Coneixements bàsics del vidre

L'estructura del vidre

Les propietats fisicoquímiques del vidre no només estan determinades per la seva composició química, sinó que també estan estretament relacionades amb la seva estructura. Només entenent la relació interna entre l'estructura, la composició, l'estructura i el rendiment del vidre, es pot fer materials o productes de vidre amb propietats fisicoquímiques predeterminades canviant la composició química, la història tèrmica o utilitzant alguns mètodes de tractament físic i químic.

Característiques del vidre

El vidre és una branca de sòlid amorf, que és un material amorf amb propietats mecàniques sòlides. Sovint s'anomena "líquid superrefrigerat". A la natura, hi ha dos estats de la matèria sòlida: bon estat i no bon estat. L'estat anomenat no productiu és l'estat de la matèria sòlida obtinguda per diferents mètodes i caracteritzat per un desordre estructural. L'estat vidre és una mena de sòlid no estàndard. Els àtoms del vidre no tenen una disposició ordenada de llarg abast a l'espai com el cristall, però són similars al líquid i tenen una disposició ordenada de curt abast. El vidre pot mantenir una certa forma com un sòlid, però no com un líquid que flueix pel seu propi pes. Les substàncies vidrees tenen les següents característiques principals.

(1) La disposició de les partícules de material vidre isòtrop és irregular i estadísticament uniforme. Per tant, quan no hi ha estrès intern al vidre, les seves propietats físiques i químiques (com ara duresa, mòdul elàstic, coeficient d'expansió tèrmica, conductivitat tèrmica, índex de refracció, conductivitat, etc.) són les mateixes en totes direccions. Tanmateix, quan hi hagi estrès al vidre, la uniformitat estructural es destruirà i el vidre mostrarà anisotropia, com ara una diferència òptica de camí òptic.

(2) Metaestabilitat

La raó per la qual el vidre està en estat metaestable és que el vidre s'obté per refredament ràpid de la fosa. A causa del fort augment de la viscositat durant el procés de refredament, les partícules no tenen temps per formar una disposició regular de cristalls i l'energia interna del sistema no es troba en el valor més baix, sinó en estat metaestable; Tanmateix, tot i que el vidre es troba en un estat d'energia més elevat, no es pot transformar espontàniament en el producte a causa de la seva alta viscositat a temperatura ambient; Només en determinades condicions externes, és a dir, hem de superar la barrera potencial del material de l'estat vidre a l'estat cristal·lí, es pot separar el vidre. Per tant, des del punt de vista de la termodinàmica, l'estat del vidre és inestable, però des del punt de vista de la cinètica, és estable. Tot i que té la tendència d'alliberar calor automàticament transformant-se en cristall amb poca energia interna, la probabilitat de transformar-se en estat de cristall és molt petita a temperatura ambient, de manera que el vidre es troba en estat metaestable.

(3) Sense punt de fusió fix

La transformació de la substància vidriada de sòlid a líquid es porta a terme en un determinat interval de temperatura (interval de temperatura de transformació), que és diferent de la substància cristal·lina i no té un punt de fusió fix. Quan una substància es transforma de fosa a sòlida, si es tracta d'un procés de cristal·lització, es formaran noves fases al sistema i la temperatura de cristal·lització, les propietats i molts altres aspectes canviaran bruscament.

A mesura que disminueix la temperatura, augmenta la viscositat de la massa fosa i finalment es forma el vidre sòlid. El procés de solidificació es completa en un ampli rang de temperatures i no es formen nous cristalls. El rang de temperatura de transició del vidre fos al sòlid depèn de la composició química del vidre, que generalment oscil·la entre desenes i centenars de graus, de manera que el vidre no té un punt de fusió fix, sinó només un rang de temperatura de suavització. En aquest rang, el vidre es transforma gradualment de viscoplàstic a viscoelàstic. El procés de canvi gradual d'aquesta propietat és la base del vidre amb bona processabilitat.

(4) Continuïtat i reversibilitat del canvi de propietat

El procés de canvi de propietat del material vidre de l'estat de fusió a l'estat sòlid és continu i reversible, en el qual hi ha una secció de regió de temperatura que és plàstica, anomenada regió de "transformació" o "anormal", en la qual les propietats tenen canvis especials.

En el cas de la cristal·lització, les propietats canvien tal com es mostra a la corba ABCD, t. És el punt de fusió del material. Quan el vidre es forma per sobrerefrigeració, el procés canvia tal com es mostra a la corba abkfe. T és la temperatura de transició vítrea, t és la temperatura de suavització del vidre. Per al vidre d'òxid, la viscositat corresponent a aquests dos valors és d'uns 101pa·s i 1005p·s.

Teoria de l'estructura dels vidres trencats

"Estructura de vidre" es refereix a la configuració geomètrica dels ions o àtoms a l'espai i als formadors d'estructura que formen en el vidre. La investigació sobre l'estructura del vidre ha materialitzat els esforços minuciosos i la saviesa de molts científics del vidre. El primer intent d'explicar l'essència del vidre és g. La hipòtesi del líquid superrefrigerat de Tamman, que sosté que el vidre és un líquid superrefrigerat, el procés de solidificació del vidre des de la fusió fins al sòlid és només un procés físic, és a dir, amb la disminució de la temperatura, les molècules de vidre s'acosten gradualment a causa de la disminució de l'energia cinètica. , i la força d'interacció augmenta gradualment, la qual cosa fa que el grau de vidre augmenti i, finalment, es formi una substància sòlida densa i irregular. Molta gent ha fet molta feina. Les hipòtesis més influents de l'estructura de vidre moderna són: teoria del producte, teoria de la xarxa aleatòria, teoria del gel, teoria de la simetria dels cinc angles, teoria del polímer, etc. Entre ells, la millor interpretació del vidre és la teoria del producte i la xarxa aleatòria.

Teoria del cristall

Randell va presentar la teoria cristal·lina de l'estructura del vidre l'any 1930, perquè el patró de radiació d'alguns vidres és similar al dels cristalls de la mateixa composició. Va pensar que el vidre es compon de material microcristal·lí i amorf. El microproducte té una disposició atòmica regular i un límit evident amb material amorf. La mida del microproducte és d'1,0 ~ 1,5 nm i el seu contingut representa més del 80%. L'orientació del microcristal·lí està desordenada. En estudiar el recuit del vidre òptic de silicat, Lebedev va trobar que hi havia un canvi sobtat en la corba de l'índex de refracció del vidre amb una temperatura de 520 ℃. Va explicar aquest fenomen com el canvi homogeni del quars "microcristal·lí" al vidre a 520 ℃. Lebedev creia que el vidre es compon de nombrosos "cristalls", que són diferents dels microcristal·lins, la transició del "cristall" a la regió amorfa es completa pas a pas i no hi ha cap límit evident entre ells.