काचेचे मूलभूत ज्ञान

काचेची रचना

काचेचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म केवळ त्याच्या रासायनिक रचनेवरूनच ठरत नाहीत, तर त्याच्या संरचनेशीही जवळून संबंधित आहेत. केवळ काचेची रचना, रचना, रचना आणि कार्यप्रदर्शन यांच्यातील अंतर्गत संबंध समजून घेऊन, रासायनिक रचना, थर्मल इतिहास बदलून किंवा काही भौतिक आणि रासायनिक उपचार पद्धती वापरून पूर्वनिर्धारित भौतिक-रासायनिक गुणधर्मांसह काचेचे साहित्य किंवा उत्पादने बनवणे शक्य आहे.

काचेची वैशिष्ट्ये

काच ही अनाकार घनाची एक शाखा आहे, जी घन यांत्रिक गुणधर्मांसह एक आकारहीन सामग्री आहे. याला अनेकदा "सुपर कूल्ड लिक्विड" म्हणतात. निसर्गात, घन पदार्थाच्या दोन अवस्था असतात: चांगली अवस्था आणि चांगली नसलेली अवस्था. तथाकथित नॉन-उत्पादक स्थिती ही वेगवेगळ्या पद्धतींनी मिळवलेली घन पदार्थाची अवस्था आहे आणि संरचनात्मक विकाराने वैशिष्ट्यीकृत आहे. काचेची अवस्था एक प्रकारची नॉन-स्टँडर्ड सॉलिड आहे. काचेच्या अणूंमध्ये स्फटिकाप्रमाणे अंतराळात दीर्घ-श्रेणी क्रमबद्ध व्यवस्था नसते, परंतु ते द्रवासारखे असतात आणि कमी-श्रेणी क्रमबद्ध व्यवस्था असतात. काच घन सारखा विशिष्ट आकार राखू शकतो, परंतु स्वतःच्या वजनाखाली वाहणाऱ्या द्रवासारखा नाही. काचेच्या पदार्थांमध्ये खालील मुख्य वैशिष्ट्ये आहेत.

(1) समस्थानिक काचेच्या पदार्थाच्या कणांची मांडणी अनियमित आणि सांख्यिकीयदृष्ट्या एकसमान असते. त्यामुळे, जेव्हा काचेमध्ये कोणताही अंतर्गत ताण नसतो तेव्हा त्याचे भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्म (जसे की कडकपणा, लवचिक मॉड्यूलस, थर्मल विस्तार गुणांक, थर्मल चालकता, अपवर्तक निर्देशांक, चालकता इ.) सर्व दिशांना समान असतात. तथापि, जेव्हा काचेमध्ये तणाव असेल तेव्हा संरचनात्मक एकरूपता नष्ट होईल आणि काच ऍनिसोट्रॉपी दर्शवेल, जसे की स्पष्ट ऑप्टिकल मार्ग फरक.

(२) मेटास्टेबिलिटी

काच मेटास्टेबल अवस्थेत असण्याचे कारण म्हणजे काच वितळण्याच्या जलद थंडीमुळे प्राप्त होते. कूलिंग प्रक्रियेदरम्यान चिकटपणाच्या तीव्र वाढीमुळे, कणांना क्रिस्टल्सची नियमित व्यवस्था तयार करण्यास वेळ मिळत नाही आणि सिस्टमची अंतर्गत ऊर्जा सर्वात कमी मूल्यावर नसते, परंतु मेटास्टेबल स्थितीत असते; तथापि, जरी काच उच्च उर्जेच्या अवस्थेत असला तरी, खोलीच्या तपमानावर उच्च चिकटपणामुळे ते उत्स्फूर्तपणे उत्पादनात बदलू शकत नाही; केवळ काही बाह्य परिस्थितींमध्ये, म्हणजे, आपण काचेच्या अवस्थेपासून क्रिस्टलीय अवस्थेपर्यंत सामग्रीच्या संभाव्य अडथळ्यावर मात केली पाहिजे, काचेला वेगळे केले जाऊ शकते. म्हणून, थर्मोडायनामिक्सच्या दृष्टिकोनातून, काचेची स्थिती अस्थिर आहे, परंतु गतिशास्त्राच्या दृष्टिकोनातून ती स्थिर आहे. कमी अंतर्गत ऊर्जेसह स्फटिकात स्वयं-रिलीझिंग उष्णता बदलण्याची प्रवृत्ती असली तरी, स्फटिक अवस्थेत रूपांतरित होण्याची शक्यता खोलीच्या तपमानावर फारच कमी असते, त्यामुळे काच मेटास्टेबल स्थितीत असते.

(३) निश्चित वितळण्याचा बिंदू नाही

काचेच्या पदार्थाचे घन ते द्रवपदार्थात परिवर्तन एका विशिष्ट तापमान श्रेणीमध्ये (परिवर्तन तापमान श्रेणी) केले जाते, जे स्फटिकासारखे पदार्थापेक्षा वेगळे असते आणि त्याला निश्चित वितळण्याचा बिंदू नसतो. जेव्हा एखाद्या पदार्थाचे वितळण्यापासून घनात रूपांतर होते, जर ती क्रिस्टलायझेशन प्रक्रिया असेल, तर प्रणालीमध्ये नवीन टप्पे तयार होतील आणि क्रिस्टलायझेशन तापमान, गुणधर्म आणि इतर अनेक पैलू अचानक बदलतील.

जसजसे तापमान कमी होते तसतसे वितळण्याची स्निग्धता वाढते आणि शेवटी घन काच तयार होतो. घनीकरण प्रक्रिया विस्तृत तापमान श्रेणीमध्ये पूर्ण होते आणि कोणतेही नवीन क्रिस्टल्स तयार होत नाहीत. वितळलेल्या काचेपासून घन काचेपर्यंत संक्रमणाची तापमान श्रेणी काचेच्या रासायनिक रचनेवर अवलंबून असते, जी सामान्यत: दहा ते शेकडो अंशांमध्ये चढ-उतार होते, त्यामुळे काचेचा वितळण्याचा कोणताही निश्चित बिंदू नसतो, परंतु फक्त मऊ तापमान श्रेणी असते. या श्रेणीमध्ये, काचेचे हळूहळू व्हिस्कोप्लास्टिकपासून व्हिस्कोइलास्टिकमध्ये रूपांतर होते. या मालमत्तेची हळूहळू बदलण्याची प्रक्रिया चांगल्या प्रक्रियाक्षमतेसह काचेचा आधार आहे.

(४) मालमत्ता बदलाची सातत्य आणि उलटता

वितळलेल्या अवस्थेपासून घन अवस्थेपर्यंत काचेच्या पदार्थाची गुणधर्म बदलण्याची प्रक्रिया सतत आणि उलट करता येण्यासारखी असते, ज्यामध्ये तापमान क्षेत्राचा एक विभाग असतो जो प्लास्टिक असतो, ज्याला "परिवर्तन" किंवा "असामान्य" क्षेत्र म्हणतात, ज्यामध्ये गुणधर्मांमध्ये विशेष बदल होतात.

क्रिस्टलायझेशनच्या बाबतीत, वक्र ABCD, t मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे गुणधर्म बदलतात. तो सामग्रीचा वितळणारा बिंदू आहे. जेव्हा सुपर कूलिंगद्वारे काच तयार होते, तेव्हा abkfe वक्र मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे प्रक्रिया बदलते. टी हे काचेचे संक्रमण तापमान आहे, टी हे काचेचे मऊ करणारे तापमान आहे. ऑक्साइड ग्लाससाठी, या दोन मूल्यांशी संबंधित चिकटपणा सुमारे 101pa · s आणि 1005p · s आहे.

तुटलेल्या काचेच्या संरचनेचा सिद्धांत

"काचेची रचना" म्हणजे अंतराळातील आयन किंवा अणूंचे भौमितिक कॉन्फिगरेशन आणि ते काचेमध्ये बनवलेल्या संरचनेचा संदर्भ देते. काचेच्या संरचनेवरील संशोधनाने अनेक काचेच्या शास्त्रज्ञांचे कष्टाळू प्रयत्न आणि शहाणपण साकार केले आहे. काचेचे सार समजावून सांगण्याचा पहिला प्रयत्न म्हणजे जी. तममनचे सुपरकूल्ड लिक्विड गृहितक, ज्यामध्ये असे मानले जाते की काच हे सुपरकूल्ड द्रव आहे, काच वितळण्यापासून घन बनण्याची प्रक्रिया ही केवळ एक भौतिक प्रक्रिया आहे, म्हणजेच तापमान कमी झाल्यामुळे, काचेचे रेणू गतीज ऊर्जा कमी झाल्यामुळे हळूहळू जवळ येतात. , आणि परस्परसंवाद शक्ती हळूहळू वाढते, ज्यामुळे काचेचे प्रमाण वाढते आणि शेवटी एक दाट आणि अनियमित घन पदार्थ तयार होतो. अनेकांनी खूप काम केले आहे. आधुनिक काचेच्या संरचनेची सर्वात प्रभावशाली गृहीतके आहेत: उत्पादन सिद्धांत, यादृच्छिक नेटवर्क सिद्धांत, जेल सिद्धांत, पाच कोन सममिती सिद्धांत, पॉलिमर सिद्धांत आणि असेच. त्यापैकी, काचेची सर्वोत्तम व्याख्या म्हणजे उत्पादन आणि यादृच्छिक नेटवर्कचा सिद्धांत.

क्रिस्टल सिद्धांत

Randell l ने 1930 मध्ये काचेच्या संरचनेचा क्रिस्टल सिद्धांत मांडला, कारण काही चष्म्यांचा रेडिएशन पॅटर्न त्याच रचनेच्या क्रिस्टल्ससारखा असतो. त्याला वाटले की काच हा सूक्ष्म क्रिस्टलीय आणि आकारहीन पदार्थांचा बनलेला आहे. मायक्रोप्रॉडक्टमध्ये नियमित अणू व्यवस्था आणि अनाकार सामग्रीसह स्पष्ट सीमा असते. मायक्रोप्रॉडक्टचा आकार 1.0 ~ 1.5nm आहे आणि त्याची सामग्री 80% पेक्षा जास्त आहे. मायक्रोक्रिस्टलाइनचे अभिमुखता विस्कळीत आहे. सिलिकेट ऑप्टिकल ग्लासच्या ॲनिलिंगचा अभ्यास करताना, लेबेडेव्हला असे आढळले की 520 ℃ तापमानासह काचेच्या अपवर्तक निर्देशांकाच्या वक्रमध्ये अचानक बदल झाला आहे. 520 ℃ वर काचेमध्ये क्वार्ट्ज “मायक्रोक्रिस्टलाइन” चे एकसंध बदल म्हणून त्यांनी ही घटना स्पष्ट केली. लेबेडेव्हचा असा विश्वास होता की काच असंख्य "क्रिस्टल्स" पासून बनलेला आहे, जे मायक्रोक्रिस्टलाइनपेक्षा वेगळे आहेत, "क्रिस्टल" पासून अनाकार प्रदेशात संक्रमण टप्प्याटप्प्याने पूर्ण झाले आहे आणि त्यांच्यामध्ये कोणतीही स्पष्ट सीमा नाही.