Grundkenntnisse über Glas

Die Struktur von Glas

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Glas werden nicht nur durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit seiner Struktur. Nur durch das Verständnis der internen Beziehungen zwischen Struktur, Zusammensetzung, Struktur und Leistung von Glas ist es möglich, Glasmaterialien oder -produkte mit vorgegebenen physikalisch-chemischen Eigenschaften herzustellen, indem die chemische Zusammensetzung, die thermische Vorgeschichte oder einige physikalische und chemische Behandlungsmethoden geändert werden.

Eigenschaften von Glas

Glas ist ein Zweig des amorphen Feststoffs, bei dem es sich um ein amorphes Material mit festen mechanischen Eigenschaften handelt. Es wird oft als „unterkühlte Flüssigkeit“ bezeichnet. In der Natur gibt es zwei Zustände fester Materie: den guten Zustand und den nicht guten Zustand. Der sogenannte unproduktive Zustand ist der Zustand fester Materie, der durch verschiedene Methoden erreicht wird und durch strukturelle Unordnung gekennzeichnet ist. Der glasige Zustand ist eine Art nicht standardmäßiger Feststoff. Die Atome im Glas haben keine weitreichende geordnete Anordnung im Raum wie Kristalle, aber sie ähneln Flüssigkeiten und haben eine kurzreichweitige geordnete Anordnung. Glas kann wie ein Feststoff eine bestimmte Form beibehalten, jedoch nicht wie eine Flüssigkeit, die unter ihrem eigenen Gewicht fließt. Glasartige Substanzen weisen die folgenden Haupteigenschaften auf.

(1) Die Anordnung der Partikel aus isotropem glasartigem Material ist unregelmäßig und statistisch gleichmäßig. Wenn also keine inneren Spannungen im Glas vorliegen, sind seine physikalischen und chemischen Eigenschaften (wie Härte, Elastizitätsmodul, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeleitfähigkeit, Brechungsindex, Leitfähigkeit usw.) in allen Richtungen gleich. Wenn jedoch Spannungen im Glas auftreten, wird die strukturelle Gleichmäßigkeit zerstört und das Glas zeigt Anisotropie, wie z. B. einen offensichtlichen Unterschied im optischen Weg.

(2) Metastabilität

Der Grund dafür, dass sich das Glas in einem metastabilen Zustand befindet, liegt darin, dass das Glas durch schnelles Abkühlen der Schmelze gewonnen wird. Aufgrund des starken Anstiegs der Viskosität während des Abkühlungsprozesses haben die Partikel keine Zeit, eine regelmäßige Kristallanordnung zu bilden, und die innere Energie des Systems befindet sich nicht auf dem niedrigsten Wert, sondern in einem metastabilen Zustand; Obwohl sich das Glas jedoch in einem höheren Energiezustand befindet, kann es sich aufgrund seiner hohen Viskosität bei Raumtemperatur nicht spontan in das Produkt umwandeln; Nur unter bestimmten äußeren Bedingungen, das heißt, wir müssen die mögliche Barriere des Materials vom glasigen in den kristallinen Zustand überwinden, kann das Glas getrennt werden. Daher ist der Glaszustand aus thermodynamischer Sicht instabil, aus kinetischer Sicht jedoch stabil. Obwohl es die Tendenz hat, durch Selbstfreisetzung Wärme in einen Kristall mit geringer innerer Energie umzuwandeln, ist die Wahrscheinlichkeit, in den Kristallzustand überzugehen, bei Raumtemperatur sehr gering, sodass sich das Glas in einem metastabilen Zustand befindet.

(3) Kein fester Schmelzpunkt

Die Umwandlung einer glasartigen Substanz von einem festen in einen flüssigen Zustand erfolgt in einem bestimmten Temperaturbereich (Umwandlungstemperaturbereich), der sich von der kristallinen Substanz unterscheidet und keinen festen Schmelzpunkt hat. Wenn ein Stoff von der Schmelze in den Feststoff umgewandelt wird, wenn es sich um einen Kristallisationsprozess handelt, werden im System neue Phasen gebildet und die Kristallisationstemperatur, die Eigenschaften und viele andere Aspekte ändern sich abrupt

Mit sinkender Temperatur steigt die Viskosität der Schmelze und schließlich entsteht das feste Glas. Der Erstarrungsprozess ist in einem weiten Temperaturbereich abgeschlossen und es bilden sich keine neuen Kristalle. Der Temperaturbereich des Übergangs von geschmolzenem zu festem Glas hängt von der chemischen Zusammensetzung des Glases ab, die im Allgemeinen im Bereich von mehreren zehn bis hundert Grad schwankt. Daher hat Glas keinen festen Schmelzpunkt, sondern nur einen Erweichungstemperaturbereich. In diesem Bereich wandelt sich Glas allmählich von viskoplastisch in viskoelastisch um. Der allmähliche Veränderungsprozess dieser Eigenschaft ist die Grundlage für Glas mit guter Verarbeitbarkeit.

(4) Kontinuität und Reversibilität der Eigenschaftsänderung

Der Eigenschaftsänderungsprozess von glasartigem Material vom Schmelzzustand in den Festzustand ist kontinuierlich und reversibel, wobei es einen Abschnitt des Temperaturbereichs gibt, der plastisch ist, der „Transformation“ oder „abnormale“ Bereich genannt wird und in dem sich die Eigenschaften besonders ändern.

Im Falle einer Kristallisation ändern sich die Eigenschaften wie in der Kurve ABCD, t dargestellt. Es ist der Schmelzpunkt des Materials. Wenn das Glas durch Unterkühlung geformt wird, ändert sich der Prozess wie in der abkfe-Kurve dargestellt. T ist die Glasübergangstemperatur, t ist die Erweichungstemperatur des Glases. Für Oxidglas beträgt die diesen beiden Werten entsprechende Viskosität etwa 101pa·s und 1005p·s.

Strukturtheorie von Glasscherben

Unter „Glasstruktur“ versteht man die geometrische Anordnung von Ionen oder Atomen im Raum und die Strukturbildner, die sie im Glas bilden. Die Erforschung der Glasstruktur hat die sorgfältigen Bemühungen und die Weisheit vieler Glaswissenschaftler zum Ausdruck gebracht. Der erste Versuch, das Wesen von Glas zu erklären, ist g. Tammans Hypothese über unterkühlte Flüssigkeiten, die besagt, dass Glas eine unterkühlte Flüssigkeit ist. Der Prozess der Erstarrung von Glas von der Schmelze zum Feststoff ist nur ein physikalischer Prozess, das heißt, mit sinkender Temperatur nähern sich die Glasmoleküle aufgrund der Abnahme der kinetischen Energie allmählich an , und die Wechselwirkungskraft nimmt allmählich zu, wodurch der Glasgrad zunimmt und schließlich eine dichte und unregelmäßige feste Substanz entsteht. Viele Menschen haben viel Arbeit geleistet. Die einflussreichsten Hypothesen der modernen Glasstruktur sind: Produkttheorie, Zufallsnetzwerktheorie, Geltheorie, Fünfwinkelsymmetrietheorie, Polymertheorie und so weiter. Unter ihnen ist die beste Interpretation von Glas die Theorie des Produkts und des Zufallsnetzwerks.

Kristalltheorie

Randell l. stellte 1930 die Kristalltheorie der Glasstruktur auf, weil das Strahlungsmuster einiger Gläser dem von Kristallen gleicher Zusammensetzung ähnelt. Er ging davon aus, dass Glas aus mikrokristallinem und amorphem Material besteht. Das Mikroprodukt weist eine regelmäßige Atomanordnung und eine offensichtliche Grenze zu amorphem Material auf. Die Größe des Mikroprodukts beträgt 1,0 bis 1,5 nm und sein Inhalt macht mehr als 80 % aus. Die Orientierung des Mikrokristalls ist ungeordnet. Bei der Untersuchung des Glühens von optischem Silikatglas stellte Lebedev fest, dass sich die Kurve des Brechungsindex des Glases bei einer Temperatur von 520 °C plötzlich änderte. Er erklärte dieses Phänomen als die homogene Veränderung von Quarz „mikrokristallin“ in Glas bei 520 ℃. Lebedev glaubte, dass Glas aus zahlreichen „Kristallen“ besteht, die sich von mikrokristallinen unterscheiden. Der Übergang vom „kristallinen“ zum amorphen Bereich vollzieht sich Schritt für Schritt, und es gibt keine offensichtliche Grenze zwischen ihnen.