В 1905 году одномоторный самолет Wright Flyer III столкнулся с птицей. Это первый известный случай в истории авиации. Сейчас только в США ежегодно регистрируется более 16 тысяч таких случаев. Вероятность подобных аварий невысока. Меньше, чем удар молнии в самолет. Шанс столкновения с птицей меняется в зависимости от высоты полета, времени суток и времени года, природных условий, географического положения и, наконец, непосредственно самолета. Чем быстрее и тише становится техника, тем труднее животным услышать шум двигателей и увернуться.
К остеклению для военной и гражданской авиации предъявляются высокие требования по прочности. После столкновения с птицей весом 1,8 кг на стекле кабины – не важно, гражданского воздушного судна или военного истребителя или вертолета – не должно остаться вмятин или трещин, которые бы нарушили герметичность кабины или затруднили обзор пилоту.
Лобовое стекло самолета можно усилить с помощью современных материалов. И совсем не так просто соблюсти все необходимые требования. Стекло должно обогреваться, обладать приемлемым весом, хорошей светопропускаемостью и другими характеристиками.
Самолеты и вертолёты остекляют однослойными или многослойными материалами на основе органических и силикатных стекол.
В качестве однослойного (листового) материала для остекления летательных аппаратов применяется только органическое стекло. Изделия из него получают вакуумформованием, пневмоформованием и штамповкой в интервале температур между температурами стеклования и термостабильности. Используется также метод холодного формования при температуре ниже температуры стеклования. Листовое органическое стекла можно подвергать всем видам механической обработки с помощью инструмента. Для крепления листового органического стекла на летательном аппарате применяются два способа: жёсткое (болтовое) и мягкое (безболтовое), посредством так называемой крепежной ленты.
Многослойные материалы изготовляют путём склеивания между собой пластин из силикатного или (и) органического стекла, материалы, представляющие собой комбинацию этих стекол, называются органосиликатными или гетерогенными. Различают триплекс (в материале 3 слоя), пентоплекс (5 слоев) и полиплекс (более 5 слоев). Многослойные стекла делят также на силовые (толщина 10—100 мм), рассчитанные на эксплуатацию в условиях ударных и других нагрузок, и несиловые (толщина 3–6 мм). Стеклянные пластины склеивают при помощи полимерных плёнок, располагаемых между ними, или путём заливки между пластинами смесей мономеров, содержащих инициатор, с последующей их полимеризацией или поликонденсацией.
При изготовлении светофильтрующих и других специальных многослойных стекол используют цветные или металлизированные стеклянные пластины. Многослойные стекла часто снабжают встроенными электронагревателями.
Стекло в автомобилестроении
Стекла вместе со всем кузовом и наружным оборудованием определяют аэродинамику автомобиля, которая влияет на тягово-скоростные свойства, устойчивость, управляемость и некоторые другие свойства, а также способствуют эффективной работе системы вентиляции.
Стекла автомобиля совместно с другими деталями формируют внешний вид кузова и всего автомобиля. При этом высокое качество стекла придает кузову отличительные свойства изысканности и принадлежности его к элитным моделям. В то же время дробные блики от неровного стекла резко ухудшают внешний вид автомобиля, несмотря на другие его положительные особенности и свойства.
Установка стекол образует вместе с кузовом замкнутую конструкцию, которая изолирует внутреннее пространство салона от окружающей среды и помогает создать в нем благоприятный микроклимат и уют, необходимый для длительного путешествия и управления автомобилем. В то же время стекла позволяют наблюдать окружающую местность и дорожную обстановку, а также создают условия, необходимые для эффективного управления автомобилем.
Автомобильные стекла бывают:
✓ с отражающим тонированием – тонировка атермальной пленкой;
✓ с высоким поглощением шума;
✓ цветные;
✓ нагревательные.
Стекла значительно влияют на теплообмен пассажирского салона и внешней среды за счет теплоизлучения. Это приводит к перегреву салона при длительных стоянках автомобиля на солнце и переохлаждению – при стоянке в ночное время. Для борьбы с этим неприятным явлением используется система отопления и вентиляции, что требует дополнительных затрат энергии. Уменьшение теплообмена через окна возможно за счет применения тонированных стекол. Однако это приводит к снижению прозрачности стекол и ухудшает их светопроницаемость.
Хрупкость стекол и их низкая прочность даже в условиях движения по дороге противостоят действию различных нагрузок от силы ветра, инерционных нагрузок, а также ударов от дорожной крошки и мелких камней. В условиях длительной эксплуатации не удается избежать аварийных ситуаций, при которых, как правило, страдает остекление кузова и фары автомобиля. Но более опасным фактором при этом является травмирование водителя и пассажиров, в том числе и осколками стекла. Иногда это сопровождается выпадением людей из кабины и салона автомобиля через окна.
Для повышения защитных свойств автомобильного стекла применяют многослойные стекла (триплекс) с промежуточным слоем из специальной пластмассы, которая выполняет роль связующего между слоями стекла и исключает отделение одного слоя от другого. Теперь даже при разрушении всего пакета не происходит образования длинных открытых кромок стекла, которые наиболее опасны, а вместо них образуется множество мелких крошек стекла приклеенных к пленке. При этом проем окна остается закрытым самой пленкой триплекса, которая удерживает пассажира от выпадения из салона.
Необходимо отметить важное свойство триплекса, которое заключается в том, что при ударе трещины образуются преимущественно в зоне удара и сохраняется видимость на других участках стекла. Этим триплекс отличается от закаленного стекла, которое почти в два раза прочнее обычного стекла, но при разрушении теряет видимость по всей площади и делает невозможным дальнейшее управление автомобилем, который еще продолжает двигаться.
Необходимо отметить также влияние стекол на жесткость и прочность кузова. Проведенные ранее исследования показали, что, несмотря на низкую прочность самого стекла, его влияние достаточно заметно и заключается в том, что установка стекол в кузов легкового автомобиля уменьшает его деформации на 20–25 % при использовании резинового уплотнителя и на 35–45 % – при установке на клей (при действии эксплуатационных, а не аварийных нагрузок). При этом степень влияния возрастает с уменьшением класса автомобиля. В настоящее время выпускаются следующие типы автостекол.
Однослойные стекла проходят термическую обработку – закалку (постепенный нагрев и быстрое охлаждение), поэтому их называют закаленными (сталинит). Термообработка стекла обеспечивает его разрушение (например, в случае аварии) на небольшие осколки с неострыми краями. Закаленные стекла обладают повышенной механической прочностью, и в официальных документах их называют упрочненными. В этих стеклах в процессе эксплуатации могут образовываться микротрещины под действием высоких нагрузок или резких ударов. Со временем это может привести (довольно редко) к неожиданному разрушению («взрыву») стекла.
Для повышения защитных свойств автомобильного стекла применяют многослойные стекла
Резкий перепад температур в процессе закалки вызывает появление зон концентрации механических напряжений в стекле. Даже несильный удар по этим областям, если они расположены по торцам, может привести к полному разрушению сталинита. На современных автомобилях такие стекла используются в дверях, заднем проеме и т. д., но не изготавливаются в качестве лобовых стекол.
Многослойные стекла (триплекс) состоят из нескольких слоев и склеивающих их прозрачных полимеров. На автомобилях применяют трехслойные изделия: два стекла и слой полимера. При разрушении осколки удерживаются связующей пленкой, предотвращая ранения.
Разбитое многослойное автостекло может сохранить обзорность, достаточную для движения к месту стоянки или ремонта. Оно устойчиво к образованию сквозных отверстий и предохраняет людей, находящихся в салоне, от предметов, летящих из-под колес впереди идущего транспорта. Стандартами предусмотрена обязательная установка триплекса в качестве ветрового в переднее окно автомобиля. Вклеенный триплекс в случае аварии предотвращает выпадение пассажиров, не пристегнутых ремнями, из салона. Для повышения безопасности и снижения уровня шума на дорогих моделях автомобилей триплекс применяется также для дверей, заднего проема кузова и т. д.
Тонированные стекла в автомобиле используется для улучшения внешнего вида автомобиля. Кроме того, тонировка снижает прохождение видимой части солнечного спектра, делая трудно различимыми людей, находящихся в салоне, и его содержимое (например, забытую сумку). Однако одновременно оно ухудшает видимость и контрастность окружающей обстановки. Этот эффект наиболее отрицательно проявляется в сумерках, когда водитель еще не осознает, что хуже различает дорогу, предметы, и не принимает соответствующих мер (не снижает скорость и т. д.). Кроме того, тонирование задерживает несколько большую часть (на 3–4 %) ультрафиолетового излучения солнца (нетонированные «останавливают» 90–95 % ультрафиолета), предотвращая его воздействие на водителя и пассажиров, а также выгорание обивки салона, окрашенной натуральными красителями.
Тонирование может задерживать (в зависимости от химического состава красителей) инфракрасное излучение солнца, предотвращая нагревание салона и выгорание его элементов, окрашенных синтетическими красителями, а также сильнее нагревается солнцем. Поэтому зимой (в солнечный день) тонированные стекла меньше подвержены замерзанию и запотеванию.
Трехслойное остекление может иметь цветную соединительную пленку. Стойкость к появлению царапин при таком виде тонирования довольно высокая, такая же, как и у нетонированных стекол. Обычно светопропускание таких стекол составляет 95 %.
Тонированные напылением стекла обладают невысокой устойчивостью к появлению царапин, но этот вид тонировки позволяет изготовить остекление, не пропускающее инфракрасные и ультрафиолетовые лучи и практически не ухудшающие видимость.
Тонирование пленками является наиболее простым видом с точки зрения технологии и применимо к любому виду стекол. Качественные пленки могут задерживать ультрафиолет и инфракрасные лучи. Производимые последнее время тонировочные пленки обладают достаточно высокой устойчивостью к царапинам. Стандартами ограничена степень тонирования автомобильных стекол и установлено светопропускание ветрового стекла не менее 80 % и не менее 65 % заднего и боковых стекол соответственно.
Технология производства автостекла
Основным материалом для производства автостекла является кремнезем (песок). В результате реакции с разными оксидами в процессе нагревания и плавления образуется основа для стекла.
Этапы производства:
– исходные материалы смешивают в определенной пропорции. Технология позволяет использовать отходы стекла в качестве сырья;
– смесь нагревают до расплавления, и она попадает в жидком виде в поплавковую камеру с температурой 1000 °C;
– растекаясь по абсолютно ровной поверхности камеры, она перемещается к выходу, где температура составляет 600 °C;
– тяжелые примеси оседают на дно камеры, а стекло на выходе твердеет.
– далее, начинается процесс отжига, при котором идет снижение до 200 °C, а после выхода из камеры – до комнатной температуры;
– охлажденное стекло, уже достаточно крепкое и прочное, разрезают на прямоугольные заготовки при помощи алмазного резца. Для того чтобы придать заготовкам нужную форму, их помещают в стеклоплавильную печь для нагрева до температуры, обеспечивающей пластичность стеклу (850 °C), и придают нужную форму с помощью металлического шаблона;
– следующий этап – закалка стекла в специальной решетке. Она заключается в быстром охлаждении струей холодного воздуха. Это делается для формирования в стекле направленных напряжений сжатия. Прочность стекла и его упругость повышаются, что очень важно для стекол автомобиля.
Полученные продукты могут использоваться не только целенаправленно – для автомобилей, но и в других областях промышленности – мореходной, строительной, авиационной.