Connaissance de base du verre

La structure du verre

Les propriétés physicochimiques du verre ne sont pas seulement déterminées par sa composition chimique, mais aussi étroitement liées à sa structure. Ce n'est qu'en comprenant la relation interne entre la structure, la composition, la structure et les performances du verre qu'il sera possible de fabriquer des matériaux ou des produits en verre dotés de propriétés physico-chimiques prédéterminées en modifiant la composition chimique, l'historique thermique ou en utilisant certaines méthodes de traitement physique et chimique.

Caractéristiques du verre

Le verre est une branche du solide amorphe, qui est un matériau amorphe doté de propriétés mécaniques solides. On l’appelle souvent « liquide surfondu ». Dans la nature, il existe deux états de la matière solide : le bon état et le non bon état. L'état dit non productif est l'état de la matière solide obtenu par différentes méthodes et caractérisé par un désordre structurel. L’état vitreux est une sorte de solide non standard. Les atomes du verre n'ont pas de disposition ordonnée à longue portée dans l'espace comme le cristal, mais ils sont similaires au liquide et ont une disposition ordonnée à courte portée. Le verre peut conserver une certaine forme comme un solide, mais pas comme un liquide s’écoulant sous son propre poids. Les substances vitreuses présentent les principales caractéristiques suivantes.

(1) La disposition des particules de matériau vitreux isotrope est irrégulière et statistiquement uniforme. Ainsi, lorsqu’il n’y a pas de contrainte interne dans le verre, ses propriétés physiques et chimiques (telles que la dureté, le module élastique, le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique, l’indice de réfraction, la conductivité, etc.) sont les mêmes dans toutes les directions. Cependant, lorsqu'il y a une contrainte dans le verre, l'uniformité structurelle sera détruite et le verre présentera une anisotropie, telle qu'une différence de chemin optique évidente.

(2) Métastabilité

La raison pour laquelle le verre est dans un état métastable est que le verre est obtenu par refroidissement rapide de la masse fondue. En raison de la forte augmentation de la viscosité pendant le processus de refroidissement, les particules n'ont pas le temps de former un arrangement régulier de cristaux et l'énergie interne du système n'est pas à la valeur la plus basse, mais dans un état métastable ; Cependant, bien que le verre soit dans un état énergétique plus élevé, il ne peut pas se transformer spontanément en produit en raison de sa viscosité élevée à température ambiante ; Ce n'est que dans certaines conditions extérieures, c'est-à-dire lorsque nous devons surmonter la barrière potentielle du matériau de l'état vitreux à l'état cristallin, que le verre peut être séparé. Par conséquent, du point de vue de la thermodynamique, l’état du verre est instable, mais du point de vue de la cinétique, il est stable. Bien qu'il ait tendance à libérer de la chaleur et à se transformer en cristal avec une faible énergie interne, la probabilité de se transformer en état cristallin est très faible à température ambiante, le verre est donc dans un état métastable.

(3) Pas de point de fusion fixe

La transformation d'une substance vitreuse de solide en liquide s'effectue dans une certaine plage de température (plage de température de transformation), qui est différente de la substance cristalline et n'a pas de point de fusion fixe. Lorsqu'une substance passe de l'état fondu à l'état solide, s'il s'agit d'un processus de cristallisation, de nouvelles phases se formeront dans le système et la température de cristallisation, les propriétés et de nombreux autres aspects changeront brusquement.

À mesure que la température diminue, la viscosité de la masse fondue augmente et finalement le verre solide se forme. Le processus de solidification s’effectue dans une large plage de températures et aucun nouveau cristal ne se forme. La plage de température de transition du verre fondu au verre solide dépend de la composition chimique du verre, qui fluctue généralement de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de degrés, de sorte que le verre n'a pas de point de fusion fixe, mais seulement une plage de température de ramollissement. Dans cette gamme, le verre passe progressivement de viscoplastique à viscoélastique. Le processus de changement progressif de cette propriété constitue la base d’un verre doté d’une bonne aptitude au traitement.

(4) Continuité et réversibilité du changement de propriété

Le processus de changement de propriété d'un matériau vitreux de l'état de fusion à l'état solide est continu et réversible, dans lequel il existe une section de région de température qui est plastique, appelée région de « transformation » ou « anormale », dans laquelle les propriétés présentent des changements particuliers.

Dans le cas de la cristallisation, les propriétés changent comme le montre la courbe ABCD, t. C'est le point de fusion du matériau. Lorsque le verre est formé par surfusion, le processus change comme le montre la courbe abkfe. T est la température de transition vitreuse, t est la température de ramollissement du verre. Pour le verre oxyde, la viscosité correspondant à ces deux valeurs est d'environ 101pa.s et 1005p.s.

Théorie de la structure du verre brisé

La « structure du verre » fait référence à la configuration géométrique des ions ou des atomes dans l’espace et à la structure qu’ils forment dans le verre. La recherche sur la structure du verre a matérialisé les efforts minutieux et la sagesse de nombreux scientifiques du verre. La première tentative pour expliquer l'essence du verre est g. l'hypothèse du liquide surfondu de Tamman, selon laquelle le verre est un liquide surfondu. Le processus de solidification du verre de la fusion au solide n'est qu'un processus physique, c'est-à-dire qu'avec la diminution de la température, les molécules de verre se rapprochent progressivement en raison de la diminution de l'énergie cinétique. , et la force d'interaction augmente progressivement, ce qui fait augmenter le degré de verre et forme finalement une substance solide dense et irrégulière. Beaucoup de gens ont fait beaucoup de travail. Les hypothèses les plus influentes de la structure du verre moderne sont : la théorie des produits, la théorie des réseaux aléatoires, la théorie des gels, la théorie de la symétrie à cinq angles, la théorie des polymères, etc. Parmi elles, la meilleure interprétation du verre est la théorie du produit et du réseau aléatoire.

Théorie du cristal

Randell J'ai avancé la théorie cristalline de la structure du verre en 1930, car le diagramme de rayonnement de certains verres est similaire à celui des cristaux de même composition. Il pensait que le verre était composé de matériaux microcristallins et amorphes. Le microproduit présente un arrangement atomique régulier et une frontière évidente avec le matériau amorphe. La taille du microproduit est de 1,0 à 1,5 nm et son contenu représente plus de 80 %. L'orientation des microcristallins est désordonnée. En étudiant le recuit du verre optique silicaté, Lebedev a découvert qu'il y avait un changement soudain dans la courbe de l'indice de réfraction du verre avec une température de 520 ℃. Il a expliqué ce phénomène comme le changement homogène du quartz « microcristallin » dans le verre à 520 ℃. Lebedev croyait que le verre est composé de nombreux « cristaux », différents des microcristallins. La transition du « cristal » à la région amorphe s'effectue étape par étape et il n'y a pas de frontière évidente entre eux.