المعرفة الأساسية للزجاج

هيكل الزجاج

لا يتم تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للزجاج من خلال تركيبه الكيميائي فحسب، بل ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا ببنيته. فقط من خلال فهم العلاقة الداخلية بين بنية الزجاج وتكوينه وبنيته وأدائه، يمكن صنع مواد أو منتجات زجاجية ذات خصائص فيزيائية وكيميائية محددة مسبقًا عن طريق تغيير التركيب الكيميائي أو التاريخ الحراري أو استخدام بعض طرق المعالجة الفيزيائية والكيميائية.

خصائص الزجاج

الزجاج هو فرع من مادة صلبة غير متبلورة، وهي مادة غير متبلورة ذات خصائص ميكانيكية صلبة. وغالبا ما يطلق عليه "السائل فائق التبريد". في الطبيعة هناك حالتان للمادة الصلبة: الحالة الجيدة والحالة غير الجيدة. ما يسمى بالحالة غير المنتجة هي حالة المادة الصلبة التي يتم الحصول عليها بطرق مختلفة وتتميز بالاضطراب الهيكلي. الحالة الزجاجية هي نوع من المواد الصلبة غير القياسية. لا تمتلك ذرات الزجاج ترتيبًا مرتبًا بعيد المدى في الفضاء مثل البلورات، ولكنها تشبه الذرات السائلة ولها ترتيب مرتب قصير المدى. يمكن للزجاج أن يحتفظ بشكل معين مثل المادة الصلبة، ولكن ليس مثل السائل الذي يتدفق تحت وزنه. المواد الزجاجية لها الخصائص الرئيسية التالية.

(1) ترتيب جزيئات المادة الزجاجية المتناحية غير منتظم وموحد إحصائيا. ولذلك، عندما لا يكون هناك إجهاد داخلي في الزجاج، فإن خواصه الفيزيائية والكيميائية (مثل الصلابة، ومعامل المرونة، ومعامل التمدد الحراري، والتوصيل الحراري، ومعامل الانكسار، والموصلية، وما إلى ذلك) تكون واحدة في جميع الاتجاهات. ومع ذلك، عندما يكون هناك إجهاد في الزجاج، سيتم تدمير التوحيد الهيكلي، وسيظهر الزجاج تباينًا، مثل اختلاف المسار البصري الواضح.

(2) الاستقرار

السبب وراء كون الزجاج في حالة شبه مستقرة هو أنه يتم الحصول على الزجاج عن طريق التبريد السريع للمادة المنصهرة. بسبب الزيادة الحادة في اللزوجة أثناء عملية التبريد، ليس لدى الجزيئات الوقت لتشكيل ترتيب منتظم للبلورات، والطاقة الداخلية للنظام ليست في أدنى قيمة، ولكن في حالة شبه مستقرة؛ ومع ذلك، على الرغم من أن الزجاج في حالة طاقة أعلى، إلا أنه لا يمكنه التحول تلقائيًا إلى المنتج بسبب لزوجته العالية في درجة حرارة الغرفة؛ فقط في ظل ظروف خارجية معينة، أي أنه يجب علينا التغلب على الحاجز المحتمل للمادة من الحالة الزجاجية إلى الحالة البلورية، يمكن فصل الزجاج. ولذلك، من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، فإن الحالة الزجاجية غير مستقرة، ولكن من وجهة نظر حركية، فهي مستقرة. على الرغم من أنه يميل إلى إطلاق الحرارة ذاتيًا والتحول إلى بلورة ذات طاقة داخلية منخفضة، إلا أن احتمال التحول إلى حالة بلورية صغير جدًا في درجة حرارة الغرفة، لذلك يكون الزجاج في حالة شبه مستقرة.

(3) لا توجد نقطة انصهار ثابتة

يتم تحويل المادة الزجاجية من المادة الصلبة إلى السائلة في نطاق درجة حرارة معين (نطاق درجة حرارة التحول)، وهو يختلف عن المادة البلورية وليس له نقطة انصهار ثابتة. عندما تتحول مادة ما من مادة منصهرة إلى مادة صلبة، إذا كانت عملية تبلور، فسوف تتشكل أطوار جديدة في النظام، وسوف تتغير درجة حرارة التبلور وخصائصه والعديد من الجوانب الأخرى بشكل مفاجئ

ومع انخفاض درجة الحرارة، تزداد لزوجة المنصهر، وفي النهاية يتكون الزجاج الصلب. وتكتمل عملية التصلب في نطاق واسع من درجات الحرارة، ولا تتشكل بلورات جديدة. يعتمد نطاق درجة حرارة التحول من الزجاج المنصهر إلى الزجاج الصلب على التركيب الكيميائي للزجاج، والذي يتقلب عمومًا من عشرات إلى مئات الدرجات، لذلك ليس للزجاج نقطة انصهار ثابتة، ولكن فقط نطاق درجة حرارة التليين. في هذا النطاق، يتحول الزجاج تدريجيًا من اللزج البلاستيكي إلى اللزج المطاطي. إن عملية التغيير التدريجي لهذه الخاصية هي أساس الزجاج ذو قابلية المعالجة الجيدة.

(4) استمرارية وعكس تغير الممتلكات

إن عملية تغير خاصية المادة الزجاجية من حالة الانصهار إلى الحالة الصلبة هي عملية مستمرة وقابلة للعكس، حيث يوجد قسم من المنطقة الحرارية وهي منطقة بلاستيكية تسمى "التحول" أو المنطقة "غير الطبيعية"، والتي يكون فيها للخصائص تغيرات خاصة.

وفي حالة التبلور تتغير الخواص كما هو موضح في المنحنى ABCD,t. إنها نقطة انصهار المادة. عندما يتم تشكيل الزجاج عن طريق التبريد الفائق، تتغير العملية كما هو موضح في منحنى أبكفي. T هي درجة حرارة التزجج، وt هي درجة حرارة تليين الزجاج. بالنسبة لزجاج الأكسيد، تبلغ اللزوجة المقابلة لهاتين القيمتين حوالي 101pa · s و 1005p · s.

نظرية هيكل الزجاج المكسور

يشير مصطلح "البنية الزجاجية" إلى التكوين الهندسي للأيونات أو الذرات في الفضاء ومكونات البنية التي تتشكل في الزجاج. لقد تجسد البحث في بنية الزجاج الجهود المضنية والحكمة للعديد من علماء الزجاج. المحاولة الأولى لشرح جوهر الزجاج هي ز. فرضية تامان للسائل فائق التبريد، والتي ترى أن الزجاج هو سائل فائق التبريد، وأن عملية تجمد الزجاج من الذوبان إلى الحالة الصلبة ما هي إلا عملية فيزيائية، أي أنه مع انخفاض درجة الحرارة تقترب جزيئات الزجاج تدريجيا بسبب انخفاض الطاقة الحركية ، وتزداد قوة التفاعل تدريجياً، مما يجعل درجة الزجاج تزداد، ليتشكل في النهاية مادة صلبة كثيفة وغير منتظمة. لقد قام الكثير من الناس بالكثير من العمل. الفرضيات الأكثر تأثيرًا في التركيب الزجاجي الحديث هي: نظرية المنتج، ونظرية الشبكة العشوائية، ونظرية الهلام، ونظرية تناظر الزوايا الخمس، ونظرية البوليمر وما إلى ذلك. ومن بينها، أفضل تفسير للزجاج هو نظرية المنتج والشبكة العشوائية.

نظرية الكريستال

طرح راندل النظرية البلورية للتركيب الزجاجي في عام 1930، وذلك لأن نمط الإشعاع لبعض الزجاج يشبه نمط البلورات ذات التركيب نفسه. كان يعتقد أن الزجاج يتكون من مادة ميكروكريستالين وغير متبلورة. يحتوي المنتج الصغير على ترتيب ذري منتظم وحدود واضحة مع مادة غير متبلورة. حجم المنتج الصغير هو 1.0 ~ 1.5 نانومتر، ومحتواه يمثل أكثر من 80%. اتجاه الجريزوفولفين مضطرب. في دراسة صلب الزجاج البصري السيليكاتي، وجد ليبيديف أن هناك تغيرًا مفاجئًا في منحنى معامل انكسار الزجاج عند درجة حرارة 520 درجة مئوية. وأوضح هذه الظاهرة بأنها التغير المتجانس للكوارتز "البلوري الدقيق" في الزجاج عند درجة حرارة 520 درجة مئوية. ويرى ليبيديف أن الزجاج يتكون من “بلورات” عديدة تختلف عن البلورات الدقيقة، ويتم الانتقال من “البلورة” إلى المنطقة غير المتبلورة خطوة بخطوة، ولا توجد حدود واضحة بينهما.