Pagrindinės žinios apie stiklą

Stiklo struktūra

Stiklo fizikines ir chemines savybes lemia ne tik jo cheminė sudėtis, bet ir glaudžiai susijusios su jo struktūra. Tik supratus vidinį stiklo struktūros, sudėties, struktūros ir eksploatacinių savybių ryšį, galima pagaminti stiklo medžiagas ar gaminius, turinčius iš anksto nustatytas fizikines ir chemines savybes, keičiant cheminę sudėtį, šiluminę istoriją arba naudojant tam tikrus fizinio ir cheminio apdorojimo metodus.

Stiklo savybės

Stiklas yra amorfinės kietosios medžiagos šaka, kuri yra amorfinė medžiaga, turinti kietų mechaninių savybių. Jis dažnai vadinamas „peršaltu skysčiu“. Gamtoje yra dvi kietosios medžiagos būsenos: geros būsenos ir blogos. Vadinamoji neproduktyvi būsena yra kietos medžiagos būsena, gauta skirtingais metodais ir pasižyminti struktūriniu sutrikimu. Stiklinė būsena yra nestandartinė kieta medžiaga. Stiklo atomai neturi ilgo nuotolio išdėstyto išsidėstymo erdvėje, kaip kristalas, tačiau jie yra panašūs į skystį ir turi trumpo nuotolio išdėstytą išsidėstymą. Stiklas gali išlaikyti tam tikrą formą kaip kietas, bet ne kaip skystis, tekantis pagal savo svorį. Stiklinės medžiagos turi šias pagrindines savybes.

(1) Izotropinės stiklinės medžiagos dalelių išsidėstymas yra netaisyklingas ir statistiškai vienodas. Todėl, kai stikle nėra vidinio įtempimo, jo fizikinės ir cheminės savybės (pavyzdžiui, kietumas, tamprumo modulis, šiluminio plėtimosi koeficientas, šilumos laidumas, lūžio rodiklis, laidumas ir kt.) visomis kryptimis yra vienodos. Tačiau, kai stiklas yra įtemptas, struktūrinis vienodumas bus sunaikintas, o stiklas parodys anizotropiją, pavyzdžiui, akivaizdų optinio kelio skirtumą.

(2) Metastabilumas

Priežastis, kodėl stiklas yra metastabilios būklės, yra ta, kad stiklas gaunamas greitai aušinant lydalą. Dėl staigaus klampumo padidėjimo aušinimo proceso metu dalelės nespėja suformuoti reguliaraus kristalų išsidėstymo, o sistemos vidinė energija yra ne mažiausia, o metastabilios būsenos; Tačiau, nors stiklas yra didesnės energijos būsenos, jis negali savaime virsti gaminiu dėl didelio klampumo kambario temperatūroje; Tik esant tam tikroms išorinėms sąlygoms, ty turint įveikti potencialų medžiagos barjerą nuo stiklinės būsenos iki kristalinės būsenos, stiklas gali būti atskirtas. Todėl termodinamikos požiūriu stiklo būsena yra nestabili, bet kinetikos požiūriu – stabili. Nors jis turi tendenciją savaime atpalaiduoti šilumą, pavirsti į kristalą, kurio vidinė energija yra maža, tikimybė virsti kristaline būsena kambario temperatūroje yra labai maža, todėl stiklas yra metastabilios būsenos.

(3) Nėra nustatytos lydymosi temperatūros

Stiklinės medžiagos pavertimas iš kietos į skystą vyksta tam tikrame temperatūros diapazone (transformacijos temperatūros diapazone), kuris skiriasi nuo kristalinės medžiagos ir neturi fiksuotos lydymosi temperatūros. Kai medžiaga iš lydalo virsta kieta, jei tai yra kristalizacijos procesas, sistemoje susidarys naujos fazės, staigiai pasikeis kristalizacijos temperatūra, savybės ir daugelis kitų aspektų.

Temperatūrai mažėjant, lydalo klampumas didėja, galiausiai susidaro vientisas stiklas. Kietėjimo procesas baigiamas plačiame temperatūrų diapazone ir nesusidaro nauji kristalai. Perėjimo iš lydalo į kietą stiklą temperatūros diapazonas priklauso nuo stiklo cheminės sudėties, kuri paprastai svyruoja nuo dešimčių iki šimtų laipsnių, todėl stiklas neturi fiksuotos lydymosi temperatūros, o tik minkštėjimo temperatūros intervalą. Šiame diapazone stiklas palaipsniui virsta iš viskoplastinio į viskoelastinį. Laipsniškas šios savybės keitimo procesas yra gero apdirbamumo stiklo pagrindas.

(4) Nuosavybės pasikeitimo tęstinumas ir grįžtamumas

Stiklinės medžiagos savybių pasikeitimo procesas iš lydymosi būsenos į kietą būseną yra nuolatinis ir grįžtamasis, kuriame yra plastinės temperatūros srities dalis, vadinama „transformacija“ arba „nenormalia“ sritimi, kurioje savybės turi ypatingų pokyčių.

Kristalizacijos atveju savybės keičiasi taip, kaip parodyta kreivėje ABCD, t. Tai yra medžiagos lydymosi temperatūra. Kai stiklas susidaro peršaldant, procesas pasikeičia taip, kaip parodyta abkfe kreivėje. T – stiklėjimo temperatūra, t – stiklo minkštėjimo temperatūra. Oksidinio stiklo klampumas, atitinkantis šias dvi vertes, yra apie 101pa · s ir 1005p · s.

Stiklo duženų struktūros teorija

„Stiklo struktūra“ reiškia geometrinę jonų arba atomų konfigūraciją erdvėje ir struktūros formuotojus, kuriuos jie sudaro stikle. Stiklo struktūros tyrimai įkūnijo daugelio stiklo mokslininkų pastangas ir išmintį. Pirmasis bandymas paaiškinti stiklo esmę yra g. Tammano peršalusio skysčio hipotezė, kuri teigia, kad stiklas yra peršalęs skystis, Stiklo kietėjimo procesas iš lydalo į kietumą yra tik fizinis procesas, tai yra, mažėjant temperatūrai, stiklo molekulės palaipsniui artėja, nes mažėja kinetinė energija. , o sąveikos jėga palaipsniui didėja, todėl stiklo laipsnis didėja ir galiausiai susidaro tanki ir netaisyklinga kieta medžiaga. Daugelis žmonių padarė daug darbo. Įtakingiausios šiuolaikinės stiklo struktūros hipotezės yra: gaminio teorija, atsitiktinių tinklų teorija, gelio teorija, penkių kampų simetrijos teorija, polimerų teorija ir pan. Tarp jų geriausia stiklo interpretacija yra gaminio ir atsitiktinio tinklo teorija.

Kristalų teorija

Randell l 1930 metais iškėlė stiklo struktūros kristalų teoriją, nes kai kurių stiklų spinduliuotės modelis yra panašus į tos pačios sudėties kristalų. Jis manė, kad stiklas sudarytas iš mikrokristalinės ir amorfinės medžiagos. Mikroproduktas turi taisyklingą atomų išsidėstymą ir akivaizdžią ribą su amorfine medžiaga. Mikroprodukto dydis yra 1,0–1,5 nm, o jo kiekis sudaro daugiau nei 80%. Mikrokristalinės medžiagos orientacija yra sutrikusi. Tyrinėdamas silikatinio optinio stiklo atkaitinimą, Lebedevas nustatė, kad esant 520 ℃ temperatūrai stiklo lūžio rodiklio kreivė staigiai pasikeitė. Jis paaiškino šį reiškinį kaip homogeninį kvarco „mikrokristalinio“ pokytį stikle esant 520 ℃. Lebedevas manė, kad stiklas susideda iš daugybės „kristalų“, kurie skiriasi nuo mikrokristalinių. Perėjimas nuo „kristalų“ į amorfinę sritį vyksta žingsnis po žingsnio ir tarp jų nėra aiškios ribos.