آنرا به سرعت حرارت داده و به سرعت سرد نمود این خواص را،مواد تشکیل دهنده این نوع شیشه در آن بوجود می آورد مواد تشکیل دهنده شیشه پیرکس به شرح ذیل می باشد:
– SiO2 در حدود ۸۰% – B2O3 در حدود ۱۲% – Na2O در حدود ۴% – Al2O3 در حدود ۲%
دو درصد هم مواد دیگر مانند Al2O3,K2O,MgO,CaO,Fe2O3 به آن اضافه می گردد. بعضی از انواع شیشه پیرکس با نامهای تجاری دیگر به بازار عرضه می گردد که بعضی از انواع آن در مقابل مواد شیمیایی نیز مقاوم است .کلیه ظروف آزمایشگاهی دارای این دو خاصیت می باشد.
۱- مقاوم در مقابل مواد شیمیایی ۲- مقاوم در مقابل حرارت و تغییرات سریع آن
شیشه مقاوم در مقابل صوت
واحدهای مسکونی که در مجاورت فرودگاهها و یا در مراکز شهر ساخته میشود و همچنین اطاقهای فرستنده رادیو و تلویزیون نیز که باید از صداهای خارجی محفوظ بوده و ضمنا بتوان از نور استفاده نمود باید در ساختمان آنها از شیشه ضد صوت استفاده کرد . شیشه ضد صوت از دو لایه شیشه معمولی تشکیل شده است که با فاصله چند سانتی متر(۳ تا ۴) از یکدیگر قرار گرفته اند. از این فاصله ارتعاشات صوتی نمی تواند عبور نماید.
شیشه های تار
بعضی از فضا در ساختمان احتیاج به روشنایی مختصری دارد و باید طوری باشد که از بیرون داخل آن دیده نشود. مانند حمامها، رختکنها و… بدین لحاظ در این مکانها از شیشه هایی که شفافیت آنها صددرصد نیست و فقط مقدار کمی نور از آن عبور می کند استفاده می نمایند مانند شیشه های مشجر که با نقشهای گوناگون به بازار عرضه می شود و اغلب این شیشه ها بوسیله نورد تهیه می گردد و نقش شیشه روی قطعات نورد حک شده است و خمیر شیشه حین عبور کردن از بین نورد ،مشجر می شود .ویا شیشه های تار مشجر که روی سطح شیشه مشجر که هنوز در حالت خمیری می باشد قبل از آنکه نورد بشود با فشار گرد سیلیس می پاشند .این گرد سیلیس را با اسید فلور مخلوط می نمایند تا بهتر سطح شیشه را کدر نماید و نور از آن کمتر عبور کند و یا به مواد خام شیشه ، اکسید قلع و یا فسفات کلسیم اضافه می کنند این مواد در هنگام پخت رنگ شیشه را شیری می کند.
در انتخاب شیشه باید عواملی مثل نور، سرما، گرما و صدا مورد توجه قرار گیرد.
خواص شیشه
۱- خواص آکوستیک (صوتی)
انتقال صدا در شیشه به جرم وسختی شیشه یعنی به ضخامت آن و به نوع اتصال آن به پنجره بستگی دارد. هرچه ضخامت شیشه بیشتر بوده واتصال آن به پنجره نرم و با استفاده از لاستیک باشد کمتر نوسان می کند و عمل عایق بودن را بهتر انجام می دهد. برای کنترل هرچه بیشتر صدا از شیشه های دو جداره، طلقی و شیشه های ضد صدا استفاده می شود. قدرت یک صدا را با شدت آن I و یا فشار آن P که به ترتیب با واحدهای وات بر متر مربع و پاسکال اندازه گیری می شوند مشخص می سازند. در عمل از سطح شدت و سطح فشار استفاده می شود که از روی یک مقیاس لگاریتمی که نقطه صفر آن آستانه شنوایی است تعیین شده و واحد آن دسیبل می باشد. گوش انسان به صداهایی که از ۱۶ تا ۲۰۰۰۰ هرتز است حساس می باشد. آکوستیک معماری فقط فاصله بین ۱۰۰ تا ۵۰۰۰ هرتز را در نظر می گیرد. برای مکالمه عادی صدایی در حدود ۵۵ تا ۶۰ دسیبل کافی است. صداهای تا حدود ۸۰ دسیبل برای انسان قابل تحمل بوده و بیش از آن آزار دهنده خواهد بود. جهت آگاهی بیشتر، شدت صدا در اطراف منابع مخالف تولید صوت و حداکثر زمان مجاز تحمل این صداها ارائه شده است. چنانچه شدت صوت ۲ یا چندین منبع صوتی بدیگری اضافه شوند سطح شدت آنها با هم جمع نمی شوند مثلا دو منبع که هر یک ۴۰ دسیبل هستند مجموعا ۴۳ دسیبل صدا تولید می کنند (نه ۸۰ دسیبل)
– خودروهای سنگین ومبدلهای جوشکاری قوس ۹۰ دسیبل (۸ ساعت)
– ماشینهای مته کاری ۸۵ دسیبل (۲٫۵ ساعت)
– ماشینهای فرز چوب ۹۵ دسیبل (۴۵ دقیقه)
– ماشینهای اره گرد ۱۰۰ دسیبل (۱۵ دقیقه)
– چکش کاری ورقه ۱۱۵ دسیبل (۱٫۵ دقیقه)
– چکش پرچ کار ۱۳۰ دسیبل
– انواع هواپیما ۱۴۰ دسیبل
۲- خواص مکانیکی
– چگالی(جرم مخصوص): چگالی شیشه ۲٫۵ بوده و درنتیجه جرم هر متر مربع شیشه به ازاء هر میلیمتر ضخامت برابر ۲٫۵ کیلوگرم می باشد. یعنی هر متر مربع شیشه با ضخامت ۱۰ میلی متر ۲۵ کیلوگرم وزن دارد.
– سختی : سختی سطح شیشه برابر ۶٫۵ واحد یعنی تقریبا برابر سختی کوارتز می باشد. یعنی قابلیت خط تولید شدن سطح آن مثل کوارتز است.
۳- مشخصات اسپکتروفتومتری
هنگامیکه یک شعاع الکترومغناطیسی به یک شیشه برخورد می کند قسمتی از آن منعکس و قسمتی جذب و بقیه وارد اتاق می شود. نسبت هر یک از ۳ فلوی مذکور به فلوی تابشی بترتیب ضریب انعکاس، ضریب جذب و ضریب انتقال نامیده می شود. انواع مختلف شیشه وجود دارد که دارای ضرایب متفاوتی می باشند و با توجه به نیاز و مورد مصرف می توان ضرایب مورد نظر را انتخاب نموده و با استفاده از جداول مربوط شیشه مناسب را خریداری نمود.
۴- مشخصات انرژی
الف- انرژی تشعشعی طبیعی
مقدار انرژی که یک تشعشع آنرا حمل می کند تابعی از طول موج است و توزیع انرژی تشعشع خورشیدی هنگامیکه ارتفاع آن در آسمان ۲۰ درجه و هوا صاف است (برای سطحی عمود بر تشعشع ) بصورت زیر می باشد :
– برای ماورای بنفش۱ % – برای نور مرئی ۵۳ % – برای مادون قرمز ۴۶ %
ب – پدیده گلخانه ای
انرژی خورشیدی که بداخل یک اتاق وارد می شود بوسیله اشیاء و جدارهای داخلی آن جذب می گردد. این اشیاء وجداره ها گرم می شوند و به نوبه خود تشعشع حرارتی ساطع می کنند که در مادون قرمز دور قرار دارد . شیشه ها حتی اگر شفاف هم باشند نسبت به این طول موجها کدر هستند و در نتیجه انرژی خورشیدی که وارد اتاق می شود همانجا محبوس می گردد و باعث ازدیاد دمای درون اتاق می گردد. این پدیده را پدیده گلخانه ای می گویند.
انواع شیشه های تجاری مهم
از مهم ترین شیشه های تجاری می توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- شیشه سیلیسی (یا SiO2 آمورف)
۲- شیشه وایکور (Vycor)
۳- شیشه های دوتایی SiO2-R2O
۴- شیشه های دوتایی SiO2-RO
۵- شیشه های سیستم SiO2-Na2O-CaO
۶- شیشه بوروسیلیکاتی مقاوم در برابر حرارت
۷- شیشه کریستال
۸- شیشه فتوکرمیک
۹- شیشه اوپال
شیشه سرامیک
شیشه سرامیک ها (Glass ceramic) محصولاتی هستند که از طریق فرآیند معمول ساخت شیشه که عبارت است از ذوب مواد اولیه و شکل دادن آن (از طریق پرس، دمش، نورد، ریخته گری و غیره) ساخته می شوند. هر چند در سال های اخیر از روش های دیگر ساخت شیشه مانند سل – ژل یا رسوب از بخار نیز برای ساخت شیشه سرامیک ها استفاده شده است. اما این روش ها هنوز تجاری نشده اند. پس از تهیه قطعه شیشه ای به صورت دلخواه، در مرحله بعدی این قطعه تحت عملیات حرارتی مناسبی قرار می گیرد تا به صورت جزئی یا کامل تبلور یافته و به محصول به اصطلاح شیشه سرامیکی تبدیل شود. این قطعات معمولا در حالت نهایی دارای فاز های بلوری به مقدار ۵۰ تا ۱۰۰ درصد بوده و بقیه را فاز شیشه ای تشکیل می دهد. در مرحله عملیات حرارتی با کنترل شرایط جوانه زنی و رشد بلور ها از طریق رسوب دادن فاز های بلوری مطلوب، خواص دلخواه در قطعه ایجاد می شود. مقدار و نوع فاز های بلوری و ریزساختار (ابعاد و شکل ذرات بلوری، طرز آرایش آن ها، مقدار تخلخل و غیره) تعیین کننده ویژگی های نهایی قطعه خواهد بود. این روش نسبت به روش ساخت محصولات معمولی سرامیکی دارای مزایایی به شرح زیر است:
۱- فرآیند ساخت شیشه معمولا دارای امکان استفاده از اتوماسیون بیشتر، سرعت تولید بالاتر و ضایعات کمتر است. امکان برگشت ضایعات به خط تولید نیز در آن بیشتر از روش های دیگر بوده و در این روش کنترل ابعاد قطعات نیز (به علت ایجاد تغییر کمتر) بهتر صورت می گیرد.
۲- کنترل ریز ساختار و در نتیجه خواص در این فرآیند (در مرحله عملیات حرارتی) بهتر می تواند انجام گیرد و دست یابی به اندازه ذرات بسیار ریز یا حذف کامل تخلخل به سهولت امکان پذیر است.
۳- با کنترل ترکیب، نوع جوانه زا و عملیات حرارتی می توان مقدار و نوع فاز های به وجود آمده را با سهولت بیشتری کنترل کرد (به ویژه در مرحله کینتیکی رسوب فازها). در نتیجه امکان کنترل خواص نهایی بهتر فراهم می شود. با اینکه مدت نسبتا زیادی از کشف روش ساخت شیشه سرامیک ها از طریق تبلور شیشه توسط رئومور (Reaumur) در سال ۱۷۳۹ می گذرد، اما استفاده از فرآیند شیشه سرامیک به عنوان روشی صنعتی و تجارتی برای ساخت محصولات قابل عرضه به بازار تقریبا از ۵۰ سال پیش معمول شده است.
کارخانه شیشه کورنینگ آمریکا نخستین بار محصولات شیشه سرامیک شوک پذیر را به صورت ظروفی که می توانست مستقیما روی شعله قرار گیرد به بازار عرضه نمود. از آن زمان تا کنون صنعت شیشه سرامیک همگام با شناخت بهتر، ژرف تر و دقیق تر از پدیده های جدایش فازی در شیشه و جزئیات فرآیند های جوانه زنی و رشد و بررسی ریزساختارهای این مواد گسترش بسیار زیادی یافته است. امروزه شیشه سرامیک ها کاربردهای بسیار متنوع و فراوانی یافته اند که محصولاتی مانند ظروف شوک پذیر آشپزخانه، کاشی ها و سنگ های ساختمانی، مقره های برقی، لوله ها و پوشش های مقاوم در برابر خوردگی، قطعات الکترونیکی – اپتیکی، صنایع هوا – فضا، دماغه موشک ها (Radoms)، آینه تلسکوپ ها، بایو سرامیک ها با کاربردهای پزشکی و بسیاری از فرآورده های دیگر را در بر می گیرد.
برای تولید شیشه سرامیک ها باید ابتدا مواد اولیه تهیه شده عملیات ذوب و شکل دهی انجام شود و سپس در طی عملیات حرارتی محصول نهایی بدست آید. در این مطلب به بررسی مواد اولیه، عملیات ذوب و شکل دهی پرداخته می شود و عملیات حرارتی شیشه سرامیک ها به صورت جداگانه بررسی خواهد.
مواد اولیه شیشه سرامیک
برای ساخت شیشه سرامیک ها معمولا از همان مواد اولیه ساخت شیشه استفاده می شود. خلوص مواد اولیه بستگی به نوع محصول دارد. در مورد قطعات دقیق با کاربرد های حساس الکترونیکی یا اپتیکی، مواد بسیار خالص به کار می رود در صورتی که برای محصولات معمولی تر (مانند مصالح ساختمانی) می توان از مواد با خلوص پایین تر استفاده نمود. علاوه بر مواد اولیه معمول در صنعت شیشه، از مواد اولیه طبیعی نیز استفاده می شود. مثلا برای وارد کردن Li2O به ترکیب شیشه می توان از پتالایت یا اسپیدومن طبیعی استفاده نمود که اقتصادی تر است. در مورد برخی محصولات و به ویژه محصولاتی با کاربرد های ساختمانی از مواد زائد صنعتی مانند سرباره های متالورژیکی یا مواد طبیعی ارزان قیمت مانند بازالت، توف یا گرانیت استفاده می شود.
برای تهیه بچ (Batch) یا مخلوط مواد اولیه از همان اصول تهیه، دانه بندی و مخلوط کردن مواد اولیه شیشه استفاده می شود. ناهمگنی هایی که باعث افت خواص می شوند در داخل ماده تبلور یافته، نمود بیشتری دارد بنابراین لازم است که حین آماده سازی بچ به همگن بودن مخلوط توجه زیادی معطوف کرد. مخلوط مواد اولیه شیشه سرامیک ها غالبا دارای اجزای فرعی است که به مقدار اندکی به آن افزوده می شود. این اجزا باید با دقت بسیار توزین شوند. این موضوع به ویژه باید در مورد جوانه زا ها و اجزاء فرعی که ممکن است اثرات نامطلوبی بر خواص بگذارند (مثلا باعث اعوجاج و تغییر شکل در حین تبلور شوند) رعایت شود. به منظور توزیع یکنواخت این اجزاء فرعی در کل مخلوط اولیه می توان ابتدا این مواد را با یکی از مواد اولیه بچ مخلوط کرده آنگاه آن را به کل مواد اضافه نمود. به هنگام استفاده از مواد طبیعی یا ضایعاتی ممکن است به علت عدم یکنواختی ترکیب مشکلاتی بروز کند که در این مورد باید تدابیری اندیشید. به منظور انجام عمل تصفیه (حباب زدایی) می توان از تصفیه کننده های معمولی مانند اکسید آرسنیک As 2 O3 و اکسید آنتیموان Sb 2 O3 ، سولفات ها، فلوئورید ها و غیره بسته به نوع شیشه استفاده نمود.
ذوب شیشه سرامیک
برای ذوب مواد اولیه شیشه سرامیک ها می توان از انواع کوره های معمولی در صنعت شیشه استفاده نمود . مثلا کوره پاتیلی، تانک روزانه (Day Tank) یا کوره های ذوب پیوسته. سرعت واکنش های ذوب و دمای انتخابی بستگی به ترکیب شیشه، ساختار کوره و سیستم حرارت دهی آن دارد. در مورد سیستم های شیشه سرامیکی معمول مقدار Al2O3 و SiO2 و نسبت آن ها از نظر دمای ذوب اهمیت زیادی دارد. اگر مجموع این دو اکسید زیاد باشد دمای ذوب افزایش می یابد. به طور مثال اگر در شیشه سرامیک های سیستم SiO2-Al2O3-CaO-MgO-Na2O مجموع Al2O3 و SiO2 در ترکیب بین ۶۲ تا ۷۴ درصد وزنی باشد، معمولا دمای ذوب در حدود ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد خواهد بود. دمای ذوب شیشه سرامیک های سیستم SiO2-Al2O3-Li2O عمدتا بستگی به مقدار Li2O دارد. اگر مقدار این اکسید در حد معمول (۳ الی ۴ درصد وزنی) باشد، دمای ذوب حدود ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد خواهد بود. سایر اجزای ترکیب، اکسیدهایی نظیر MgO، ZnO، CaO، B2O3، P2O5 و غیره هستند. اگر مجموع دو اکسید Al2O3 و SiO2 بیشتر از ۸۵ درصد وزنی باشد، آنگاه باید دمای ذوب حدود ۱۶۵۰ درجه سانتی گراد یا بالاتر باشد. حباب زدایی این شیشه ها نیز به علت گرانروی بالا مشکل خواهد بود.
شکل دادن شیشه سرامیک
به هنگام تولید مواد شیشه سرامیکی تمام شیوه های شکل دادن معمول در صنعت شیشه مانند ریخته گری، پرس کردن، دمیدن، کشیدن، نورد کردن و غیره می تواند مورد استفاده قرار گیرد. روش های نسبتا ساده مانند ریخته گری در قالب برای شکل دادن قطعات بزرگ مانند آینه های تلسکوپ یا اشکال اولیه (شمش) برای ساخت شیشه سرامیک های ماشین کاری شونده به کار می رود. ریخته گری گریز از مرکز به صورتی موفقیت آمیز برای شکل دادن قطعات مخروطی شکل مانند دماغه موشک ها به کار گرفته شده است. کشیدن از حالت مذاب برای شکل دادن لوله ها به کار رفته است. شیشه سرامیک های تخت معمولا با روش نورد شکل داده می شوند. پرس کردن یا دمیدن به صورت دستی یا خودکار به منظور تولید قطعاتی با کاربردهای صنعتی یا خانگی (عمدتا ظروف) به کار می رود. هر چند مواد شیشه سرامیکی دارای ترکیبات بسیار متنوعی هستند، هر روش شکل دادنی، بدون توجه به ترکیب شیشه، نیاز به گرانروی خاص و در نتیجه محدوده دمایی (کارپذیری) خاصی دارد. دمای کارپذیری (محدوده دمایی مناسب برای شکل دادن شیشه) باید بالاتر از دمای لیکوئیدوس شیشه باشد (۸۰ الی ۱۲۰ درجه سانتی گراد بالاتر از دمای لیکوئیدوس مناسب ترین دما است). این به خاطر جلوگیری از تبلور ناخواسته در حین شکل دادن شیشه است که باعث خرابی محصول می گردد. حین تولد شیشه سرامیک ها این موضوع نسبت به صنعت شیشه اهمیت بیشتری دارد، زیرا در این نوع محصولات سرعت تبلور به علت بالاتر بودن سرعت رشد بلورها بسیار بیشتر از شیشه های معمولی است (گاه تا ده ها هزار بار بالاتر) در نتیجه برخی روش های شکل دادن نمی تواند برای شیشه های معین مورد استفاده قرار گیرد.
اصل مهم دیگری که باید در حین شکل دادن شیشه ها مورد توجه قرار گیرد این موضوع است که اگر شیشه قبلا به زیر دمای بحرانی جوانه زنی سرد شده باشد (یعنی به زیر دمایی که امکان انجام جوانه زنی حجمی با سرعتی قابل توجه وجود دارد) پس از آن هیچگاه نباید مجددا به محدوده ای که در آن امکان رشد بلورها وجود دارد گرم شود. سرد کردن شیشه به زیر دمای بحرانی جوانه زنی ممکن است منجر به تشکیل تعدادی جوانه شود که گرمایش بعدی باعث رشد آن ها و مقداری تبلور گردیده و ترک خوردن و شکست نمونه ها (در اثر تنش های داخلی) را به دنبال داشته باشد. البته تشکیل بلور در حین حرارت دادن مجدد بستگی به سرعت رشد بلور ها در بالای دمای بحرانی جوانه زنی دارد. اگر در بخش های مختلف قطعه ای تاریخچه های حرارتی متفاوتی وجود داشته باشد، این امر ممکن است باعث تبلور غیر یکنواخت در بخش های مختلف قطعه شده و اثری منفی بر خواص آن بگذارد. این شرایط نامطلوب ممکن است حین شکل دادن دستی یا پرس کردن شیشه، هنگامی که لایه ای از شیشه گرمتر بر شیشه ای که قبلا سرد شده، پیچیده یا فشرده می شود، رخ دهد. هنگام تماس بین شیشه گرم و قالب فلزی، سطح شیشه سریعا سرد می شود در حالیکه ناحیه مرکزی آن هنوز گرم است. از سوی دیگر هنگام خروج شیشه از قالب، لایه های داخلی آن، بخش های سطحی قطعه را گرم می کنند. توزیع دما در دیواره محصول پرس شده بستگی به زمان دارد و می توان آن را طبق دستورالعملCoenen تخمین زد. مطابق این دستورالعمل می توان دمای بهینه قالب را به هنگام پرس با توجه به دمای قطعه شیشه ای و ضخامت آن پیدا کرد. در صورتی که این دما به درستی انتخاب نشود ممکن است اشکالاتی مانند ترک خوردن سطحی یا تبلور داخلی در حین شکل دادن قطعه به وجود آید.

منابع
۱-کتاب شیشه-ساختار-خواص-کاربرد نوشته ی واهاک ماقوسیان
۲-سایت ویکی پدیا
۳-سایت سه درجه