Glas ist ein amorpher Feststoff, der durch Verschmelzen von Kieselsäure mit einem basischen Oxid hergestellt wird. Obwohl sich die Atome nie in einer kristallinen Ordnung anordnen, sind die atomaren Abstände im Glas eng. Glas zeichnet sich durch Transparenz, Härte bei atmosphärischen Temperaturen und ausgezeichnete Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse und die meisten Chemikalien mit Ausnahme von Flusssäure aus.
Das meiste Glas basiert auf dem Silikat-System und wird aus drei Hauptbestandteilen hergestellt: Kieselsäure (SiO), Kalk (CaCO3) und Natriumcarbonat (NaCO3). Verschiedene Oxide werden hinzugefügt, um die Eigenschaften des Glases auf bestimmte Anforderungen abzustimmen.
Zu den Gläsern, die nicht auf dem silikatischen System basieren und die nur etwa 5 % aller hergestellten Gläser ausmachen (mit Ausnahme der Glaskeramik, die im Kapitel Technische Keramik beschrieben wird), gehören Phosphatgläser (die HF-säurebeständig sind), Boratgläser mit seltenen Erden (für einen hohen Brechungsindex), wärmeabsorbierende Gläser (mit FeO hergestellt) und Systeme auf der Grundlage von Aluminium-, Vanadium-, Germanium- und anderen Metalloxiden. Nahezu alle Gläser lassen sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung in eine von sechs Grundtypen einteilen. Innerhalb jedes Typs, mit Ausnahme von Quarzglas, gibt es mehrere unterschiedliche Zusammensetzungen.
Natron-Kalk-Glas, der häufigste Typ, ist das Glas von Flaschen, Fenstern, Glühbirnen und Trinkgläsern. Seine Zusammensetzung ähnelt der des frühesten von Menschen hergestellten Glases – ein Gemisch aus Silizium-, Calcium- und Natriumoxiden. Etwa 90 % des heute geschmolzenen Glases ist Kalk-Natron-Glas (oder einfach „Kalk“, wie es allgemein genannt wird). Dieses preiswerte Glas lässt sich leicht zu einer großen Vielfalt von Formen verarbeiten. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen und plötzlichen Temperaturschwankungen ist gering, und die Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen ist nur mittelmäßig.
Borosilicatglas, die älteste Glasart, die eine nennenswerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschocks und höheren Temperaturen aufweist, hat auch eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen. In dieser Glasstruktur, die als erste die Marke Pyrex trägt, wird ein Teil des SiO″ durch Boroxid ersetzt.
Borosilikatglas hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eignet sich daher für Teleskopspiegel und andere Präzisionsteile. Da dieses Glas auch Wärmeschocks standhalten kann, wird es für Ofen- und Laborgeräte, Scheinwerferlinsen und Kesselanzeigergläser verwendet. Die meisten Borosilicatgläser sind säurebeständiger als Kalknatrongläser, aber nur wenig beständig gegen Laugen. Glasfasern, die zur Verstärkung von Kunststoffen verwendet werden, sind ein modifiziertes Borosilikatglas.
Bleialkali-Glas oder Bleiglas enthält Bleimonoxid, PbO, um seinen Brechungsindex zu erhöhen. Dieses Glas ist ein besserer elektrischer Isolator als Kalk-Natron- oder Borosilikatglas. Bleiglas wird für optische Anwendungen wie Prismen und Linsen und als Abschirmung gegen atomare Strahlung verwendet. Es ist leicht zu bearbeiten und eignet sich gut für langsame, manuelle Vorgänge. Wegen seines natürlichen Glanzes wird Bleiglas für feines Kristallgeschirr verwendet. Wie Kalkglas hat Bleiglas eine geringe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Temperaturschocks.
Aluminiumsilikatglas (bei dem ein Teil der Tonerde, Al2O3, das Siliziumdioxid ersetzt) ist ein weiteres Glas, das ähnlich wie Borsilikatglas gegen Temperaturschocks beständig ist, aber höheren Betriebstemperaturen standhält. Diese Gläser widerstehen auch chemischen Angriffen und sind gute elektrische Isolatoren. Aluminosilicatgläser eignen sich für Hochleistungsanwendungen wie Hochtemperaturthermometer, Fenster in Raumfahrzeugen und Zündröhren. Mit einem elektrisch leitenden Film beschichtet, werden sie als Widerstände in kritischen elektronischen Schaltkreisen eingesetzt. Aluminosilikate kosten etwa dreimal so viel wie Borsilikate und sind deutlich schwieriger herzustellen.
96%iges Quarzglas ist ein hoch hitzebeständiges Glas, das durch ein geschütztes Verfahren (Corning Glass Works) aus Borsilikatglas hergestellt wird. Dieses Glas lässt sich leichter und in mehr Formen formen als geschmolzenes Quarzglas. Seine Eigenschaften kommen denen von Quarzglas so nahe, dass es manchmal als Ersatz für optische Komponenten und Raumfahrzeugfenster verwendet wird, wo es der Hitze beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre standhalten muss. Es wird auch als hitzebeständige Beschichtung verwendet, z. B. auf der Außenseite der Space-Shuttle-Fahrzeuge der NASA. Weitere Verwendungszwecke sind Laborgeräte und Beleuchtungskomponenten, wie z. B. Bogenröhren in Halogenlampen.
Fused Silica ist die einzige der sechs Kategorien, die eine einzige Zusammensetzung aufweist. Dieses Glas besteht einfach aus Kieselsäure (Siliziumdioxid) im nichtkristallinen oder amorphen Zustand. Quarzglas, das teuerste aller Gläser, bietet die höchste Temperaturwechselbeständigkeit und die höchste zulässige Betriebstemperatur (900°C für längere Zeit, bis 1.200°C für kurze Zeit). Es hat auch die höchste Durchlässigkeit im ultravioletten Bereich und die höchste Beständigkeit gegen chemische Angriffe aller Gläser. Quarzglas wird für Anwendungen mit extrem strengen Anforderungen verwendet, z. B. für Spiegelrohlinge für astronomische Teleskope, Ultraschallverzögerungsleitungen, optische Kommunikationswellenleiter und Tiegel für die Kristallzucht. Die Herstellung von Quarzglas ist schwierig, und die Zahl der verfügbaren Formen ist daher stark begrenzt.
Diese sechs Glasarten lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen. Kalknatron und Bleialkali werden als Weichgläser bezeichnet, weil sie bei relativ niedrigen Temperaturen erweichen oder verschmelzen. Borosilikat und Alumosilikat werden als Hartgläser bezeichnet, weil sie bei relativ hohen Temperaturen erweichen oder verschmelzen. 96%ige Kieselsäure und Quarzglas sind die härtesten Gläser.
Die ältesten Gläser sind Kalk-Natron-Gläser, die bereits vor etwa 4.000 Jahren bekannt waren. Blei-Alkali wurde 1676 entwickelt, Borosilikat 1912, Aluminosilikat 1936, 96%iges Siliziumdioxid 1939 und Quarzglas 1952.
Heute werden viele Gläser aus Verbundwerkstoffen hergestellt, die aus mehreren Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen. Hochfestes Geschirr wird aus einem Sandwich aus einem Glas mit geringer Ausdehnung und einem Glaskern mit hoher Ausdehnung hergestellt. Optische Kommunikationsfasern (Wellenleiter) werden aus einem Bündel von Gläsern gezogen, die eine kontrollierte Variation der Zusammensetzung aufweisen. Fenster von Luft- und Raumfahrtfahrzeugen bestehen aus mehreren Glasscheiben, wobei jede Scheibe eine bestimmte Eigenschaft hat; die äußersten Scheiben sind hitzebeständig, die innersten Scheiben sind mechanisch stabil.
Lichtempfindliche Gläser, die zwar nicht zu den Grundtypen zählen, sind in drei Qualitäten erhältlich. Photochromes Glas verdunkelt sich, wenn es ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird, und verblasst, wenn der ultraviolette Stimulus entfernt oder das Glas erwärmt wird. Einige photochrome Zusammensetzungen bleiben eine Woche oder länger dunkel. Andere verblassen innerhalb weniger Minuten, nachdem die ultraviolette Strahlung entfernt wurde. Ein Haupteinsatzgebiet für die schneller verblassenden Zusammensetzungen sind Brillengläser, die sich automatisch verdunkeln und verblassen, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt oder aus diesem entfernt werden.
Fotosensitives Glas reagiert ebenfalls auf Licht, jedoch auf andere Weise als photochromes Glas. Wenn es ultravioletter Energie ausgesetzt und dann erwärmt wird, ändert sich die Farbe des lichtempfindlichen Glases von klar zu opal. Wenn die UV-Belichtung durch eine Maske erfolgt, wird das Muster der Maske auf dem Glas reproduziert. Das entwickelte Bild ist dauerhaft und verblasst nicht, wie dies bei einem ähnlichen Bild in einem photochromen Glas der Fall wäre. Das belichtete, opalisierte lichtempfindliche Glas ist in flüssiger Säure viel besser löslich als das unbelichtete Glas. Durch Eintauchen in diese Säure entstehen Formen, Vertiefungen oder Löcher, indem die belichteten und entwickelten Bereiche weggeätzt werden.
Fotochromatische Gläser sind vollfarbige lichtempfindliche Gläser. Sie wurden 1978 von den Corning Glass Works Laboratorien entwickelt und eignen sich für Anwendungen wie Informationsspeicherung, dekorative Gegenstände, Fenster oder andere Transparente und Behälter. Photochromatische Gläser haben eine echte Farbbeständigkeit.