Основни познания за стъкло

Структурата на стъклото

Физикохимичните свойства на стъклото се определят не само от неговия химичен състав, но и са тясно свързани с неговата структура. Само чрез разбиране на вътрешната връзка между структурата, състава, структурата и експлоатационните характеристики на стъклото може да бъде възможно да се направят стъклени материали или продукти с предварително определени физикохимични свойства чрез промяна на химичния състав, термична история или използване на някои физични и химични методи за обработка.

Характеристики на стъклото

Стъклото е клон на аморфно твърдо вещество, което е аморфен материал с твърди механични свойства. Често се нарича "преохладена течност". В природата има две състояния на твърда материя: добро състояние и недобро състояние. Така нареченото непродуктивно състояние е състоянието на твърдата материя, получено по различни методи и характеризиращо се със структурно разстройство. Стъкленото състояние е вид нестандартно твърдо вещество. Атомите в стъклото нямат подредено подреждане на далечни разстояния в пространството като кристала, но те са подобни на течността и имат подредено подреждане на къси разстояния. Стъклото може да поддържа определена форма като твърдо тяло, но не и като течност, течаща под собственото си тегло. Стъклообразните вещества имат следните основни характеристики.

(1) Подреждането на частиците от изотропен стъкловиден материал е неправилно и статистически еднакво. Следователно, когато няма вътрешно напрежение в стъклото, неговите физични и химични свойства (като твърдост, модул на еластичност, коефициент на топлинно разширение, топлопроводимост, индекс на пречупване, проводимост и т.н.) са еднакви във всички посоки. Въпреки това, когато има напрежение в стъклото, структурната еднородност ще бъде разрушена и стъклото ще покаже анизотропия, като очевидна оптична разлика в пътя.

(2) Метастабилност

Причината, поради която стъклото е в метастабилно състояние е, че стъклото се получава чрез бързо охлаждане на стопилката. Поради рязкото увеличаване на вискозитета по време на процеса на охлаждане, частиците нямат време да образуват правилна подредба на кристали и вътрешната енергия на системата не е на най-ниската стойност, а в метастабилно състояние; Въпреки това, въпреки че стъклото е в по-високо енергийно състояние, то не може спонтанно да се трансформира в продукта поради високия си вискозитет при стайна температура; Само при определени външни условия, т.е. трябва да преодолеем потенциалната бариера на материала от стъкловидно състояние в кристално състояние, стъклото може да бъде отделено. Следователно от гледна точка на термодинамиката състоянието на стъклото е нестабилно, но от гледна точка на кинетиката е стабилно. Въпреки че има тенденцията към самоосвобождаваща се топлина, трансформираща се в кристал с ниска вътрешна енергия, вероятността да се трансформира в кристално състояние е много малка при стайна температура, така че стъклото е в метастабилно състояние.

(3) Няма фиксирана точка на топене

Превръщането на стъкловидно вещество от твърдо в течно се извършва в определен температурен диапазон (температурен диапазон на трансформация), който е различен от кристалното вещество и няма фиксирана точка на топене. Когато дадено вещество се трансформира от стопилка в твърдо вещество, ако това е процес на кристализация, в системата ще се образуват нови фази и температурата на кристализация, свойствата и много други аспекти ще се променят рязко

С понижаването на температурата вискозитетът на стопилката се увеличава и накрая се образува твърдото стъкло. Процесът на втвърдяване протича в широк температурен диапазон и не се образуват нови кристали. Температурният диапазон на преход от стопено към твърдо стъкло зависи от химичния състав на стъклото, който обикновено варира от десетки до стотици градуси, така че стъклото няма фиксирана точка на топене, а само температурен диапазон на омекване. В този диапазон стъклото постепенно се трансформира от вископластично във вискоеластично. Процесът на постепенна промяна на това свойство е в основата на стъклото с добра обработваемост.

(4) Непрекъснатост и обратимост на промяната на собствеността

Процесът на промяна на свойствата на стъкловидния материал от състояние на топене в твърдо състояние е непрекъснат и обратим, в който има участък от температурна област, която е пластична, наречена „трансформация“ или „анормална“ област, в която свойствата имат специални промени.

В случай на кристализация свойствата се променят, както е показано на кривата ABCD, t. Това е точката на топене на материала. Когато стъклото се формира чрез преохлаждане, процесът се променя, както е показано на кривата abkfe. T е температурата на встъкляване, t е температурата на омекване на стъклото. За оксидното стъкло вискозитетът, съответстващ на тези две стойности, е около 101pa·s и 1005p·s.

Структурна теория на счупено стъкло

„Структура на стъкло“ се отнася до геометричната конфигурация на йони или атоми в пространството и структурообразувателите, които те образуват в стъклото. Изследването на структурата на стъклото материализира усърдните усилия и мъдростта на много учени по стъкло. Първият опит да се обясни същността на стъклото е ж. хипотезата на Тамман за свръхохладената течност, която твърди, че стъклото е свръхохладена течност, Процесът на втвърдяване на стъклото от стопилка до твърдо състояние е само физически процес, тоест с намаляването на температурата молекулите на стъклото постепенно се приближават поради намаляване на кинетичната енергия , и силата на взаимодействие постепенно се увеличава, което кара степента на стъкло да се увеличи и накрая да се образува плътно и неправилно твърдо вещество. Много хора са свършили много работа. Най-влиятелните хипотези на съвременната структура на стъклото са: теория на продукта, теория на случайни мрежи, теория на гела, теория на пет ъгъла на симетрия, теория на полимера и т.н. Сред тях най-добрата интерпретация на стъклото е теорията на продукта и произволната мрежа.

Кристална теория

Randell l представи кристалната теория за структурата на стъклото през 1930 г., тъй като моделът на излъчване на някои стъкла е подобен на този на кристалите със същия състав. Той смяташе, че стъклото е съставено от микрокристален и аморфен материал. Микропродуктът има правилна атомна подредба и очевидна граница с аморфен материал. Размерът на микропродукта е 1,0 ~ 1,5 nm, а съдържанието му представлява повече от 80%. Ориентацията на микрокристалите е нарушена. При изучаване на отгряването на силикатно оптично стъкло Лебедев установи, че има внезапна промяна в кривата на индекса на пречупване на стъклото при температура 520 ℃. Той обясни това явление като хомогенна промяна на „микрокристалния“ кварц в стъкло при 520 ℃. Лебедев вярва, че стъклото е съставено от множество „кристали“, които са различни от микрокристални. Преходът от „кристал“ към аморфна област се извършва стъпка по стъпка и няма очевидна граница между тях.