WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 19 |

В медицине стекловолокно применяется в волоконной технике с оптическими приспособлениями: зеркала, призмы, линзы, световоды, жгуты из множества световодных волокон. Волоконно-оптические световоды применяются в эндоскопии для получения четкого изображения в полостях организма, а так же в урологии, онкологии. Использование световодов в хирургических приборах позволит при операциях добиваться освещения в труднодоступных полостях (грудной, брюшной и др.). Волоконные электросветоводы электробезопасны.

Инструменты с волоконно-оптическими элементами (волоконные световоды) применяются во всех областях хирургии и в частности в микрохирургии, нейро - и офтальмохирургии. Медицинские инструменты (пинцеты, скальпели), снабженные индивидуальным освещением – волоконными осветителями, используются для диагностики и удаления внутриглазных инородных тел, при операциях по поводу отслойки сетчатки, для щадящего (без травматизации ткани) обследования, например, гинекологического обследования девочек.

Увиолевое стекло – стекло с повышенной прозрачностью для ультрафиолетовой (УФ) области светового спектра от 100 нм до 400 нм. Отличительным свойством является отсутствие ряда окислов и сульфатов тяжелых металлов, поглощающих УФ излучение. Увиолевое стекло увеличивает пропускание УФ излучения из естественных и искусственных источников света. Поэтому его применяют в бактерицидных и эритемных лампах в лечебных целях, а так же для обеззараживания воздуха, воды, поверхности ограждения и предметов ухода, предохраняя от микробного загрязнения лекарственные средства. Увиолевое стекло применяется в ряде оптических и измерительных приборов.

Стеклянный электрод – это ионоселективный электрод, предназначенный для определения активности иона водорода, натрия и калия в водных средах в присутствии других ионов, следит за их активным изменением в средах с различной рН.

Органическое стекло – оптически прозрачный, твердый материал на основе органических полимеров. Оно обладает повышенной прозрачностью, малым весом, устойчивостью к ударам, не дает опасных осколков.

По назначению различают стекло:

- тарное и строительное стекло (оконное, узорчатые стеклоблоки, стеклопластики и др.);

- техническое (кварцевое, светотехническое стекловолокно и др.);

- сортовое (однокомпонентное силикатное), ему свойственно наибольшее светопропускание, особенно УФ лучей. Используется для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, химически стойких емкостей. Применяется в медицине, в химическом, фармацевтическом и пищевом производстве.

Кроме того, существуют следующие виды стекол:

- безопасное, безосколочное стекло, которое применяется для остекления транспортных средств, в самолетах;

- фотохромовое стекло, которое меняет светопропускание в зависимости от интенсивности освещения;

- стекло с уникальными свойствами: звукоизолирующее, солнцезащитное, пуленепробиваемое (бронированное).

Прозрачность, химические и термические свойства позволяют широко использовать стекло в медицине: ампулы, аптечная и лабораторная посуда, очки, термометры, детали медицинских аппаратов и оборудования, предметы ухода за больными. Хорошие гигиенические качества стекла объясняются тем, что оно легко обрабатывается, моется, стерилизуется, является хорошим защитным экраном от пыли и микрофлоры. Стекло широко применяется в строительстве для остекления светопроемов, устройства светопрозрачных ограждений и перегородок. В быту – зеркала, детали мебели, светильники, художественные изделия, стеклянная посуда.

Гигиенические требования к стеклу:

- должно пропускать много света, создавая необходимые условия зрительного контакта и, наоборот, обеспечивать зрительную изоляцию при необходимости;

- должно обладать теплозащитными свойствами;

- легко поддаваться очистке и обработке;

- быть безвредным, т.е. посуда должна быть химически стабильной (безопасной);

- иметь термическую устойчивость;

- не имеет режущих граней.

Стекольная промышленность в настоящее время выпускает достаточно широкий ассортимент стекол: строительное, техническое, медицинское, оптическое, промышленную тару, тепло- и гидроизоляционные материалы, художественные изделия и т.п.

Основными цехами стекольной промышленности являются:

1) составной цех – накапливает кварцевый песок, соду, мел, сульфат натрия, доломит, пегматит и другие компоненты, входящие в стекольную шихту. Здесь же все обрабатывается и подается в следующий цех;

2) цех выработки, где производят варку стекла в ваннах или горшковых печах.

При этом технологический процесс полностью автоматизирован и механизирован. Художественные изделия из стекла изготавливаются полностью вручную, непосредственно возле печи. Выработка крупных хрустальных изделий, отломка стекла производится вручную, что требует физического напряжения;

3) цех обработки, где производят обрезку у заготовок на станках огневой резки; шлифовку изделий, при необходимости наносят алмазную грань; выполняют полировку изделий смесью, состоящей из плавиковой 40 % и серной 60 % кислот, и производят разрисовку.

В данном контексте нам будут интересны оптические элементы из стекла в медицинских приборах, аппаратах и системах.

К основным оптическим элементам из стекла относятся линзы, призмы, зеркала, волоконно-оптические элементы. Оптические приборы в медицине можно разделить на:

- приборы, работающие с участием глаза – визуальные (например, диоптриметр, лупа, микроскоп, эндоскоп, очки, кератометр);

- приборы, работающие без участия глаза – осветители, облучатели и т.п.

Оптика оказала существенное влияние на развитие практической медицины и здравоохранения. Например, применение медицинского микроскопа в хирургии, офтальмологии, отоларингологии (особенно открытие лазера), привело к развитию новых возможностей в области микрохирургии глаза, эндоскопической хирургии и других медицинских направлениях. Применение оптики получило широкое распространение в диагностике, тепловидении, голографии.

3.3 Разрушение стекла До недавнего времени мало, что было известно о механизме растрескивания стекла. Например, в середине 60-х годов результаты точных измерений, показавших, что необходимое для разрушения стекла напряжение уменьшается с увеличением продолжительности воздействия на него воды, помогли объяснить, почему вода облегчает разрезку стекла, однако вопрос о том, как это происходит, практически остался невыясненным. Ответ на вопрос о механизме растрескивания стекла начал вырисовываться в 1979 г. Тогда сотрудники Национальной лаборатории Сандия и С. Фрайман из Национального бюро стандартов США начали независимо разрабатывать математические модели для описания растрескивания стекла на атомном уровне. Анализ физических и химических взаимодействий, приводящих к разрыву межатомных связей на кончике трещины, позволяет установить удивительную связь между атомной структурой материала и его надежностью в смысле практического применения.

Кроме того, фундаментальные результаты исследований роста трещин на атомном уровне служат ориентиром при поиске применений стекла и других оксидных материалов в новейших технических средствах.

Наверное, каждый сталкивался с проблемой разрушения стекла уже в детстве. Это мог быть разбитый стакан с молоком или оконное стекло, разлетевшееся вдребезги от удара мяча. Когда стекло разбивается, кажется, что трещины образуются мгновенно. Высокоскоростная фотография показывает, что трещины могут распространяться в стекле со скоростью, измеряемой сотнями метров в секунду, что составляет приблизительно половину скорости звука в стекле.

Хотя разрушение стекла может происходить внезапно, во многих случаях ему предшествует медленный рост ранее существовавших трещин. Медленно растушую трещину часто можно обнаружить на ветровом стекле автомобиля. Рост маленькой трещины, образовавшейся от удара камешка, прослеживается день за днем, по мере того как трещина постепенно распространяется через все ветровое стекло. В других случаях маленькие, незаметные поверхностные трещины растут в течение некоторого «инкубационного» периода, а когда достигают определенной критической величины, вызывают быстрое разрушение. Трещины в стекле могут расти со скоростью менее 2,5 · 10 -12 см/ч; при таких условиях «инкубационный» период занимает несколько лет, и лишь потом происходит быстрое разрушение. На атомном уровне столь медленный рост трещин соответствует последовательному разрыву межатомных связей со скоростью примерно одна связь в час. Диапазон скоростей разрушения стекла, охватывающий 12 порядков величины, — от чуть ли не мгновенного раскалывания до медленного разрушения при ползучести, что делает исследование роста трещин особенно увлекательным занятием.

Как это ни удивительно, чистое стекло — один из прочнейших материалов. В условиях высокого вакуума бездефектное стекло выдерживает растягивающую нагрузку, превышающую 10 ГПа, что в 10 раз превосходит прочность большинства металлических сплавов. Однако при обычных условиях поверхность стекла подвергается воздействию твердых частиц и химических агентов, которые создают на ней маленькие трещины и способствуют их росту, в конце концов, приводя к снижению прочности стекла. Влияние химических агентов на скорость роста трещин ставит серьезнейшую проблему перед конструкторами, так как в результате происходит не только непосредственное уменьшение прочности, но и разрушение конструкции, которая находилась под нагрузкой в течение нескольких лет.

Одно из наиболее сильнодействующих веществ — это вода, которая представляет особенно серьезную угрозу, поскольку всегда присутствует в атмосфере. Вода может ускорить рост трещин более чем в миллион раз, «атакуя» структуру стекла на самом кончике трещины.

Люди, конечно, давно осознали способность воды облегчать растрескивание стекла. Есть сведения, что американские индейцы использовали эту особенность. При изготовлении наконечников стрел из флинта — одной из форм кремнезема (диоксида кремния), родственной по своей химической природе стеклу, песку и кварцу. Например, индейцы, обитавшие в окрестностях озера Катахула в штате Луизиана, исполняли ритуал, в ходе которого они держали над паром куски флинта, перед тем как разбить их. Недавние эксперименты с аналогичными материалами подтвердили, что после увлажнения флинт раскалывается легче. И теперь стекольщики перед отламыванием стекла смачивают водой (или слюной) царапину, оставленную стеклорезом. Вода снижает напряжение, необходимое для роста первоначальной трещины, и обеспечивает более ровное раскалывание стекла.

Научные основы для определения условий, вызывающих рост трещин и разрушение стекла, были заложены 60 лет назад пионерной работой А. Гриффита из Королевского авиационного ведомства. Гриффит пытался вычислить минимальную энергию, необходимую для инициирования роста трещины. Исходным пунктом его расчетов служил хорошо известный факт, что расположение атомов на поверхности энергетически менее выгодно, и поэтому их энергия выше, чем у атомов в объеме.

Рост трещин в стеклянном бруске с высверленным в его центре отверстием регистрировался в серии экспериментов выполненных сотрудниками Национальной лаборатории Сандия. Сжимающая нагрузка, приложенная к пластине в продольном направлении, создает растягивающее напряжение, которое вызывает рост двух трещин — выше и ниже отверстия.

Скорость роста трещин измеряется с помощью микроскопа, который устанавливается в верхней части установки. Все устройство помещается в вакуумную камеру, с тем чтобы тщательно контролировать химическое окружение.

Внутри камеры создается высокая влажность, вследствие чего рост трещин ускоряется. Фотографии в поляризованном свете показывают, что напряжения концентрируются на самом кончике трещины, в соответствии с рисунком 1.

Иными словами, на создание новой поверхности нужно затратить некоторую энергию. Гриффит предположил, что трещина в стекле растет только тогда, когда энергия приложенного к нему напряжения больше, чем энергия новых поверхностей, возникающих при расколе.

(Пока приложенное напряжение не превысит определенное минимальное значение, энергия накапливается в стекле, как если бы оно было пружиной.) Используя свои данные по поверхностной Рисунок 1 – Рост трещин в стеклянном бруске энергии стекла и имеющиеся результаты расчетов распределения напряжений вокруг трещины на поверхности, Гриффит определил разрушающую нагрузку при расколе пластины.

Он блестяще подтвердил свой вывод на практике в экспериментах со стеклянными трубками.

Гриффит установил также, что чем меньше первоначальная трещина в стекле, тем большее напряжение надо создать для инициирования ее роста. Это объясняет, почему элементарные стеклянные волокна, имеющие только мельчайшие поверхностные трещины, в 100—1000 раз прочнее обычного оконного стекла, на поверхности которого в процессе изготовления образуются довольно большие трещины. Энергетический подход Гриффита к описанию прочности и разрушения стекла указал также на важную роль химии поверхности в формировании механических свойств хрупких материалов. Химические агенты (например, вода), уменьшающие поверхностную энергию твердого тела, в конце концов приведут и к снижению прочности материала.

В середине 60-х годов Ш. Видерхорн и несколько других исследователей изучали, как изменяется прочность стекла со временем. Наблюдая рост трещин под микроскопом и одновременно тщательно контролируя величину напряжения и условия окружающей среды, они сделали ряд важных открытий.

Во-первых, трещины в стекле непрерывно растут и за этим ростом можно следить; иными словами, разрушение происходит не внезапно. Во-вторых, скорость роста трещины зависит от приложенного напряжения и влажности окружающей среды. В-третьих, момент разрушения можно предсказать, если известна скорость роста маленьких поверхностных трещин под действием напряжения: по мере медленного роста таких трещин в стекле накапливается энергия напряжения, пока, наконец, не происходит быстрое разрушение.

Прочность изменяется с ростом трещин, проникающих в глубь материала (вверху), в соответствии с рисунком 2. Когда стекло напряжено, кончик трещины (в середине) распространяется внутрь материала. По этой причине авторы попытались описать рост трещины на атомном уровне (внизу). Элементарная ячейка структуры стекловидного кремнезема — плотноупакованный тетраэдр, состоящий из центрального атома кремния (синий), окруженного четырьмя атомами кислорода (красные). Каждый атом кислорода образует химические связи с атомами кремния двух соседних тетраэдров, так что всякий тетраэдр соединен с четырьмя соседними.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 19 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.