Struktura stakla
Fizikalno-kemijska svojstva stakla nisu određena samo njegovim kemijskim sastavom, već su usko povezana i s njegovom strukturom. Samo razumijevanjem unutarnjeg odnosa između strukture, sastava, strukture i performansi stakla, moguće je izraditi staklene materijale ili proizvode s unaprijed određenim fizikalno-kemijskim svojstvima promjenom kemijskog sastava, toplinske povijesti ili korištenjem nekih fizikalnih i kemijskih metoda obrade.
Karakteristike stakla
Staklo je ogranak amorfnog krutog materijala, koji je amorfni materijal s čvrstim mehaničkim svojstvima. Često se naziva "prehlađena tekućina". U prirodi postoje dva stanja čvrste tvari: dobro stanje i loše stanje. Takozvano neproduktivno stanje je stanje čvrste tvari dobiveno različitim metodama i karakterizirano strukturnim poremećajem. Staklasto stanje je vrsta nestandardne čvrste tvari. Atomi u staklu nemaju dalekosežni uređeni raspored u prostoru kao kristal, ali su slični tekućini i imaju kratkodometni uređeni raspored. Staklo može zadržati određeni oblik kao krutina, ali ne kao tekućina koja teče pod vlastitom težinom. Staklaste tvari imaju sljedeće glavne karakteristike.
(1) Raspored čestica izotropnog staklastog materijala je nepravilan i statistički ujednačen. Stoga, kada u staklu nema unutarnjeg naprezanja, njegova fizikalna i kemijska svojstva (kao što su tvrdoća, modul elastičnosti, koeficijent toplinskog rastezanja, toplinska vodljivost, indeks loma, vodljivost itd.) jednaka su u svim smjerovima. Međutim, kada postoji stres u staklu, strukturna uniformnost će biti uništena, a staklo će pokazati anizotropiju, kao što je očita razlika u optičkom putu.
(2) Metastabilnost
Razlog zašto je staklo u metastabilnom stanju je taj što se staklo dobiva brzim hlađenjem taline. Zbog naglog porasta viskoznosti tijekom procesa hlađenja, čestice nemaju vremena formirati pravilan raspored kristala, a unutarnja energija sustava nije na najnižoj vrijednosti, već je u metastabilnom stanju; Međutim, iako je staklo u višem energetskom stanju, ono se ne može spontano pretvoriti u proizvod zbog svoje visoke viskoznosti na sobnoj temperaturi; Samo pod određenim vanjskim uvjetima, to jest, moramo prevladati potencijalnu barijeru materijala iz staklastog stanja u kristalno stanje, staklo se može odvojiti. Dakle, sa stajališta termodinamike stakleno stanje je nestabilno, ali s gledišta kinetike ono je stabilno. Iako ima tendenciju samooslobađanja topline pretvarajući se u kristal s niskom unutarnjom energijom, vjerojatnost transformacije u kristalno stanje je vrlo mala na sobnoj temperaturi, tako da je staklo u metastabilnom stanju.
(3) Nema fiksne točke tališta
Transformacija staklaste tvari iz krutine u tekućinu odvija se u određenom temperaturnom rasponu (temperaturni raspon transformacije), koji se razlikuje od kristalne tvari i nema fiksno talište. Kada se tvar transformira iz taline u krutinu, ako se radi o procesu kristalizacije, u sustavu će se formirati nove faze, a temperatura kristalizacije, svojstva i mnogi drugi aspekti će se naglo promijeniti
Kako se temperatura smanjuje, viskoznost taline se povećava i na kraju nastaje čvrsto staklo. Proces skrućivanja se dovršava u širokom temperaturnom rasponu i ne stvaraju se novi kristali. Temperaturni raspon prijelaza iz taline u čvrsto staklo ovisi o kemijskom sastavu stakla, koji općenito varira u desecima do stotinama stupnjeva, tako da staklo nema fiksno talište, već samo raspon temperature omekšavanja. U tom rasponu staklo postupno prelazi iz viskoplastičnog u viskoelastično. Postupni proces promjene ovog svojstva temelj je stakla dobre obradivosti.
(4) Kontinuitet i reverzibilnost promjene svojstva
Proces promjene svojstava staklastog materijala iz stanja taljenja u kruto stanje je kontinuiran i reverzibilan, u kojem postoji dio temperaturnog područja koji je plastičan, nazvan "transformacija" ili "abnormalno" područje, u kojem svojstva imaju posebne promjene.
Kod kristalizacije mijenjaju se svojstva kako je prikazano na krivulji ABCD, t. To je talište materijala. Kada se staklo formira superhlađenjem, proces se mijenja kao što je prikazano na abkfe krivulji. T je temperatura staklastog prijelaza, t je temperatura omekšavanja stakla. Za oksidno staklo, viskoznost koja odgovara ovim dvjema vrijednostima je oko 101pa·s i 1005p·s.
Teorija strukture slomljenog stakla
"Staklena struktura" odnosi se na geometrijsku konfiguraciju iona ili atoma u prostoru i strukture koje oni tvore u staklu. Istraživanje strukture stakla materijaliziralo je mukotrpne napore i mudrost mnogih znanstvenika o staklu. Prvi pokušaj da se objasni bit stakla je g. tammanova hipoteza o prehlađenoj tekućini, koja smatra da je staklo prehlađena tekućina, proces skrućivanja stakla iz taline u krutinu samo je fizički proces, odnosno s padom temperature molekule stakla postupno se približavaju zbog smanjenja kinetičke energije , a sila interakcije postupno raste, što dovodi do povećanja stupnja stakla, i konačno formiranja guste i nepravilne čvrste tvari. Mnogi su ljudi obavili mnogo posla. Najutjecajnije hipoteze moderne strukture stakla su: teorija proizvoda, teorija slučajnih mreža, teorija gela, teorija petokutne simetrije, teorija polimera i tako dalje. Među njima, najbolja interpretacija stakla je teorija proizvoda i slučajne mreže.
Kristalna teorija
Randell je 1930. iznio kristalnu teoriju strukture stakla, jer je uzorak zračenja nekih stakala sličan onom kod kristala istog sastava. Smatrao je da se staklo sastoji od mikrokristalnog i amorfnog materijala. Mikroprodukt ima pravilan raspored atoma i očitu granicu s amorfnim materijalom. Veličina mikroproizvoda je 1,0 ~ 1,5 nm, a njegov sadržaj čini više od 80%. Orijentacija mikrokristalnog je poremećena. Proučavajući žarenje silikatnog optičkog stakla, Lebedev je otkrio da je došlo do nagle promjene u krivulji indeksa loma stakla s temperaturom od 520 ℃. Objasnio je ovaj fenomen kao homogenu promjenu "mikrokristalnog" kvarca u staklu na 520 ℃. Lebedev je vjerovao da se staklo sastoji od brojnih "kristala", koji se razlikuju od mikrokristalnih, prijelaz iz "kristala" u amorfno područje dovršava se korak po korak, i ne postoji očita granica između njih.
Vrijeme objave: 31. svibnja 2021