Coñecementos básicos de vidro

A estrutura do vidro

As propiedades fisicoquímicas do vidro non só están determinadas pola súa composición química, senón que tamén están estreitamente relacionadas coa súa estrutura. Só entendendo a relación interna entre a estrutura, a composición, a estrutura e o rendemento do vidro, pode ser posible fabricar materiais ou produtos de vidro con propiedades fisicoquímicas predeterminadas cambiando a composición química, a historia térmica ou utilizando algúns métodos de tratamento físico e químico.

Características do vidro

O vidro é unha rama do sólido amorfo, que é un material amorfo con propiedades mecánicas sólidas. A miúdo chámase "líquido superenfriado". Na natureza, hai dous estados da materia sólida: bo estado e non bo estado. O chamado estado non produtivo é o estado da materia sólida obtido por diferentes métodos e caracterizado pola desorde estrutural. O estado vítreo é unha especie de sólido non estándar. Os átomos do vidro non teñen unha disposición ordenada a longo alcance no espazo como o cristal, pero son similares aos líquidos e teñen unha disposición ordenada a curto alcance. O vidro pode manter unha determinada forma como un sólido, pero non como un líquido que flúe polo seu propio peso. As substancias vítreas teñen as seguintes características principais.

(1) A disposición das partículas de material vítreo isótropo é irregular e estatisticamente uniforme. Polo tanto, cando non hai tensión interna no vidro, as súas propiedades físicas e químicas (como dureza, módulo elástico, coeficiente de expansión térmica, condutividade térmica, índice de refracción, condutividade, etc.) son as mesmas en todas as direccións. Non obstante, cando hai tensión no vidro, a uniformidade estrutural será destruída e o vidro mostrará anisotropía, como unha diferenza obvia do camiño óptico.

(2) Metaestabilidade

A razón pola que o vidro está en estado metaestable é que o vidro se obtén por arrefriamento rápido da masa fundida. Debido ao forte aumento da viscosidade durante o proceso de arrefriamento, as partículas non teñen tempo para formar unha disposición regular dos cristais e a enerxía interna do sistema non está no valor máis baixo, senón en estado metaestable; Non obstante, aínda que o vidro está nun estado de maior enerxía, non pode transformarse espontáneamente no produto debido á súa alta viscosidade a temperatura ambiente; Só en determinadas condicións externas, é dicir, debemos superar a barreira potencial do material do estado vítreo ao estado cristalino, o vidro pode ser separado. Polo tanto, desde o punto de vista da termodinámica, o estado do vidro é inestable, pero desde o punto de vista da cinética, é estable. Aínda que ten a tendencia de que a calor liberadora se transforme en cristal con baixa enerxía interna, a probabilidade de transformarse en cristal é moi pequena a temperatura ambiente, polo que o vidro está en estado metaestable.

(3) Sen punto de fusión fixo

A transformación da substancia vítrea de sólido a líquido realízase nun determinado intervalo de temperatura (rango de temperatura de transformación), que é diferente da substancia cristalina e non ten un punto de fusión fixo. Cando unha substancia se transforma de fundido a sólido, se é un proceso de cristalización, formaranse novas fases no sistema e a temperatura de cristalización, as propiedades e moitos outros aspectos cambiarán bruscamente.

A medida que diminúe a temperatura, a viscosidade do fundido aumenta e finalmente fórmase o vidro sólido. O proceso de solidificación complétase nun amplo intervalo de temperatura e non se forman novos cristais. O intervalo de temperatura de transición do vidro fundido ao sólido depende da composición química do vidro, que xeralmente oscila entre decenas e centos de graos, polo que o vidro non ten un punto de fusión fixo, senón só un intervalo de temperatura de reblandecemento. Neste rango, o vidro transfórmase gradualmente de viscoplástico a viscoelástico. O proceso de cambio gradual desta propiedade é a base do vidro cunha boa procesabilidade.

(4) Continuidade e reversibilidade do cambio de propiedade

O proceso de cambio de propiedades do material vítreo do estado de fusión ao estado sólido é continuo e reversible, no que hai unha sección da rexión de temperatura que é plástica, chamada rexión de "transformación" ou "anormal", na que as propiedades presentan cambios especiais.

No caso da cristalización, as propiedades cambian como se mostra na curva ABCD, t. É o punto de fusión do material. Cando o vidro se forma por superenfriamento, o proceso cambia como se mostra na curva abkfe. T é a temperatura de transición vítrea, t é a temperatura de reblandecemento do vidro. Para o vidro de óxido, a viscosidade correspondente a estes dous valores é de aproximadamente 101pa·s e 1005p·s.

Teoría da estrutura do vidro roto

"Estrutura de vidro" refírese á configuración xeométrica dos ións ou átomos no espazo e aos formadores de estruturas que forman no vidro. A investigación sobre a estrutura do vidro materializou os esforzos minuciosos e a sabedoría de moitos científicos do vidro. O primeiro intento de explicar a esencia do vidro é g. hipótese do líquido superenfriado de Tamman, que sostén que o vidro é un líquido superenfriado, O proceso de solidificación do vidro de fusión a sólido é só un proceso físico, é dicir, coa diminución da temperatura, as moléculas de vidro achéganse gradualmente debido á diminución da enerxía cinética. , e a forza de interacción aumenta gradualmente, o que fai que o grao de vidro aumente e, finalmente, forme unha substancia sólida densa e irregular. Moita xente fixo moito traballo. As hipóteses máis influentes da estrutura do vidro moderno son: teoría do produto, teoría de redes aleatorias, teoría de xeles, teoría da simetría de cinco ángulos, teoría de polímeros, etc. Entre eles, a mellor interpretación do vidro é a teoría do produto e da rede aleatoria.

Teoría do cristal

Randell presentou a teoría cristalina da estrutura do vidro en 1930, porque o patrón de radiación dalgúns lentes é semellante ao dos cristais da mesma composición. Pensaba que o vidro está composto de material microcristalino e amorfo. O microproduto ten unha disposición atómica regular e un límite obvio co material amorfo. O tamaño do microproduto é de 1,0 ~ 1,5 nm e o seu contido representa máis do 80%. A orientación do microcristalino está desordenada. Ao estudar o recocido do vidro óptico de silicato, Lebedev descubriu que houbo un cambio repentino na curva do índice de refracción do vidro cunha temperatura de 520 ℃. Explicou este fenómeno como o cambio homoxéneo do cuarzo "microcristalino" no vidro a 520 ℃. Lebedev cría que o vidro está composto por numerosos "cristais", que son diferentes dos microcristalinos. A transición do "cristal" á rexión amorfa complétase paso a paso e non hai límites evidentes entre eles.