Üveg alapismeretek

Az üveg szerkezete

Az üveg fizikai-kémiai tulajdonságait nemcsak kémiai összetétele határozza meg, hanem szorosan összefügg a szerkezetével is. Csak az üveg szerkezete, összetétele, szerkezete és teljesítménye közötti belső összefüggések megértésével lehetséges előre meghatározott fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkező üveganyagok vagy termékek előállítása a kémiai összetétel, a hőtörténet megváltoztatásával vagy valamilyen fizikai és kémiai kezelési módszer alkalmazásával.

Az üveg jellemzői

Az üveg az amorf szilárd anyag ága, amely szilárd mechanikai tulajdonságokkal rendelkező amorf anyag. Gyakran „túlhűtött folyadéknak” nevezik. A természetben a szilárd anyagnak két halmazállapota van: jó állapotú és nem jó állapotú. Az úgynevezett nonproduktív állapot a szilárd anyag különböző módszerekkel nyert állapota, amelyet szerkezeti rendezetlenség jellemez. Az üveges állapot egyfajta nem szabványos szilárd anyag. Az üveg atomjainak nincs nagy hatótávolságú rendezett elrendezése a térben, mint a kristály, hanem hasonlóak a folyadékhoz, és rövid hatótávolságú rendezett elrendezésűek. Az üveg képes megtartani egy bizonyos formát, mint egy szilárd, de nem úgy, mint a saját súlya alatt folyó folyadék. Az üveges anyagok a következő fő jellemzőkkel rendelkeznek.

(1) Az izotróp üvegszerű anyag részecskéinek elrendezése szabálytalan és statisztikailag egyenletes. Ezért, ha az üvegben nincs belső feszültség, fizikai és kémiai tulajdonságai (például keménység, rugalmassági modulus, hőtágulási együttható, hővezető képesség, törésmutató, vezetőképesség stb.) minden irányban azonosak. Ha azonban feszültség van az üvegben, a szerkezeti egyenletesség megsemmisül, és az üveg anizotrópiát mutat, például nyilvánvaló optikai útkülönbséget.

(2) Metastabilitás

Az üveg metastabil állapotának oka az, hogy az üveget az olvadék gyors lehűtésével nyerik. A hűtési folyamat során a viszkozitás meredek növekedése miatt a részecskéknek nincs idejük a kristályok szabályos elrendeződésére, és a rendszer belső energiája nem a legalacsonyabb, hanem metastabil állapotban van; Bár az üveg magasabb energiaállapotú, szobahőmérsékleten magas viszkozitása miatt nem tud spontán átalakulni termékké; Csak bizonyos külső feltételek mellett, vagyis az üveges állapotból a kristályos állapotba vezető anyag potenciálgátát kell legyőznünk, az üveg szétválasztható. Ezért termodinamikai szempontból az üveg állapota instabil, kinetikai szempontból viszont stabil. Bár hajlamos arra, hogy az üveg önleadó hőt alacsony belső energiájú kristályokká alakuljon át, szobahőmérsékleten nagyon kicsi a valószínűsége, hogy kristályos állapotba kerül, így az üveg metastabil állapotban van.

(3) Nincs rögzített olvadáspont

Az üveges anyag szilárdból folyékonyvá történő átalakulása egy bizonyos hőmérsékleti tartományban (transzformációs hőmérséklet-tartomány) megy végbe, amely különbözik a kristályos anyagtól, és nincs rögzített olvadáspontja. Amikor egy anyag olvadékból szilárddá alakul, ha kristályosodási folyamatról van szó, akkor a rendszerben új fázisok képződnek, és a kristályosodási hőmérséklet, tulajdonságai és sok más szempont hirtelen megváltozik.

A hőmérséklet csökkenésével az olvadék viszkozitása nő, végül szilárd üveg keletkezik. A megszilárdulási folyamat széles hőmérséklet-tartományban fejeződik be, és nem képződnek új kristályok. Az olvadékból szilárd üvegbe való átmenet hőmérsékleti tartománya az üveg kémiai összetételétől függ, amely általában több tíz-száz fokos ingadozik, így az üvegnek nincs rögzített olvadáspontja, csak lágyulási hőmérséklet-tartománya van. Ebben a tartományban az üveg fokozatosan viszkoplasztikusból viszkoelasztikussá válik. Ennek a tulajdonságnak a fokozatos változási folyamata a jó feldolgozhatóságú üveg alapja.

(4) A tulajdonváltozás folytonossága és visszafordíthatósága

Az üveges anyag olvadáspontból szilárd állapotba történő tulajdonságváltozási folyamata folyamatos és reverzibilis, amelyben a hőmérsékleti tartománynak van egy plasztikus, úgynevezett „transzformációs” vagy „abnormális” szakasza, amelyben a tulajdonságok különleges változást mutatnak.

Kristályosodás esetén a tulajdonságok az ABCD, t görbén látható módon változnak. Ez az anyag olvadáspontja. Ha az üveg túlhűtéssel jön létre, a folyamat az abkfe görbén látható módon megváltozik. T az üvegesedési hőmérséklet, t az üveg lágyulási hőmérséklete. Oxidüveg esetén az e két értéknek megfelelő viszkozitás körülbelül 101pa · s és 1005p · s.

Törött üveg szerkezetelmélete

Az „üvegszerkezet” az ionok vagy atomok térbeli geometriai konfigurációjára, valamint az általuk az üvegben kialakított szerkezetképzőkre utal. Az üvegszerkezettel kapcsolatos kutatások sok üvegtudós fáradságos erőfeszítéseit és bölcsességét valósította meg. Az első kísérlet az üveg lényegének magyarázatára a g. tamman túlhűtött folyadék hipotézise, ​​amely szerint az üveg túlhűtött folyadék , és a kölcsönhatási erő fokozatosan növekszik, ami növeli az üveg mértékét, és végül sűrű és szabálytalan szilárd anyagot képez. Sokan sok munkát végeztek. A modern üvegszerkezet legbefolyásosabb hipotézisei a következők: termékelmélet, véletlenszerű hálózatelmélet, gélelmélet, ötszög szimmetria elmélet, polimer elmélet és így tovább. Közülük az üveg legjobb értelmezése a termék és a véletlenszerű hálózat elmélete.

Kristályelmélet

Randell 1930-ban terjesztette elő az üvegszerkezet kristályelméletét, mivel egyes üvegek sugárzási mintázata hasonló az azonos összetételű kristályokéhoz. Úgy gondolta, hogy az üveg mikrokristályos és amorf anyagból áll. A mikrotermék szabályos atomi elrendezésű és nyilvánvaló határvonala az amorf anyaggal. A mikrotermék mérete 1,0 ~ 1,5 nm, tartalma pedig több mint 80%-ot tesz ki. A mikrokristályok orientációja rendezetlen. A szilikát optikai üveg lágyításának tanulmányozása során Lebegyev azt találta, hogy az üveg törésmutatójának görbéje hirtelen megváltozott 520 ℃ hőmérséklet mellett. Ezt a jelenséget a kvarc „mikrokristályos” homogén változásával magyarázta az üvegben 520 ℃-on. Lebegyev úgy vélte, hogy az üveg számos „kristályból” áll, amelyek különböznek a mikrokristályostól. A „kristályból” az amorf régióba lépésről lépésre történik az átmenet, és nincs egyértelmű határ köztük.