ガラスの基礎知識

ガラスの構造

ガラスの物理化学的特性は、その化学組成によって決まるだけでなく、その構造とも密接に関係しています。ガラスの構造、組成、構造、性能の内部関係を理解することによってのみ、化学組成や熱履歴を変更したり、物理的および化学的処理方法を使用したりすることにより、所定の物理化学的特性を備えたガラス材料や製品を製造することができます。

ガラスの特徴

ガラスはアモルファス固体の一種であり、固体の機械的特性を備えたアモルファス材料です。 「過冷却液体」と呼ばれることが多いです。自然界では、固体物質には良好な状態と良好でない状態の 2 つの状態があります。いわゆる非生産的な状態は、さまざまな方法で得られ、構造的無秩序を特徴とする固体物質の状態です。ガラス状態は、一種の非標準固体です。ガラス中の原子は、結晶のように空間内で長距離の規則的な配列を持っていませんが、液体と同様に短距離の規則的な配列を持っています。ガラスは固体のように特定の形状を維持できますが、自重で流れる液体とは異なります。ガラス状物質には次のような主な特徴があります。

(1) 等方性ガラス状物質の粒子の配置は不規則であり、統計的には均一である。したがって、ガラスに内部応力が存在しない場合、ガラスの物理的および化学的特性（硬度、弾性率、熱膨張係数、熱伝導率、屈折率、導電率など）はどの方向でも同じになります。しかし、ガラスに応力がかかると構造の均一性が崩れ、明らかな光路差が現れるなどの異方性が現れます。

(2) 準安定性

ガラスが準安定状態にある理由は、ガラスが溶融物を急速に冷却することによって得られるためです。冷却プロセス中の粘度の急激な増加により、粒子は結晶の規則的な配列を形成する時間がなくなり、系の内部エネルギーは最低値ではなく準安定状態になります。ただし、ガラスはより高いエネルギー状態にありますが、室温では粘度が高いため、自然に製品に変化することはできません。特定の外部条件下でのみ、つまり、ガラス状態から結晶状態への材料の潜在的な障壁を克服する必要がある場合にのみ、ガラスを分離することができます。したがって、熱力学の観点からはガラスの状態は不安定ですが、反応速度論の観点からは安定です。低い内部エネルギーで自己放熱して結晶状態に変化する傾向がありますが、室温では結晶状態に変化する確率は非常に小さいため、ガラスは準安定状態にあります。

(3) 融点が固定されていない

ガラス状物質の固体から液体への変態は、結晶物質とは異なり一定の温度範囲（変態温度範囲）で起こり、一定の融点がありません。物質が融液から固体に変化するとき、それが結晶化プロセスであれば、系内に新しい相が形成され、結晶化温度や性質などが急激に変化します。

温度が低下すると、溶融物の粘度が増加し、最終的に固体のガラスが形成されます。凝固プロセスは広い温度範囲で完了し、新たな結晶は形成されません。溶融ガラスから固体ガラスへの転移温度範囲はガラスの化学組成に依存し、一般に数十度から数百度で変動するため、ガラスには固定された融点はなく、軟化温度範囲のみがあります。この範囲では、ガラスは粘塑性から粘弾性へと徐々に変化します。この性質が徐々に変化していく過程が、加工性の良いガラスの基本となります。

(4) 性質変化の継続性と可逆性

ガラス質材料の溶融状態から固体状態への性質変化プロセスは連続的かつ可逆的であり、その中には「変態」または「異常」領域と呼ばれる、塑性となる温度領域があり、この領域では性質が特別に変化します。

結晶化の場合、曲線ABCD、tのように性質が変化します。材料の融点です。ガラスが過冷却によって形成される場合、その過程は abkfe 曲線のように変化します。 T はガラス転移温度、t はガラスの軟化温度です。酸化物ガラスの場合、これら 2 つの値に対応する粘度は約 101pa・s と 1005p・s です。

割れたガラスの構造理論

「ガラス構造」とは、空間内のイオンまたは原子の幾何学的配置、およびそれらがガラス内に形成する構造形成体を指します。ガラスの構造に関する研究は、多くのガラス科学者の骨の折れる努力と知恵の結晶です。ガラスの本質を説明する最初の試みは g です。タンマンの過冷却液体仮説は、ガラスが過冷却液体であると主張します。ガラスが溶融物から固体に固化するプロセスは単なる物理的プロセスです。つまり、温度の低下に伴い、運動エネルギーの減少によりガラスの分子が徐々に接近します。 、相互作用力が徐々に増加してガラスの度合いが増加し、最終的には緻密で不規則な固体物質を形成します。多くの人が多くの仕事をしてきました。現代のガラス構造に関する最も影響力のある仮説は、積理論、ランダムネットワーク理論、ゲル理論、五角対称理論、ポリマー理論などです。その中で、ガラスの最も優れた解釈は、積理論とランダムネットワーク理論です。

結晶理論

ランデル l は、一部のガラスの放射パターンが同じ組成の結晶の放射パターンと類似しているため、1930 年にガラス構造の結晶理論を提唱しました。彼は、ガラスは微結晶材料と非晶質材料で構成されていると考えました。微細生成物は規則的な原子配列を持ち、非晶質物質との明確な境界を持っています。微細な製品サイズは1.0～1.5nmで、その含有率は80％以上を占めます。微結晶の配向が乱れている。レベデフ氏は、ケイ酸塩光学ガラスのアニーリングを研究する中で、520℃の温度でガラスの屈折率曲線に突然変化があることを発見しました。彼はこの現象を、520℃におけるガラス中の石英「微結晶」の均一な変化として説明しました。レベデフは、ガラスは微結晶とは異なる多数の「結晶」で構成されており、「結晶」から非晶質領域への移行は段階的に完了し、それらの間に明確な境界はないと考えました。