Искусственные кварцевые стекла
Кварцевое стекло обычно бесцветное и прозрачное. Ho по мере увеличения количества тонких пор или пузырьков, захваченных вязким расплавом, такое стекло приобретает белую и молочно-белую окраску и становится менее прозрачным, тогда как при вытягивании у него появляется шелковистый блеск. Твердость около 7, т. е. почти такая же, как у кварца. Плотность 2,203±0,001 при 0°. Показатель преломления в натриевом свете (589,29 ммк) составляет 1,4585, а в белом свете — около 1,462. Светопреломление возрастает с увеличением содержания обычных примесей — Al, Fe, Mg, Ca и щелочей. Кварцевое стекло довольно прозрачно (хотя менее, чем кварц) в средней части спектра ультрафиолетовых лучей и совершенно непрозрачно для лучей с длиной волны менее 193 ммк. Теоретически, а часто и в действительности кварцевое стекло оптически изотропно, но в изделиях из стекла, которые подвергались механической или термической обработке, может возникать зернистое или волокнистое строение с двупреломляющими участками. Это явление отличается от двупреломления, вызываемого натяжениями, которое обычно имеет место в стекле. Кварцевое стекло оптически неактивно.
При облучении рентгеновскими и радиоактивными лучами кварцевое стекло приобретает дымчато-бурую или буровато-фиолетовую окраску, которая быстро исчезает при температурах в несколько сотен градусов (при этом наблюдается голубая люминесценция). Интенсивность такой окраски неодинакова для различных материалов; иногда она различна и в разных частях одного куска стекла, причем окраска распределяется в виде прожилков или полос, по-видимому обусловленных соответствующим распределением Al или других примесей. В кварцевых стеклах, изготовленных из природных кварцевых кристаллов с различной интенсивностью окраски, которую они приобрели под воздействием радиоактивного облучения, намечается такой же характер распределения окраски. У кварцевого стекла проявляется триболюминесценция. Оно может иметь слабую зеленую флюоресценцию под действием рентгеновских или электронных лучей, но в ультрафиолетовых лучах видимой флюоресценции не наблюдается.
На дифрактограмме кварцевого стекла имеется один широкий пил, соответствующий межплоскостному расстоянию 4,32 А. Структура кварцевого стекла представляет беспорядочный трехмерный каркас, в котором каждый атом кремния находится в тетраэдрической координации по отношению к четырем атомам кислорода и каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния, причем каждые две связи кислорода примерно диаметрально противоположны. Однако связи тетраэдрических групп Si-O-Si друг с другом лишены закономерной ориентировки. Таким образом, каждый атом окружен определенным количеством ближайших соседних атомов, расположенных на определенных расстояниях, что обусловливает появление дифракционного эффекта, но какая-либо периодичность структуры во всех трех измерениях у стекла отсутствует, и поэтому оно не считается кристаллическим веществом.
Кварцевое стекло не имеет определенной точки плавления, но с повышением температуры оно становится все менее вязким. Стекло легко размягчается в пламени кислородно-водородной горелки. При температуре ниже 1710°, т. е. ниже температуры плавления кристобалита, кварцевое стекло термодинамически неустойчиво. Теоретически при охлаждении до температуры ниже 1710° кварцевое стекло должно раскристаллизовываться в ту кристаллическую полиморфную модификацию кремнезема, которая устойчива при данных температурах, например в тридимит при 870—1470°. Однако в действительности при любых температурах ниже 1710° образуется кристобалит в виде стабильной или метастабильной фазы. Скорость раскристаллизации незначительна при температурах ниже 1000° и сильно повышается при температурах выше примерно 1200°. Раскристаллизация в кристобалит начинается на поверхности стекла. Довольно быстро она происходит и молочном пли непрозрачном расплаве кремнезема с множеством мелких пор и пузырьков. Эта кристаллизация заметно ускоряется в присутствии водяного пара.
