دانش اولیه شیشه

ساختار شیشه

خواص فیزیکوشیمیایی شیشه نه تنها با ترکیب شیمیایی آن تعیین می شود، بلکه ارتباط نزدیکی با ساختار آن دارد. تنها با درک رابطه درونی ساختار، ترکیب، ساختار و عملکرد شیشه، می توان با تغییر ترکیب شیمیایی، تاریخچه حرارتی یا استفاده از برخی روش های تصفیه فیزیکی و شیمیایی، مواد یا محصولات شیشه ای با خواص فیزیکوشیمیایی از پیش تعیین شده ساخت.

ویژگی های شیشه

شیشه شاخه ای از جامدات آمورف است که یک ماده بی شکل با خواص مکانیکی جامد است. اغلب به آن "مایع فوق خنک" می گویند. در طبیعت، ماده جامد دو حالت دارد: حالت خوب و حالت غیر خوب. حالت به اصطلاح غیرمولد، حالتی از ماده جامد است که با روش های مختلف به دست می آید و با اختلال ساختاری مشخص می شود. حالت شیشه ای نوعی جامد غیر استاندارد است. اتم های شیشه در فضا مانند کریستال آرایش مرتب دوربرد ندارند، اما شبیه مایع هستند و آرایش مرتب برد کوتاهی دارند. شیشه می تواند شکل خاصی را مانند یک جامد حفظ کند، اما نه مانند مایعی که زیر وزن خود جریان دارد. مواد شیشه ای دارای ویژگی های اصلی زیر هستند.

(1) آرایش ذرات مواد شیشه ای همسانگرد نامنظم و از نظر آماری یکنواخت است. بنابراین وقتی تنش داخلی در شیشه وجود نداشته باشد، خواص فیزیکی و شیمیایی آن (مانند سختی، مدول الاستیک، ضریب انبساط حرارتی، هدایت حرارتی، ضریب شکست، هدایت و ...) در همه جهات یکسان است. با این حال، هنگامی که تنش در شیشه وجود دارد، یکنواختی ساختاری از بین می رود و شیشه ناهمسانگردی، مانند تفاوت مسیر نوری آشکار را نشان می دهد.

(2) فراپایداری

دلیل اینکه شیشه در حالت ناپایدار است این است که شیشه از خنک شدن سریع مذاب به دست می آید. با توجه به افزایش شدید ویسکوزیته در طول فرآیند خنک‌سازی، ذرات زمانی برای تشکیل آرایش منظم کریستال‌ها ندارند و انرژی داخلی سیستم در کمترین مقدار نیست، بلکه در حالت ناپایدار است. با این حال، اگرچه شیشه در حالت انرژی بالاتری قرار دارد، به دلیل ویسکوزیته بالای آن در دمای اتاق نمی تواند به طور خود به خود به محصول تبدیل شود. فقط در شرایط خارجی خاص، یعنی باید بر مانع بالقوه مواد از حالت شیشه ای به حالت کریستالی غلبه کنیم، می توان شیشه را جدا کرد. بنابراین، از نظر ترمودینامیک، حالت شیشه ناپایدار است، اما از نظر سینتیک، پایدار است. اگرچه تمایل به تبدیل گرمای خود آزاد به کریستال با انرژی داخلی کم دارد، اما احتمال تبدیل شدن به حالت کریستالی در دمای اتاق بسیار کم است، بنابراین شیشه در حالت ناپایدار است.

(3) بدون نقطه ذوب ثابت

تبدیل ماده شیشه ای از جامد به مایع در یک محدوده دمایی خاص (محدوده دمای تبدیل) انجام می شود که با ماده کریستالی متفاوت است و نقطه ذوب ثابتی ندارد. هنگامی که ماده ای از مذاب به جامد تبدیل می شود، اگر فرآیند تبلور باشد، فازهای جدیدی در سیستم تشکیل می شود و دمای تبلور، خواص و بسیاری از جنبه های دیگر به طور ناگهانی تغییر می کند.

با کاهش دما، ویسکوزیته مذاب افزایش می یابد و در نهایت شیشه جامد تشکیل می شود. فرآیند انجماد در یک محدوده دمایی گسترده تکمیل می شود و هیچ کریستال جدیدی تشکیل نمی شود. محدوده دمایی انتقال از مذاب به شیشه جامد به ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد که به طور کلی بین ده ها تا صدها درجه در نوسان است، بنابراین شیشه نقطه ذوب ثابتی ندارد، بلکه فقط یک محدوده دمایی نرم کننده دارد. در این محدوده شیشه به تدریج از ویسکوپلاستیک به ویسکوالاستیک تبدیل می شود. فرآیند تغییر تدریجی این خاصیت اساس شیشه با قابلیت پردازش خوب است.

(4) تداوم و برگشت پذیری تغییر مالکیت

فرآیند تغییر خاصیت مواد شیشه‌ای از حالت ذوب به حالت جامد پیوسته و برگشت‌پذیر است که در آن قسمتی از ناحیه دمایی پلاستیکی به نام ناحیه «تبدیل» یا «غیر طبیعی» وجود دارد که در آن خواص تغییرات خاصی دارند.

در مورد کریستالیزاسیون، خواص همانطور که در منحنی ABCD، t نشان داده شده است تغییر می کند. نقطه ذوب مواد است. هنگامی که شیشه با ابر خنک سازی تشکیل می شود، فرآیند همانطور که در منحنی abkfe نشان داده شده است تغییر می کند. T دمای انتقال شیشه است، t دمای نرم شدن شیشه است. برای شیشه اکسید، ویسکوزیته مربوط به این دو مقدار حدود 101pa · s و 1005p · s است.

تئوری ساختار شیشه شکسته

"ساختار شیشه ای" به پیکربندی هندسی یون ها یا اتم ها در فضا و ساختاری که آنها در شیشه تشکیل می دهند اشاره دارد. تحقیق در مورد ساختار شیشه ای تلاش های پر زحمت و خرد بسیاری از دانشمندان شیشه را محقق کرده است. اولین تلاش برای توضیح ماهیت شیشه، g. فرضیه مایع فوق سرد تامن که معتقد است شیشه مایع فوق سرد است، فرآیند انجماد شیشه از مذاب به جامد تنها یک فرآیند فیزیکی است، یعنی با کاهش دما، مولکول های شیشه به تدریج به دلیل کاهش انرژی جنبشی نزدیک می شوند. و نیروی فعل و انفعال به تدریج افزایش می یابد که باعث افزایش درجه شیشه و در نهایت تشکیل یک ماده جامد متراکم و نامنظم می شود. خیلی ها کارهای زیادی انجام داده اند. تاثیرگذارترین فرضیه های ساختار شیشه ای مدرن عبارتند از: نظریه محصول، نظریه شبکه تصادفی، نظریه ژل، نظریه تقارن پنج زاویه، نظریه پلیمر و غیره. در این میان بهترین تفسیر از شیشه، نظریه محصول و شبکه تصادفی است.

نظریه کریستال

راندل نظریه کریستالی ساختار شیشه را در سال 1930 مطرح کرد، زیرا الگوی تشعشع برخی شیشه‌ها شبیه کریستال‌های دارای ترکیب مشابه است. او فکر می کرد که شیشه از مواد میکروکریستالی و بی شکل تشکیل شده است. ریزمحصول دارای آرایش اتمی منظم و مرز آشکار با مواد آمورف است. اندازه میکرو محصول 1.0 ~ 1.5nm است و محتوای آن بیش از 80٪ است. جهت گیری ریز کریستالی به هم ریخته است. لبدف در مطالعه بازپخت شیشه نوری سیلیکات دریافت که یک تغییر ناگهانی در منحنی ضریب شکست شیشه با دمای 520 درجه سانتیگراد وجود دارد. او این پدیده را به عنوان تغییر همگن کوارتز "ریز بلوری" در شیشه در دمای 520 درجه سانتیگراد توضیح داد. لبدف معتقد بود که شیشه از "کریستال های" متعددی تشکیل شده است که با میکروکریستال متفاوت است، انتقال از "کریستال" به منطقه بی شکل گام به گام کامل می شود و هیچ مرز آشکاری بین آنها وجود ندارد.