ידע בסיסי בזכוכית

מבנה הזכוכית

התכונות הפיזיקליות-כימיות של זכוכית לא נקבעות רק על ידי ההרכב הכימי שלה, אלא גם קשורות קשר הדוק למבנה שלה. רק על ידי הבנת הקשר הפנימי בין המבנה, ההרכב, המבנה והביצועים של זכוכית, ניתן יהיה לייצר חומרי זכוכית או מוצרים בעלי תכונות פיזיקוכימיות קבועות מראש על ידי שינוי ההרכב הכימי, ההיסטוריה התרמית או שימוש בשיטות טיפול פיזיקליות וכימיות מסוימות.

מאפיינים של זכוכית

זכוכית היא ענף של מוצק אמורפי, שהוא חומר אמורפי בעל תכונות מכניות מוצקות. זה נקרא לעתים קרובות "נוזל מצונן-על". בטבע, ישנם שני מצבים של חומר מוצק: מצב טוב ומצב לא טוב. מה שנקרא מצב לא פרודוקטיבי הוא מצב החומר המוצק המתקבל בשיטות שונות ומאופיין באי-סדר מבני. מצב זכוכית הוא סוג של מוצק לא סטנדרטי. לאטומים בזכוכית אין סידור מסודר לטווח ארוך בחלל כמו גביש, אבל הם דומים לנוזל ויש להם סידור מסודר לטווח קצר. זכוכית יכולה לשמור על צורה מסוימת כמו מוצק, אבל לא כמו נוזל שזורם תחת משקלו. לחומרים זכוכיתיים יש את המאפיינים העיקריים הבאים.

(1) סידור החלקיקים של חומר זכוכית איזוטרופי אינו סדיר ואחיד סטטיסטית. לכן, כאשר אין לחץ פנימי בזכוכית, התכונות הפיזיקליות והכימיות שלה (כגון קשיות, מודול אלסטי, מקדם התפשטות תרמית, מוליכות תרמית, מקדם שבירה, מוליכות וכו') זהות לכל הכיוונים. עם זאת, כאשר יש לחץ בזכוכית, האחידות המבנית תיהרס, והזכוכית תראה אניזוטרופיה, כגון הבדל נתיב אופטי ברור.

(2) יציבות מטה

הסיבה לכך שהזכוכית במצב מט-יציבי היא שהזכוכית מתקבלת על ידי קירור מהיר של ההיתוך. בשל העלייה החדה של הצמיגות במהלך תהליך הקירור, לחלקיקים אין זמן ליצור סידור קבוע של גבישים, והאנרגיה הפנימית של המערכת אינה בערך הנמוך ביותר, אלא במצב metstable; עם זאת, למרות שהזכוכית נמצאת במצב אנרגיה גבוה יותר, היא לא יכולה להפוך באופן ספונטני למוצר בשל הצמיגות הגבוהה שלה בטמפרטורת החדר; רק בתנאים חיצוניים מסוימים, כלומר, עלינו להתגבר על המחסום הפוטנציאלי של חומר ממצב זגוגי למצב גבישי, ניתן להפריד את הזכוכית. לכן, מנקודת המבט של התרמודינמיקה, מצב הזכוכית אינו יציב, אך מנקודת המבט של הקינטיקה, הוא יציב. למרות שיש לו נטייה לשחרור עצמי של חום והופך לגבישים עם אנרגיה פנימית נמוכה, ההסתברות להפיכה למצב גביש קטנה מאוד בטמפרטורת החדר, ולכן הזכוכית במצב מט-יציבי.

(3) אין נקודת התכה קבועה

הפיכת חומר זגוגי ממוצק לנוזל מתבצעת בטווח טמפרטורות מסוים (טווח טמפרטורת טרנספורמציה), השונה מחומר גבישי ואין לו נקודת התכה קבועה. כאשר חומר הופך ממס למוצק, אם מדובר בתהליך התגבשות, ייווצרו שלבים חדשים במערכת, וטמפרטורת ההתגבשות, התכונות והיבטים רבים אחרים ישתנו בפתאומיות

ככל שהטמפרטורה יורדת, צמיגות ההיתוך עולה, ולבסוף נוצרת הזכוכית המוצקה. תהליך ההתמצקות מסתיים בטווח טמפרטורות רחב, ולא נוצרים גבישים חדשים. טווח הטמפרטורות של המעבר מזכוכית נמסה לזכוכית מוצקה תלוי בהרכב הכימי של הזכוכית, שבדרך כלל משתנה בעשרות עד מאות מעלות, ולכן לזכוכית אין נקודת התכה קבועה, אלא רק טווח טמפרטורות ריכוך. בטווח זה, זכוכית הופכת בהדרגה מוויסקופלסטי לויסקואלסטי. תהליך השינוי ההדרגתי של נכס זה הוא הבסיס של זכוכית עם יכולת עיבוד טובה.

(4) המשכיות והפיכות של שינוי רכוש

תהליך שינוי המאפיינים של חומר זגוגי ממצב נמס למצב מוצק הוא מתמשך והפיך, בו יש קטע של אזור טמפרטורה שהוא פלסטי, הנקרא אזור "טרנספורמציה" או "לא נורמלי", שבו לתכונות יש שינויים מיוחדים.

במקרה של התגבשות, התכונות משתנות כפי שמוצג בעקומה ABCD, t. זוהי נקודת ההתכה של החומר. כאשר הזכוכית נוצרת על ידי קירור-על, התהליך משתנה כפי שמוצג בעקומת האבקפא. T היא טמפרטורת מעבר הזכוכית, t היא טמפרטורת הריכוך של הזכוכית. עבור זכוכית תחמוצת, הצמיגות התואמת לשני הערכים הללו היא בערך 101pa · s ו-1005p · s.

תורת המבנה של זכוכית שבורה

"מבנה זכוכית" מתייחס לתצורה הגיאומטרית של יונים או אטומים בחלל ולמבנה המבנה שהם יוצרים בזכוכית. המחקר על מבנה הזכוכית מימש את המאמצים והחכמה המדוקדקים של מדעני זכוכית רבים. הניסיון הראשון להסביר את מהות הזכוכית הוא g. השערת הנוזל המקורר של טמן, הגורסת שזכוכית היא נוזל המקורר, תהליך התמצקות הזכוכית מהמסה למוצק הוא תהליך פיזיקלי בלבד, כלומר עם ירידת הטמפרטורה, מולקולות הזכוכית מתקרבות בהדרגה עקב הירידה באנרגיה הקינטית , וכוח האינטראקציה גדל בהדרגה, מה שגורם למידת הזכוכית לעלות, ולבסוף ליצור חומר מוצק צפוף ולא סדיר. אנשים רבים עשו עבודה רבה. ההשערות המשפיעות ביותר על מבנה הזכוכית המודרנית הן: תורת המוצר, תורת הרשת האקראית, תורת הג'ל, תורת הסימטריה של חמש זוויות, תורת הפולימרים וכן הלאה. ביניהם, הפרשנות הטובה ביותר לזכוכית היא תורת המוצר והרשת האקראית.

תורת הקריסטל

רנדל אני העלה את תיאוריית הגבישים של מבנה הזכוכית ב-1930, מכיוון שדפוס הקרינה של כמה כוסות דומה לזה של הגבישים מאותו הרכב. הוא חשב שזכוכית מורכבת מחומר מיקרו-גבישי ואמורפי. למיקרו-מוצר יש סידור אטומי קבוע וגבול ברור עם חומר אמורפי. גודל המיקרו-מוצר הוא 1.0 ~ 1.5 ננומטר, והתוכן שלו מהווה יותר מ-80%. האוריינטציה של microcrystalline היא לא מסודרת. במחקר חישול של זכוכית אופטית סיליקט, לבדב מצא כי חל שינוי פתאומי בעקומת מקדם השבירה של זכוכית עם טמפרטורה של 520 ℃. הוא הסביר את התופעה הזו כשינוי ההומוגני של קוורץ "מיקרו-גבישי" בזכוכית ב-520 ℃. לבדב האמין שזכוכית מורכבת ממספר רב של "גבישים", השונים ממיקרו-גבישים. המעבר מ"גביש" לאזור אמורפי הושלם צעד אחר צעד, ואין גבול ברור ביניהם.