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ガラスは非晶質（非結晶質）の固体です。ガラスは透明で化学的に不活性であることが多いため、窓ガラス、食器、光学機器など、実用的、技術的、装飾的な用途で幅広く使用されています。水の入った「グラス」、メガネ、虫眼鏡など、ガラスで作られた一般的な物体には、その材料にちなんで名付けられています。
ガラスは、ほとんどの場合、溶融状態の急冷（急冷）によって形成されます。火山ガラスなどの一部のガラスは天然に存在し、黒曜石は石器時代から矢じりやナイフの製造に使用されてきました。考古学的証拠によると、ガラス製造は少なくとも紀元前3600年まで遡り、メソポタミア、エジプト、またはシリアで行われていました。最も古いガラス製品はビーズで、おそらく金属加工中または鉛釉を使用した陶器の一種である ファイアンス焼きの製造中に偶然に作られたものと思われます。
ガラスはどんな形にも容易に成形できるため、ボウル、花瓶、ボトル、ジャー、コップなどの容器に伝統的に使用されてきました。約 70% のシリカを含むソーダ石灰ガラスは、現代の製造ガラスの約 90% を占めています。ガラスは、金属塩を加えて着色したり、ガラス質エナメルで塗装や印刷したりできるため、ステンドグラスやその他のガラス製芸術品に使用されています。
ガラスの屈折、反射、透過特性により、ガラスは光学レンズ、プリズム、オプトエレクトロニクス材料の製造に適しています。押し出されたガラス繊維は、通信ネットワークの光ファイバー、空気を閉じ込めるグラスウールとしてマット状にした断熱材、またはガラス繊維強化プラスチック (グラスファイバー)として使用されます。
微細構造
ガラス（またはガラス質固体）の標準的な定義は、急速溶融冷却によって形成された非結晶性固体である。[1] [2] [3] [4]ただし、「ガラス」という用語は、加熱されて液体状態になるとガラス転移を示す非結晶性（アモルファス）固体を表すために、より広い意味で定義されることが多い。 [4] [5]
ガラスは非晶質固体である。ガラスの原子スケールの構造は過冷却液体の構造の特徴を共有しているが、ガラスは固体の機械的特性をすべて示す。[6] [7] [8]他の非晶質固体と同様に、ガラスの原子構造には結晶性固体で観察される長距離周期性がない。化学結合の制約により、ガラスは局所的な原子多面体に関して高度な短距離秩序を持っている。[9]ガラスがガラス転移温度よりかなり低い温度で長期間にわたってかなり流動するという考えは、経験的研究や理論的分析によって裏付けられていない（固体の粘度を参照）。ガラス表面での原子運動は観察され、[10]ガラスでは10 17 –10 18 Pa s程度の粘度が測定できるが、このような高い値は、ガラスが長期間にわたっても形状を大きく変化させないという事実を裏付けている。[5] [11]
過冷却液体からの形成
物理学における未解決の問題:
溶融冷却の場合、冷却が十分に急速であれば（特性結晶化時間と比較して）、結晶化は防止され、代わりに過冷却液体の無秩序な原子配置が T gで固体状態に凍結されます。材料が急冷中にガラスを形成する傾向は、ガラス形成能と呼ばれます。この能力は剛性理論によって予測できます。[13]一般に、ガラスはその結晶形態に関して構造的に準安定な状態で存在しますが、アタクチックポリマーなどの特定の状況では、非晶質相の結晶類似体は存在しません。[14]
ガラスは一次相転移がないため液体であると考えられることがある[7] [15]。一次相転移では、体積、エントロピー、エンタルピーなどの 特定の熱力学的 変数はガラス転移範囲で不連続になる。ガラス転移は、熱膨張率や熱容量などの強度熱力学的変数が不連続になる二次相転移に類似していると説明できる。[2]しかし、相転移の平衡理論はガラスには当てはまらないため、ガラス転移は固体における古典的な平衡相転移の1つとして分類することはできない。[4] [5]
自然界での発生
ガラスは火山のマグマから自然に形成される。黒曜石は、火山から噴出した珪長質溶岩が急速に冷却して形成される、シリカ（SiO 2 ）含有量の高い一般的な火山ガラスである。 [16] 隕石の衝突によって形成されるガラスの一種であるインパクタイトは、モルダバイト（中央および東ヨーロッパで発見）やリビア砂漠ガラス（サハラ東部、リビア東部およびエジプト西部の砂漠の地域で発見）が顕著な例である。[17]雷が砂に落ちたときに石英のガラス化も起こり、フルグライトと呼ばれる中空の枝分かれした根のような構造を形成する。[18]トリニタイトは、トリニティ核爆弾実験場の砂漠の床の砂から形成されたガラス状の残留物である。[19]南オーストラリアで発見されたエドウィガラスは、更新世の草原火災、落雷、または1つまたは複数の小惑星や彗星による超高速衝突によって発生したと考えられています。[20]
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歴史
天然の黒曜石ガラスは、非常に鋭い角に沿って割れるため、石器時代の社会で使用されており、刃物や武器に最適でした。[21] [22]
ガラス製造の歴史は少なくとも6000年遡り、人類が鉄の製錬法を発見するよりずっと前である。[21]考古学的証拠によると、最初の真の合成ガラスはレバノンと北シリア沿岸、メソポタミア、または古代エジプトで作られたとされている。[23] [24]紀元前3千年紀半ばの最も古いガラス製品はビーズで、おそらく最初は金属加工の副産物（スラグ）として、または釉薬がけに似た工程で作られたガラス化前のガラス質材料であるファイアンスの製造中に作られたものと考えられている。[25]
初期のガラスは透明であることは少なく、不純物や欠陥が含まれていることが多かった[21]。技術的には本物のガラスではなくファイアンスガラスであり、本物のガラスは紀元前15世紀まで登場しなかった。[ 26]しかし、紀元前1700年以前（おそらく紀元前1900年頃）のインダス文明から発掘された赤オレンジ色のガラスビーズは、メソポタミアで紀元前1600年頃、エジプトで紀元前1500年頃に登場した持続的なガラス生産よりも古いものである。[27] [28]
後期青銅器時代には、エジプトと西アジアでガラス製造技術が急速に発展しました。[23 ]この時代の考古学的発見には、色とりどりのガラスのインゴット、容器、ビーズが含まれています。[23] [29]
初期のガラス生産の多くは、冷たい状態のガラスを研磨して彫刻するなど、石工から借用した研磨技術に依存していました。 [30]
ガラスという用語は、ローマ帝国後期、トリーア（現在のドイツ）のローマのガラス製造の中心地に由来しており、後期ラテン語のglesumという用語は、おそらく透明で光沢のある物質を意味するゲルマン語から来ています。 [31]ガラス製品はローマ帝国全土で[32]家庭用、葬儀用、[33]および産業用として発見されており、[34]遠方の地方の市場では交易品としても発見されています。[35] [36]ローマのガラスの例は、旧ローマ帝国外でも中国、[37]バルト諸国、中東、およびインドで見つかっています。[38]ローマ人は、異なる色の融合した層にエッチングと彫刻を施してガラス製品に浮き彫りのデザインを作り出すカメオガラスを完成させました。[39]
古典期以降の西アフリカでは、ベナンがガラスとガラスビーズの製造国であった。[40]中世 ヨーロッパではガラスが広く使われていた。イングランド全土の集落と墓地の遺跡の両方で、アングロサクソンガラスが考古学的発掘調査中に発見されている。[41] 10世紀以降、ガラスは教会や大聖堂のステンドグラスの窓に使用され、シャルトル大聖堂やサン・ドニ大聖堂が有名な例である。14世紀までには、建築家はパリのサント・シャペル（1203-1248年）やグロスター大聖堂の東端など、壁がステンドグラスの建物を設計していた。ヨーロッパのルネッサンス期の建築様式の変化に伴い、大きなステンドグラスの窓はあまり使われなくなったが、[42] 19世紀のゴシック・リバイバル建築でステンドグラスは大きく復活した。 [43]
13世紀、ヴェネツィアのムラーノ島はガラス製造の中心地となり、中世の技術を基に色鮮やかな装飾品を大量に生産した。[39]ムラーノのガラス職人は、天然の水晶に似ていることからその名が付けられた、非常に透明度の高い無色のガラス、クリスタッロを開発し、窓、鏡、船のランタン、レンズに広く使用された。 [21] 13世紀から15世紀にかけて、エジプトとシリアでガラス容器のエナメル加工と金メッキが完成した。[44] 17世紀末にかけて、ボヘミアはガラス生産の重要な地域となり、20世紀初頭までその状態が続いた。17世紀までには、ヴェネツィアの伝統的なガラスがイギリスでも生産されるようになった。1675年頃、ジョージ・レイヴンズクロフトが鉛クリスタルガラスを発明[39]装飾用のガラス製品は、19世紀後半のアール・ヌーヴォー時代に重要な芸術媒体となった。 [39]
20世紀を通じて、新たな大量生産技術の登場により、ガラスが広範囲に、かつ大量に入手できるようになり、建築材料として実用的となり、ガラスの新しい用途も可能となった。[45] 1920年代にはモールドエッチング法が開発され、芸術作品がモールドに直接エッチングされるので、鋳造された各作品は、ガラスの表面にすでに画像が描かれた状態でモールドから出てくるようになった。これにより製造コストが削減され、さらに色付きガラスの幅広い使用と相まって、1930年代には安価なガラス製品が生まれ、後にディプレッション・グラスとして知られるようになった。[46] 1950年代には、イギリスのピルキントン兄弟がフロートガラス法を開発し、溶融したスズの上に浮かべることで、高品質で歪みのない平らなガラスを生産した。 [ 21]現代の多階建ての建物は、カーテンウォールがほぼ完全にガラスで作られていることが多い。[47]合わせガラスは、自動車のフロントガラスに広く使用されている。[48]眼鏡用の光学ガラスは中世から使われてきました。[49]レンズの生産はますます熟練度を増し、天文学者を助けたほか[50]、医学や科学の分野でも応用されています。[51]ガラスは多くの太陽エネルギー集光器の開口部カバーとしても使用されています。[52]
21世紀には、ガラスメーカーは、スマートフォン、タブレットPC、その他多くの情報機器のタッチスクリーンに広く使用される化学強化ガラスの様々なブランドを開発しました。これには、コーニング社が開発・製造するゴリラガラス、AGC社のドラゴントレイル、ショット社のセンセーションが含まれます。[53] [54] [55]
物理的特性
光学
ガラスは、幾何光学に従って光を屈折、反射、透過する能力があるため、光学システムで広く使用されています。光学におけるガラスの最も一般的で古い用途は、レンズ、窓、鏡、プリズムです。[56]ガラスの主要な光学特性である屈折率、分散、透過率は、化学組成に大きく依存し、熱履歴も多少影響します。[56]光学ガラスの屈折率は通常 1.4 ～ 2.4、アッベ数(分散を特徴付ける) は 15 ～ 100 です。[56]屈折率は、高密度 (屈折率が増加) または低密度 (屈折率が減少) の添加剤によって変更できます。[57]
ガラスの透明性は、多結晶材料において光を拡散散乱させる粒界が存在しないことから生じる。 [58]ガラスを溶融を引き起こすには不十分な温度で長期間維持することにより、多くのガラスに結晶化による半透明状態が誘発される可能性がある。このようにして、レオミュールガラス磁器として知られる結晶化した失透物質が生成される。[44] [59]ガラスは一般に可視光に対して透明であるが、他の波長の光に対しては不透明である場合がある。ケイ酸塩ガラスは一般に赤外線波長に対して不透明で、透過遮断波長は 4 μm であるが、重金属フッ化物およびカルコゲニドガラスは 7 ～ 18 μm の赤外線波長に対して透明である。[60]金属酸化物を加えると、金属イオンが特定の色に対応する光の波長を吸収するため、異なる色のガラスが得られる。[60]
他の
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製造工程では、ガラスを流し込み、成形し、押し出し、平らな板から非常に複雑な形状に成形することができます。[61]完成品は脆いですが、耐久性を高めるために積層または焼き入れすることができます。 [62] [63]ガラスは一般に不活性で、化学的な攻撃に強く、水の作用にもほとんど耐えることができるため、食品やほとんどの化学薬品の容器の製造に理想的な材料です。[21] [64] [65]ただし、通常は化学的な攻撃に非常に強いガラスですが、条件によっては腐食したり溶解したりします。[64] [66]特定のガラス組成を構成する材料は、ガラスの腐食速度に影響します。アルカリ元素またはアルカリ土類元素の割合が高いガラスは、他のガラス組成よりも腐食の影響を受けやすくなります。[67] [68]
ガラスの密度は化学組成によって異なり、溶融シリカの2.2グラム/立方センチメートル（2,200 kg/m 3）から高密度フリントガラスの7.2グラム/立方センチメートル（7,200 kg/m 3 ）までの範囲です。 [69]ガラスはほとんどの金属よりも強度が高く、純粋で欠陥のないガラスの理論的な引張強度は、破損することなく可逆的に圧縮できるため、14〜35ギガパスカル（2,000,000〜5,100,000 psi）と推定されています。ただし、傷、気泡、その他の微細な欠陥があるため、ほとんどの市販のガラスでは、通常、14〜175メガパスカル（2,000〜25,400 psi）の範囲になります。[60]強化などのいくつかのプロセスにより、ガラスの強度を高めることができます。[70]丁寧に引き伸ばされた完璧なガラス繊維は、最大11.5ギガパスカル（1,670,000psi）の強度で生産することができます。[60]
評判の流れ
古い窓は上部よりも下部が厚いことが時々あるという観察は、ガラスが何世紀にもわたって流動しているという見解を裏付ける証拠としてしばしば挙げられ、その仮定は、ガラスが一つの形から別の形に流動するという液体の特性を示したというものである。[71]この仮定は誤りで、ガラスは一度固まると流動しなくなる。古いガラスに見られるたるみや波紋は、製造されたその日からすでに存在していた。過去に使用された製造工程では、不完全な表面と不均一な厚さのシートが製造された（今日使用されているほぼ完全なフロートガラスは、1960年代になってようやく普及した）。[7]
2017年の研究では、1268年からウェストミンスター寺院で使用されていた中世のガラスの流量を計算しました。この研究では、このガラスの室温での粘度はおよそ10 24 Pa · sであることがわかりました。これは、ソーダ石灰ケイ酸塩ガラスに焦点を当てた1998年の以前の推定値よりも約10 16倍低い粘度です。この低い粘度でも、研究者は中世のガラスの最大流量は10億年あたり1nmであると計算しており、人間の時間スケールで観察することは不可能です。[72] [73]
種類
ケイ酸塩ガラス
二酸化ケイ素（SiO 2）は、ガラスの一般的な基本成分です。溶融石英は、化学的に純粋なシリカから作られたガラスです。[68]熱膨張が非常に低く、熱衝撃に対する耐性に優れており、赤熱した状態で水に浸しても耐えることができ、高温（1000～1500 °C）や化学的風化に耐え、非常に硬いです。また、通常のガラスよりも広いスペクトル範囲に対して透明で、可視光から紫外線と赤外線の両方の範囲にまで広がっており、これらの波長に対する透明性が必要な場合に使用されることがあります。溶融石英は、炉管、照明管、溶融るつぼなどの高温用途に使用されます。 [74]ただし、溶融温度（1723 °C）が高く粘性があるため、取り扱いが困難です。そのため、通常は他の物質（フラックス）を追加して溶融温度を下げ、ガラスの加工を簡素化します。[75]
ソーダ石灰ガラス
炭酸ナトリウム（Na 2 CO 3、「ソーダ」）は一般的な添加物であり、ガラス転移温度を下げる働きをする。しかし、ケイ酸ナトリウムは水溶性であるため、化学的耐久性を向上させるために、石灰（CaO、酸化カルシウム、一般に石灰岩から得られる）が酸化マグネシウム（MgO）および酸化アルミニウム（Al 2 O 3 ）とともに一般的に添加される。ソーダ石灰ガラス（Na 2 O）+石灰（CaO）+マグネシア（MgO）+アルミナ（Al 2 O 3）は、製造されるガラスの75％以上を占め、重量で約70〜74％のシリカを含む。[68] [76]ソーダ石灰ケイ酸ガラスは透明で成形が容易であり、窓ガラスや食器に最適です。[77]しかし、熱膨張率が高く、耐熱性が低い。[77]ソーダ石灰ガラスは、窓、ボトル、電球、瓶によく使用されます。[75]
ホウケイ酸ガラス
ホウケイ酸ガラス（例：パイレックス、デュラン）には、通常5～13％の三酸化ホウ素（B 2 O 3）が含まれています。[75]ホウケイ酸ガラスは熱膨張係数がかなり低いです（7740パイレックスCTEは3.25 × 10−6 /°C [78]と比較して約9 × 10ガラスの熱膨張率は、一般的なソーダ石灰ガラスの場合、 −6 /°Cです[79] 。そのため、熱膨張による応力を受けにくく、熱衝撃による割れも起こりにくいです。実験器具、家庭用調理器具、自動車のヘッドランプの密閉ビームなどによく使用されます。 [75]
鉛ガラス
ケイ酸塩ガラスに酸化鉛(II)を添加すると、融点と溶融粘度が下がる。 [80]鉛ガラス(シリカ + 酸化鉛(PbO) + 酸化カリウム(K 2 O) + ソーダ(Na 2 O) + 酸化亜鉛(ZnO) + アルミナ)は高密度であるため、電子密度が高く、したがって屈折率も高くなり、ガラス製品の外観がより鮮やかになり、鏡面反射が著しく増加し、光分散が増加する。[68] [81]鉛ガラスは弾性が高く、ガラス製品の加工性が向上し、叩くと明瞭な「リン」という音がする。しかし、鉛ガラスは高温にあまり耐えられない。[74]酸化鉛は他の金属酸化物の溶解性も促進するため、着色ガラスに使用される。鉛ガラス溶融物の粘度低下は非常に顕著(ソーダガラスと比較して約100倍)で、これにより気泡の除去が容易になり、低温での加工が可能になるため、エナメルやガラスはんだの添加剤として頻繁に使用される。Pb2 +イオンのイオン半径が大きいため、非常に動きにくく、他のイオンの動きを妨げます。そのため鉛ガラスは電気抵抗が高く、ソーダ石灰ガラスよりも約2桁高くなります（108.5 vs. 106.5Ω⋅cm 、 DC at 250°C）。[82]
アルミノケイ酸ガラス
アルミノケイ酸ガラスには通常5～10%のアルミナ（Al 2 O 3）が含まれています。アルミノケイ酸ガラスはホウケイ酸ガラスに比べて溶解や成形が難しい傾向がありますが、耐熱性と耐久性に優れています。[75]アルミノケイ酸ガラスは、グラスファイバーに広く使用されており、[83]ガラス強化プラスチック（ボート、釣り竿など）、コンロの調理器具、ハロゲン電球のガラスの製造に使用されています。[74] [75]
その他の酸化物添加剤
バリウムを加えると屈折率も上がります。酸化トリウムはガラスに高い屈折率と低い分散を与え、以前は高品質のレンズの製造に使用されていましたが、放射能のため、現代の眼鏡では酸化ランタンに置き換えられました。[84]鉄はガラスに組み込んで赤外線を吸収することができ、例えば映画映写機の熱吸収フィルターに使用できます。一方、酸化セリウム(IV)は紫外線波長を吸収するガラスに使用できます。[85] フッ素はガラスの誘電率を下げます。フッ素は電気陰性度が高く、材料の分極率を下げます。フッ化ケイ酸塩ガラスは集積回路の製造に絶縁体として使用されます。 [86]
ガラスセラミック
ガラスセラミック材料には、非結晶ガラス相と結晶 セラミック相の両方が含まれています。これらは、熱処理によるベースガラスの制御された核生成と部分的な結晶化によって形成されます。[87]結晶粒子は、多くの場合、粒界の非結晶粒界相内に埋め込まれています。ガラスセラミックは、金属や有機ポリマーと比較して、優れた熱的、化学的、生物学的、誘電的特性を示します。[87]
ガラスセラミックの商業的に最も重要な特性は、熱衝撃に対する耐性である。そのため、ガラスセラミックはカウンタートップ調理や工業プロセスに非常に役立つようになった。結晶セラミック相の負の熱膨張係数（CTE）は、ガラス相の正のCTEとバランスをとることができる。ある点（約70％の結晶）では、ガラスセラミックの正味CTEはほぼゼロになる。このタイプのガラスセラミックは優れた機械的特性を示し、1000℃までの繰り返しの急激な温度変化に耐えることができる。[88] [87]
ファイバーグラス
グラスファイバー（ガラス繊維強化プラスチック、GRPとも呼ばれる）は、プラスチック樹脂をガラス繊維で強化した複合材料です。ガラスを溶かして繊維に伸ばして作られます。これらの繊維は布に織り込まれ、プラスチック樹脂に固まるまで放置されます。[89] [90] [91] グラスファイバーは軽量で耐腐食性があり、優れた絶縁体であるため、建築断熱材や消費者向け製品の電子ハウジングに使用できます。グラスファイバーはもともと、第二次世界大戦中にイギリスとアメリカでレドームの製造に使用されていました。グラスファイバーの用途には、建築資材、船体、自動車の車体部品、航空宇宙複合材料などがあります。[92] [89] [91]
グラスファイバーウールは優れた断熱・遮音材で、建物（屋根裏や空洞壁の断熱など）、配管（パイプ断熱など）、防音などによく使用されます。[92]溶融ガラスを求心力で細かいメッシュに押し込み、押し出されたガラス繊維を高速空気流で短く切断することで製造されます。繊維は接着剤スプレーで接着され、出来上がったウールマットはカットされ、ロールやパネルに梱包されます。[60]
非ケイ酸塩ガラス
一般的なシリカベースのガラス以外にも、金属、アルミネート、リン酸塩、ホウ酸塩、カルコゲニド、フッ化物、ゲルマニウム酸塩（ GeO 2ベースのガラス）、テルル酸塩（TeO 2ベースのガラス）、アンチモン酸塩（Sb 2 O 3ベースのガラス） 、ヒ酸塩（As 2 O 3ベースのガラス）、チタン酸塩（TiO 2ベースのガラス）、タンタル酸塩（ Ta 2 O 5ベースのガラス）、硝酸塩、炭酸塩、プラスチック、アクリル、その他多くの物質を含む無機および有機材料もガラスを形成できます。[5]これらのガラスの中には（例えば二酸化ゲルマニウム（GeO 2、ゲルマニア）、多くの点でシリカ、フッ化物、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、カルコゲニドガラスの構造類似物）、通信ネットワークやその他の特殊な技術用途における光ファイバー導波路への応用に有用な物理化学的特性を持つものがあります。[94] [95]
シリカを含まないガラスは、ガラス形成能が低い場合が多い。空力浮上（溶融物をガス流に浮かべながら冷却する）やスプラットクエンチ（溶融物を2つの金属アンビルまたはローラーの間に挟む）による容器なしの処理などの新しい技術を使用して、冷却速度を上げたり、結晶核形成の引き金を減らしたりすることができる。[96] [97] [98]
アモルファス金属
過去には、非常に急速な冷却速度を実現することで、高表面積構成（リボン、ワイヤ、フィルムなど）のアモルファス金属の小ロット生産が行われてきました。アモルファス金属ワイヤは、回転する金属ディスク上に溶融金属をスパッタリングすることで生産されています。 [99] [100]
厚さが 1 ミリメートルを超える層で製造された合金がいくつかあります。これらはバルク金属ガラス (BMG) として知られています。Liquidmetal Technologies はジルコニウムベースの BMG をいくつか販売しています。
従来の鋼合金をはるかに超える機械的特性を示すアモルファス鋼も生産されている。[101]
実験的証拠によれば、Al-Fe-Si 系は溶融状態から急速に冷却すると、非晶質形態 (「q-ガラス」と呼ばれる) への一次転移を起こす可能性がある。透過型電子顕微鏡(TEM) 画像は、q-ガラスが溶融状態から核生成し、あらゆる方向に均一な球状成長を示す個別の粒子となることを示している。X線回折はq-ガラスの等方性を明らかにしているが、核生成障壁が存在し、ガラス相と溶融相の間に界面の不連続性 (または内部表面) があることを示唆している。[102] [103]
ポリマー
重要なポリマーガラスには、非晶質およびガラス質の医薬化合物が含まれる。これらは、同じ結晶組成と比較して、非晶質の場合に化合物の溶解性が大幅に増加するため有用である。多くの新興医薬品は、結晶形態では実質的に不溶性である。[104]日常的に使用される多くのポリマー熱可塑性プラスチックはガラスである。ガラス瓶や眼鏡などの多くの用途では、ポリマーガラス（アクリルガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート）は、従来のガラスよりも軽量な代替品である。[105]
分子液体と溶融塩
分子液体、電解質、溶融塩、水溶液は、共有結合ネットワークを形成せず、弱いファンデルワールス力または一時的な水素結合のみで相互作用する、異なる分子またはイオンの混合物です。サイズと形状が異なる3つ以上のイオン種の混合物では、結晶化が非常に困難になり、液体が簡単に過冷却されてガラスになる可能性があります。[106] [107]例としては、組成範囲が4< R <8のLiCl: R H 2 O（塩化リチウム塩と水分子の溶液）があります。 [108]砂糖ガラス、[109]またはCa 0.4 K 0.6（NO 3）1.4。[110] BaドープLiガラスやBaドープNaガラスの形のガラス電解質は、現代のリチウムイオン電池セルで使用される有機液体電解質で特定された問題の解決策として提案されています。[111]
生産
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ガラスバッチの準備と混合に続いて、原材料が炉に運ばれる。大量生産用のソーダ石灰ガラスは、ガラス溶解炉で溶解される。特殊ガラス用の小規模な炉には、電気溶解炉、ポット炉、デイタンクなどがある。[76] 溶解、均質化、精製（気泡の除去）の後、ガラスが形成される。これは、ガラス吹きによって手作業で達成される場合があり、これは、熱い半溶融ガラスの塊を集め、中空の吹き管を使用してそれを泡状に膨らませ、吹く、振る、転がす、または成形することによって必要な形状に成形することを意味する。ガラスは熱いうちに、手工具を使用して加工し、鋏で切断し、ハンドルや脚などの追加部品を溶接で取り付けることができる。[112]窓ガラスなどの板ガラスは、1953年から1957年にかけて英国のピルキントン兄弟のアラスター・ピルキントン卿とケネス・ビッカースタッフによって開発されたフロートガラス製法で作られる。この製法では、溶融スズ浴を使用して連続したガラスリボンを作成し、重力の影響で溶融ガラスが妨げられることなく流れるようにする。ガラスの上面は、研磨仕上げにするために加圧窒素にさらされる。[113]一般的なボトルや瓶に使われる容器ガラスは、吹き込み法とプレス法で形成される。[114]このガラスは、耐水性を高めるために化学的にわずかに改質されることが多い（アルミナと酸化カルシウムを増量する）。 [ 115 ]
望ましい形状が得られたら、ガラスは通常、応力を除去し、ガラスの硬度と耐久性を高めるために焼きなまし処理されます。 [116]化学的耐久性（ガラス容器コーティング、ガラス容器内部処理）、強度（強化ガラス、防弾ガラス、フロントガラス[117]）、または光学的特性（断熱ガラス、反射防止コーティング）を向上させるために、表面処理、コーティング、またはラミネート加工が行われることがあります。[118]
新しい化学ガラスの組成や新しい処理技術は、最初は小規模な実験室実験で調査することができます。実験室規模のガラス溶融物の原材料は、コスト要因の優先順位が低いため、大量生産で使用されるものとは多くの場合異なります。実験室では主に純粋な化学物質が使用されます。原材料が環境中の水分や他の化学物質（アルカリ金属やアルカリ土類金属の酸化物や水酸化物、または酸化ホウ素など）と反応していないこと、または不純物が定量化されていること（強熱減量）に注意する必要があります。[119]原材料の選択時には、ガラス溶融中の蒸発損失を考慮する必要があります。たとえば、容易に蒸発する二酸化セレン（SeO 2 ）よりも亜セレン酸ナトリウムの方が好ましい場合があります。また、比較的不活性な原材料よりも反応しやすい原材料が好ましく、たとえばアルミナ（Al 2 O 3 ）よりも水酸化アルミニウム（Al(OH) 3 ）の方が好ましい場合があります。通常、溶融は白金るつぼで行われ、るつぼ材料からの汚染を減らします。ガラスの均質性は、原料混合物（ガラスバッチ）を均質化し、溶融物を撹拌し、最初の溶融物を粉砕して再溶融することによって達成される。得られたガラスは通常、加工中の破損を防ぐためにアニールされる。[119] [120]
色
ガラスに色をつけるには、均一に分布した電荷を帯びたイオン（または色中心）を添加する。通常のソーダ石灰ガラスは薄い断面では無色に見えるが、厚い断面では酸化鉄（II）（FeO）不純物が緑色を帯びる。[121] ガラスに紫色を与える二酸化マンガン（MnO 2 ）を加えると、FeOによる緑色の色合いを消すことができる。 [122] FeOと酸化クロム（III）（Cr 2 O 3）添加剤は、緑色のボトルの製造に使用される。[121] 一方、酸化鉄（III）は黄色または黄褐色のガラスを生成する。 [123]低濃度（0.025～0.1%）の酸化コバルト（CoO）は、濃い青色のコバルトガラスを生成する。[124] クロムは非常に強力な着色剤で、濃い緑色を生み出す。[125] 硫黄は炭素塩および鉄塩と結合して、黄色がかった色からほぼ黒色までの琥珀色のガラスを生成する。 [126]ガラス溶融物は、還元燃焼雰囲気から琥珀色を得ることもできる。[127] 硫化カドミウムはインペリアルレッドを生成し、セレンと結合すると黄色、オレンジ、赤の色合いを生成することができる。[121] [123]添加剤の酸化銅(II) (CuO) はガラスにターコイズ色を生成するが、これは鈍い赤茶色を与える酸化銅(I) (Cu 2 O)とは対照的である。 [128]
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黄色のガラスが重ねられた赤いガラス瓶 -
琥珀色のガラス -
紀元前1世紀頃に作られた4色のローマガラスのボウル
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用途
建築と窓
ソーダ石灰板ガラスは、透明なグレージング材として、主に建物の外壁の窓として使用されます。フロート板ガラスまたはロール板ガラス製品は、材料に切り込みを入れて折り曲げたり、レーザー切断、ウォータージェット、またはダイヤモンドブレードソーを使用してサイズに合わせて切断されます。ガラスは安全のために熱または化学強化され、加熱中に曲げたり湾曲したりする場合があります。表面コーティングは、傷防止、特定の波長の光（赤外線や紫外線など）の遮断、汚れ防止（セルフクリーニングガラスなど）、または切り替え可能なエレクトロクロミックコーティングなどの特定の機能のために追加される場合があります。[129]
構造ガラスシステムは、現代の最も重要な建築技術革新の1つであり、ガラスの建物は多くの近代都市のスカイラインを占めるようになりました。[130]これらのシステムでは、ガラスパネルの角のくぼみにステンレススチール製の金具を皿穴に差し込み、強化された窓ガラスが支えられていないように見え、外観が平坦になります。[130]構造ガラスシステムは、19世紀の鉄とガラスの温室にそのルーツがあります。[131]
食器
ガラスは食器に欠かせない要素であり、水、ビール、ワインを飲むためのグラスとしてよく使用されます。[51]ワイングラスは典型的には脚付きグラス、つまりボウル、脚、足から形成されたゴブレットです。クリスタルガラスや鉛クリスタルガラスをカットして磨くと、輝くファセットを持つ装飾的なグラスが作られます。[132] [133]食器におけるガラスのその他の用途には、デカンタ、水差し、皿、ボウルなどがあります。[51]
-
ワイングラスやその他のガラス食器 -
ディンプル加工ガラス製ビールジョッキ -
-
パッケージ
ガラスは不活性で不浸透性であるため、安定した素材で、ガラス瓶やジャーなどの食品や飲料の包装に広く使用されています。容器ガラスのほとんどはソーダ石灰ガラスで、吹きガラスとプレス技術で製造されています。容器ガラスは、板ガラスに比べて酸化マグネシウムと酸化ナトリウムの含有量が少なく、シリカ、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの含有量が多いです。[134]水に溶けない酸化物の含有量が多いため、水に対する化学的耐久性がわずかに高く、飲料や食品の保存に有利です。ガラス製の包装は持続可能で、簡単にリサイクルでき、再利用でき、詰め替えも可能です。[135]
電子機器用途では、ガラスは集積受動素子や薄膜バルク音響共振器の製造における基板として、またデバイスパッケージングにおける気密封止材として使用される。 [136] [137]これには集積回路やその他の半導体を大量生産する際に非常に薄いガラスのみで封止することが含まれる。[138]
研究所
ガラスは、比較的安価で、実験に必要な形に容易に成形でき、清潔に保ちやすく、加熱や冷却処理に耐え、一般的に多くの試薬と反応せず、透明性があるため化学反応やプロセスを観察できるため、科学研究室では実験装置の製造に重要な材料です。 [139] [140] 実験用ガラス器具の用途には、フラスコ、ペトリ皿、試験管、ピペット、メスシリンダー、化学処理用のガラスライニング金属容器、分留塔、ガラスパイプ、シュレンク管、ゲージ、温度計などがあります。[141] [139]標準的な実験用ガラス器具のほとんどは1920年代から大量生産されていますが、科学者は今でも実験の要件に合わせて特注のガラス器具を製造するために熟練したガラス吹き職人を雇っています。[142]
光学
ガラスは光を屈折、反射、透過する能力があるため、光学分野では広く使用されている材料です。これらの光学特性やその他の光学特性は、化学組成、熱処理、製造技術を変えることで制御できます。光学分野でのガラスの用途は多岐にわたり、視力矯正用ガラス、結像光学系（望遠鏡、顕微鏡、カメラのレンズやミラーなど）、通信技術における光ファイバー、集積光学系などがあります。マイクロレンズや屈折率分布型光学系（屈折率が不均一）は、光ディスクの読み取り、レーザープリンター、コピー機、レーザーダイオードなどに使用されています。[56]
美術
ガラス芸術は紀元前1300年頃に遡り、ツタンカーメンの胸当てに使われていた天然ガラスの例にも見られるように、金属の裏張りに溶かした色ガラスを塗ったガラス質エナメルも含まれていた。エナメルガラスは、着色ガラス塗料でガラス容器を装飾する技法で、紀元前1300年から存在し、[144] 20世紀初頭にはアール・ヌーヴォーのガラスやロシアのサンクトペテルブルクにあるファベルジェの工房で有名になった。どちらの技法もステンドグラスに使われ、19世紀に再興される前の1000年から1550年頃に最盛期を迎えた。
19世紀には古代のガラス製造技術が復活し、ローマ帝国以来初めてカメオガラスが作られるようになった。当初は主に新古典主義様式の作品に使われた。アール・ヌーヴォー運動ではガラスが大いに活用され、フランスで最初の波となったルネ・ラリック、エミール・ガレ、ドーム・ド・ナンシーらが、カメオガラスやラスターガラス技法で色とりどりの花瓶などを制作した。 [145]
アメリカのルイス・カムフォート・ティファニーは、パネルや有名なランプなど、宗教的なものから世俗的なものまで、ステンドグラスを専門にしていました。20世紀初頭には、ウォーターフォードやラリックなどの会社によってガラスアートの大規模な工場生産が見られました。小さなスタジオでは、ガラスアートを手作業で制作することもあります。ガラスアートの制作技術には、吹きガラス、窯鋳造、フュージング、スランピング、パート・ド・ヴェール、炎加工、熱彫刻、冷間加工などがあります。冷間加工には、伝統的なステンドグラスの作業と、室温でガラスを成形するその他の方法が含まれます。ガラスで作られた物には、容器、ペーパーウェイト、ビー玉、ビーズ、彫刻、インスタレーションアートなどがあります。[146]
参照
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外部リンク
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Wikiversity からのリソース
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- カナダ文明博物館によるカナダのガラス製造の物語。
- 「ガラス製品の製造方法」ジョージ・W・ウォルツ著、1951年2月、ポピュラーサイエンス誌。
- コーニング ガラス博物館の「All About Glass」: ガラス辞典を含む、ガラスに関するあらゆる記事、マルチメディア、仮想書籍のコレクション。