Laboratorijoje: Apsauginio stiklo mokslas ir technologijos

Apsauginis stiklas vaidina lemiamą vaidmenį šiuolaikinėse saugumo sistemose įvairiose pramonės šakose, įskaitant automobilių pramonę, aviaciją, statybą ir vartotojų elektroniką. Pastaraisiais dešimtmečiais medžiagų mokslų ir inžinerijos pažanga ženkliai pagerino apsauginio stiklo stiprumą, patvarumą ir funkcionalumą. Šiame darbe nagrinėjama pagrindinė apsauginio stiklo mokslinė bazė, naujausi technologiniai pasiekimai, gamybos procesai ir ateities perspektyvos.

Apsauginio stiklo pagrindai

Apsauginis stiklas yra sukurtas atlaikyti didelius smūgius, atspariai atremti lūžimą ir išlaikyti optinį skaidrumą esant ekstremalioms sąlygoms. Jo pagrindines savybes lemia fizikinė ir cheminė sudėtis, įskaitant tokius veiksnius kaip molekuliniai ryšiai, tankis ir paviršiaus įtempimas. Apsauginio stiklo veikimą taip pat daro įtaką mechaniniai veiksniai, tokie kaip tempimo stiprumas, spaudimo stiprumas ir smūgių atsparumas. Supratimas apie šias savybes leidžia kurti stiklo medžiagas, optimizuotas konkrečioms paskirtims.

Apsauginio stiklo tipai

Termiškai sustiprintas stiklas

Termiškai sustiprintas stiklas gaminamas kaitinant įprastą stiklą iki aukštų temperatūrų, o tada greitai jį atvėsinant. Šis procesas sukelia suspaudimo įtampą paviršiuje, todėl stiklas tampa stipresnis nei įprastas stiklas. Jis dažnai naudojamas automobilių langams, dušo durims ir architektūriniuose sprendimuose.

Laminuotas stiklas

Laminuotas stiklas susideda iš kelių sluoksnių, sujungtų tarpusavyje naudojant tarpinį sluoksnį iš polivinil butiralo (PVB) arba etileno-vinilo acetato (EVA). Toks dizainas padidina atsparumą smūgiams ir neleidžia stiklui suskaidyti į aštrius fragmentus, kai jis lūžta. Laminuotą stiklą plačiai naudoja priekinėse automobilio stiklų, uraganams atspariuose languose ir saugumo apsaugose.

Kulkaatsparus stiklas

Kulkaatsparus stiklas, arba balistinis stiklas, yra kompozitinė medžiaga, pagaminta iš paeiliui kylančių polikarbonato ir stiklo sluoksnių. Kietų ir lankstų medžiagų derinys padeda sugerti ir paskirstyti projektilų energiją, taip užkertant kelią jų įsiskverbimui. Kulkaatsparus stiklas yra būtinas karinėms transporto priemonėms, bankams ir aukštos saugos pastatams.

Elektrochrominis ir išmanus stiklas

Išmaniųjų stiklų technologijos leidžia stiklui dinamiškai keisti savo savybes reaguojant į elektros, terminę ar optinę stimuliaciją. Pavyzdžiui, elektrochrominis stiklas keičia savo permatomumą priklausomai nuo taikomo įtampos, suteikdamas galimybę kurti energiją taupančius pastatus ir užtikrinti privatumo kontrolę.

Gamybos ir apdirbimo technikos

Apsauginio stiklo stiprumą ir funkcionalumą didžiąja dalimi lemia jo gamybos procesai. Tokios technikos kaip terminis apdorojimas, cheminis sustiprinimas ir pažangi laminacija užtikrina, kad stiklas atitiktų saugos ir našumo standartus. Pažangūs metodai, tokie kaip lazeriu padedamas sustiprinimas ir jonų mainų procesai, dar labiau gerina apsauginio stiklo medžiagų savybes.

Naujovės apsauginio stiklo technologijose

Naujausi nanotechnologijų pasiekimai leido sukurti stiklą su padidintu atsparumu įbrėžimams, savęs valymo savybėmis ir netgi antimikrobiniais dangomis. Savisaviriškai gijantis stiklas, galintis savarankiškai ištaisyti nedidelius įtrūkimus ir pažeidimus, yra perspektyvi inovacija, turinti didelę reikšmę automobilių ir elektronikos pramonei.

Testavimas ir standartai

Apsauginis stiklas yra griežtai testuojamas, siekiant atitikti pramonės reikalavimus ir saugos standartus. Šiuose testuose vertinamos savybės, tokios kaip atsparumas smūgiams, terminis stabilumas ir optinis skaidrumas. Sertifikatai iš tokių organizacijų kaip Nacionalinis standartų ir technologijų institutas (NIST) ir Tarptautinė standartizacijos organizacija (ISO) užtikrina, kad apsauginio stiklo gaminiai atitinka reikiamus saugos rodiklius.

Taikymas įvairiose pramonės šakose

Automobilių pramonė

Automobilių pramonėje apsauginis stiklas naudojamas priekinėms stikloms, šoniniams langams ir stogo langams. Laminuotų ir termiškai sustiprintų stiklų technologijos padidina keleivių saugumą, sumažindamos traumų riziką avarijų metu.

Aviacija ir gynyba

Karinės transporto priemonės, lėktuvai ir kosminiai laivai pasitiki pažangiomis apsaugos stiklo savybėmis, kad atlaikytų didelio greičio smūgius, slėgio svyravimus ir ekstremalias temperatūras.

Statyba ir architektūra

Sprogimų ir uraganams atsparių stiklų technologijos revoliucionavo šiuolaikinį pastatų saugumą, padarydamos konstrukcijas atsparias aplinkos ir žmogaus sukeltoms grėsmėms.

Elektronika ir vartotojų prekės

Nuo išmaniųjų telefonų iki nešiojamųjų prietaisų – poreikis stiklo, kuris neprasprogdintas ir atsparus įbrėžimams, nuolat auga. Tokios inovacijos kaip Gorilla Glass ir safyro įmaitintas stiklas žymiai pagerino vartotojų elektronikos patvarumą.

Ateities perspektyvos ir naujai besiformuojantis tyrimas

Apsauginio stiklo technologijos ateitis yra tvarumo, prisitaikymo ir integracijos su dirbtiniu intelektu srityje. Tyrėjai ieško ekologiškų alternatyvų, kurios sumažintų gamybos emisijas ir įtrauktų išmaniuosius jutiklius realaus laiko našumo stebėjimui.

Išvados

Apsauginis stiklas yra nepakeičiamas šiuolaikinių saugumo technologijų komponentas, naudojamas įvairiose pramonės šakose. Toliau tęsiantis tyrimams ir inovacijoms, apsauginio stiklo galimybės plečiasi, užtikrindamos dar didesnį saugumą, efektyvumą ir universalumą. Ateities pažanga žada pagerintą medžiagų veikimą, sumažintą poveikį aplinkai ir sklandžią integraciją su naujomis technologijomis.

Literatūra

• Akamatsu, Y., Makita, K., Inaba, H., & Minami, T. (2001). Water-repellent coating films on glass prepared from hydrolysis and polycondensation reactions of fluoroalkyltrialkoxylsilane. Thin Solid Films, 389(1-2), 252-257.
• Ashley, J. (2006). Transparent armor – Will it be the next diamond in the rough? RDECOM Magazine, U.S. Army Research, Development and Engineering Command.
• Belkin, M. (1996). New combat laser and ballistic eye protection goggles. In Proceedings of SPIE 2674, 188.
• Centelles, X., Castro, J. R., & Cabeza, L. F. (2019). Experimental results of mechanical, adhesive, and laminated connections for laminated glass elements – A review. Engineering Structures, 178, 136-148.
• D'Orazio, D. (2013). Corning Gorilla Glass 3 to be three times more scratch resistant than previous generation. The Verge. Gauta iš https://www.theverge.com/2013/1/3/3831904/corning-gorilla-glass-3-announced
• Deb, D., & Brahmbhatt, N. L. (2018). Review of yield increase of solar panels through soiling prevention, and a proposed water-free automated cleaning solution. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 3306-3313.
• Dublin, M. (2018). What is safety glass? Gauta iš https://www.glassonweb.com/article/what-safety-glass
• Hartley, J., et al. (2006). Eyewear for ballistic and light protection. U.S. Patent.
• Headley, M. (2014). EVA finds popularity among decorative fabricators. US Glass, 49(4), 38-42.
• Hong, B. S., Han, J. H., Kim, S. T., Cho, Y. J., & Park, M. S. (1999). Endurable water-repellent glass for automobiles. Thin Solid Films, 351(1-2), 260-264.
• Jeong, H. J., Kim, D. K., Lee, S. B., Kwon, S. H., & Kadono, K. (2001). Preparation of water-repellent glass by sol-gel process using perfluoroalkylsilane and tetraethoxysilane. Journal of Colloid and Interface Science, 235(1), 130-134.
• Juliani, M., & Rahadi, R. A. (2020). Improving financial performance using capital budgeting method towards cleaner eyewear product: A case study of Nasho. Malaysian Journal of Social Sciences and Humanities, 5(3), 14-23.
• Kamitani, K., & Teranishi, T. (2003). Development of water-repellent glass improved water-sliding property and durability. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 26(1-3), 705-708.
• Kelly, P. M. (2001). Lightweight transparent armor systems for combat eyewear. In 19th International Symposium of Ballistics (pp. 969-976).
• Klementa, R., et al. (2008). Transparent armour materials. Journal of the European Ceramic Society, 28(5), 1091-1096.
• Li, X., He, J., & Liu, W. (2013). Broadband anti-reflective and water-repellent coatings on glass substrates for self-cleaning photovoltaic cells. Materials Research Bulletin, 48(7), 2529-2534.
• Lundin, L. (2005). Air Force testing new transparent armor. Air Force Research Laboratory Public Affairs.
• Lundin, L. (2006). AFRL tests transparent armor: Researchers investigate a transparent ceramic material that provides better protection than today's bulletproof glass at a fraction of the weight and thickness. Advanced Materials and Processes.
• Martín, M., Centelles, X., Solé, A., Barreneche, C., & Fernández, A. I. (2020). Polymeric interlayer materials for laminated glass: A review. Construction and Building Materials, 230, 116897.
• Metcalfe, P., & Metcalfe, R. (2004). Excel senior high school: Engineering studies. Pascal Press.
• Mouzon, J., et al. (2009). Fabrication of transparent yttria by HIP and the glass-encapsulation method. Journal of the European Ceramic Society, 29(2), 311-316.
• Navias, L. (1965). Magnesia alumina spinel articles and process of preparing same. U.S. Patent 3083123.
• Powell, J. (1880). Eye protectors. U.S. Patent.
• Schimmelpenningh, J. (2012). Acoustic interlayers for laminated glass – What makes them different and how to estimate performance. In Glass Performance Days South America – 2012.
• Sikka, V. K., & Lyle, D. (2008). Advances in ceramic armor IV. Part I: Transparent glasses and ceramics. In Ceramic Engineering and Science Proceedings, 29. Wiley, American Ceramic Society.
• Tadanaga, K., Katata, N., & Minami, T. (1997). Super-water-repellent Al₂O₃ coating films with high transparency. Journal of the American Ceramic Society, 80(12), 3213-3216.
• Vedrtnam, A., & Pawar, S. J. (2017). Laminated plate theories and fracture of laminated glass plate – A review. Engineering Fracture Mechanics, 186, 316-334.
• Walker, G. (2006). Optical bonding for improved LCD outdoor viewability. Veritas et Visus.
• Williams, R. L., & Stewart, G. M. (1963). Ballistic studies in eye protection. U.S. Army Chemical Research and Development Laboratory Technical Report CRDLR 3194.
• Yoneda, T., & Morimoto, T. (1999). Mechanical durability of water repellent glass. Thin Solid Films, 351(1-2), 260-264.
• Zang, M. Y., & Chen, S. H. (2011). Laminated glass. In Wiley encyclopedia of composites (2nd ed.).