Basiskennis van glas

De structuur van glas

De fysisch-chemische eigenschappen van glas worden niet alleen bepaald door de chemische samenstelling, maar hangen ook nauw samen met de structuur ervan. Alleen door het begrijpen van de interne relatie tussen de structuur, samenstelling, structuur en prestaties van glas, kan het mogelijk zijn om glasmaterialen of -producten te maken met vooraf bepaalde fysisch-chemische eigenschappen door de chemische samenstelling, thermische geschiedenis te veranderen of door gebruik te maken van enkele fysische en chemische behandelingsmethoden.

Kenmerken van glas

Glas is een tak van amorfe vaste stof, een amorf materiaal met vaste mechanische eigenschappen. Het wordt vaak “onderkoelde vloeistof” genoemd. In de natuur zijn er twee toestanden van vaste materie: een goede toestand en een niet-goede toestand. De zogenaamde niet-productieve toestand is de toestand van vaste materie die op verschillende manieren wordt verkregen en die wordt gekenmerkt door structurele wanorde. De glazige toestand is een soort niet-standaard vaste stof. De atomen in glas hebben geen geordende rangschikking op lange afstand in de ruimte, zoals kristal, maar ze zijn vergelijkbaar met vloeistof en hebben een geordende rangschikking op korte afstand. Glas kan een bepaalde vorm behouden, zoals een vaste stof, maar niet zoals een vloeistof die onder zijn eigen gewicht stroomt. Glasachtige stoffen hebben de volgende hoofdkenmerken.

(1) De rangschikking van deeltjes van isotroop glasachtig materiaal is onregelmatig en statistisch uniform. Wanneer er dus geen interne spanning in het glas is, zijn de fysische en chemische eigenschappen (zoals hardheid, elastische modulus, thermische uitzettingscoëfficiënt, thermische geleidbaarheid, brekingsindex, geleidbaarheid, enz.) in alle richtingen hetzelfde. Wanneer er echter spanning in het glas aanwezig is, zal de structurele uniformiteit worden vernietigd en zal het glas anisotropie vertonen, zoals een duidelijk verschil in optisch pad.

(2) Metastabiliteit

De reden waarom het glas zich in metastabiele toestand bevindt, is dat het glas wordt verkregen door snelle afkoeling van de smelt. Vanwege de sterke toename van de viscositeit tijdens het afkoelproces hebben de deeltjes geen tijd om een ​​regelmatige rangschikking van kristallen te vormen, en bevindt de interne energie van het systeem zich niet op de laagste waarde, maar in een metastabiele toestand; Hoewel het glas zich in een hogere energietoestand bevindt, kan het echter niet spontaan in het product worden omgezet vanwege de hoge viscositeit bij kamertemperatuur; Alleen onder bepaalde externe omstandigheden, dat wil zeggen dat we de potentiële barrière van materiaal van glasachtige toestand naar kristallijne toestand moeten overwinnen, kan het glas worden gescheiden. Daarom is de glastoestand vanuit het oogpunt van de thermodynamica onstabiel, maar vanuit het oogpunt van de kinetiek is deze stabiel. Hoewel het de neiging heeft om zelf vrijkomende warmte te transformeren in kristallen met een lage interne energie, is de kans op transformatie in een kristalstaat erg klein bij kamertemperatuur, waardoor het glas zich in een metastabiele toestand bevindt.

(3) Geen vast smeltpunt

De transformatie van glasachtige substantie van vast naar vloeibaar wordt uitgevoerd in een bepaald temperatuurbereik (transformatietemperatuurbereik), dat verschilt van kristallijne substantie en geen vast smeltpunt heeft. Wanneer een stof wordt omgezet van smelt naar vaste stof, als het een kristallisatieproces is, zullen er nieuwe fasen in het systeem worden gevormd en zullen de kristallisatietemperatuur, eigenschappen en vele andere aspecten abrupt veranderen.

Naarmate de temperatuur daalt, neemt de viscositeit van de smelt toe en uiteindelijk wordt het vaste glas gevormd. Het stollingsproces wordt binnen een breed temperatuurbereik voltooid en er worden geen nieuwe kristallen gevormd. Het temperatuurbereik van de overgang van smelt naar vast glas hangt af van de chemische samenstelling van glas, die doorgaans in tientallen tot honderden graden fluctueert. Glas heeft dus geen vast smeltpunt, maar alleen een verwekingstemperatuurbereik. In dit bereik transformeert glas geleidelijk van viscoplastisch naar visco-elastisch. Het geleidelijke veranderingsproces van deze eigenschap vormt de basis voor glas met een goede verwerkbaarheid.

(4) Continuïteit en omkeerbaarheid van vastgoedveranderingen

Het eigenschapsveranderingsproces van glasachtig materiaal van smelttoestand naar vaste toestand is continu en omkeerbaar, waarbij er een gedeelte van het temperatuurgebied is dat plastisch is, genaamd "transformatie" of "abnormaal" gebied, waarin de eigenschappen speciale veranderingen ondergaan.

In het geval van kristallisatie veranderen de eigenschappen zoals weergegeven in de curve ABCD, t. Het is het smeltpunt van het materiaal. Wanneer het glas wordt gevormd door onderkoeling, verandert het proces zoals weergegeven in de abkfe-curve. T is de glasovergangstemperatuur, t is de verwekingstemperatuur van het glas. Voor oxideglas bedraagt ​​de viscositeit die overeenkomt met deze twee waarden ongeveer 101pa · s en 1005p · s.

Structuurtheorie van gebroken glas

‘Glasstructuur’ verwijst naar de geometrische configuratie van ionen of atomen in de ruimte en de structuurvormers die ze in glas vormen. Het onderzoek naar de glasstructuur heeft de nauwgezette inspanningen en wijsheid van veel glaswetenschappers gematerialiseerd. De eerste poging om de essentie van glas uit te leggen is g. Tamman's onderkoelde vloeistofhypothese, die stelt dat glas onderkoelde vloeistof is. Het proces waarbij glas stolt van smelt naar vaste stof is slechts een fysiek proces, dat wil zeggen dat met de afname van de temperatuur de glasmoleculen geleidelijk dichterbij komen als gevolg van de afname van kinetische energie , en de interactiekracht neemt geleidelijk toe, waardoor de glasgraad toeneemt en uiteindelijk een dichte en onregelmatige vaste substantie ontstaat. Veel mensen hebben veel werk verricht. De meest invloedrijke hypothesen van de moderne glasstructuur zijn: producttheorie, willekeurige netwerktheorie, geltheorie, vijfhoeksymmetrietheorie, polymeertheorie enzovoort. Onder hen is de beste interpretatie van glas de theorie van het product en het willekeurige netwerk.

Kristal theorie

Randell bracht in 1930 de kristaltheorie van de glasstructuur naar voren, omdat het stralingspatroon van sommige glazen vergelijkbaar is met dat van kristallen met dezelfde samenstelling. Hij dacht dat glas bestaat uit microkristallijn en amorf materiaal. Het microproduct heeft een regelmatige atomaire rangschikking en een duidelijke grens met amorf materiaal. De grootte van het microproduct is 1,0 ~ 1,5 nm en de inhoud ervan is goed voor meer dan 80%. De oriëntatie van microkristallijne is verstoord. Bij het bestuderen van het uitgloeien van optisch silicaatglas ontdekte Lebedev dat er een plotselinge verandering was in de curve van de glasbrekingsindex bij een temperatuur van 520 ℃. Hij legde dit fenomeen uit als de homogene verandering van kwarts “microkristallijn” in glas bij 520 ℃. Lebedev geloofde dat glas is samengesteld uit talloze ‘kristallen’, die verschillen van microkristallijn. De overgang van ‘kristal’ naar een amorf gebied wordt stap voor stap voltooid en er is geen duidelijke grens daartussen.