Podstawowa wiedza o szkle

Struktura szkła

O właściwościach fizykochemicznych szkła decyduje nie tylko jego skład chemiczny, ale także ściśle powiązany z jego strukturą. Tylko poprzez zrozumienie wewnętrznych zależności pomiędzy strukturą, składem, strukturą i właściwościami szkła możliwe będzie wytworzenie materiałów lub produktów szklanych o określonych właściwościach fizykochemicznych poprzez zmianę składu chemicznego, historii termicznej lub zastosowanie niektórych metod obróbki fizycznej i chemicznej.

Charakterystyka szkła

Szkło jest gałęzią amorficznego ciała stałego, które jest materiałem amorficznym o stałych właściwościach mechanicznych. Często nazywa się ją „przechłodzoną cieczą”. W naturze istnieją dwa stany materii stałej: stan dobry i stan niedobry. Tzw. stan nieprodukcyjny to stan materii stałej uzyskany różnymi metodami, charakteryzujący się nieuporządkowaniem strukturalnym. Stan szklisty jest rodzajem niestandardowego ciała stałego. Atomy w szkle nie mają uporządkowanego układu dalekiego zasięgu w przestrzeni jak kryształ, ale są podobne do cieczy i mają uporządkowany układ krótkiego zasięgu. Szkło może zachować określony kształt jak ciało stałe, ale nie jak ciecz przepływająca pod własnym ciężarem. Substancje szkliste mają następujące główne cechy.

(1) Układ cząstek izotropowego materiału szklistego jest nieregularny i statystycznie jednolity. Dlatego też, gdy w szkle nie ma naprężeń wewnętrznych, jego właściwości fizyczne i chemiczne (takie jak twardość, moduł sprężystości, współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplna, współczynnik załamania światła, przewodność itp.) są takie same we wszystkich kierunkach. Jednakże, gdy w szkle wystąpią naprężenia, jednolitość strukturalna zostanie zniszczona, a szkło będzie wykazywało anizotropię, taką jak wyraźna różnica ścieżki optycznej.

(2) Metastabilność

Powodem, dla którego szkło jest w stanie metastabilnym, jest to, że szkło otrzymuje się w wyniku szybkiego chłodzenia stopu. Ze względu na gwałtowny wzrost lepkości podczas procesu chłodzenia, cząstki nie mają czasu na utworzenie regularnego układu kryształów, a energia wewnętrzna układu nie jest najniższa, ale w stanie metastabilnym; Jednakże, mimo że szkło znajduje się w wyższym stanie energetycznym, nie może samoistnie przekształcić się w produkt ze względu na dużą lepkość w temperaturze pokojowej; Tylko pod pewnymi warunkami zewnętrznymi, to znaczy musimy pokonać potencjalną barierę materiału ze stanu szklistego do stanu krystalicznego, szkło może zostać rozdzielone. Dlatego z punktu widzenia termodynamiki stan szkła jest niestabilny, ale z punktu widzenia kinetyki jest stabilny. Chociaż ma tendencję do samouwalniania ciepła i przekształcania się w kryształ o niskiej energii wewnętrznej, prawdopodobieństwo przejścia w stan krystaliczny w temperaturze pokojowej jest bardzo małe, więc szkło jest w stanie metastabilnym.

(3) Brak ustalonej temperatury topnienia

Przemiana substancji szklistej ze stanu stałego w ciekły zachodzi w pewnym zakresie temperatur (zakres temperatur przemiany), który różni się od substancji krystalicznej i nie ma ustalonej temperatury topnienia. Kiedy substancja przekształca się ze stanu stopionego w ciało stałe, jeśli jest to proces krystalizacji, w układzie utworzą się nowe fazy, a temperatura krystalizacji, właściwości i wiele innych aspektów ulegną nagłej zmianie

Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta lepkość stopu i ostatecznie tworzy się stałe szkło. Proces krzepnięcia przebiega w szerokim zakresie temperatur i nie powstają żadne nowe kryształy. Zakres temperatur przejścia od stopionego do stałego szkła zależy od składu chemicznego szkła, który na ogół waha się w granicach od dziesiątek do setek stopni, więc szkło nie ma ustalonej temperatury topnienia, a jedynie zakres temperatury mięknienia. W tym zakresie szkło stopniowo przekształca się z lepkoplastycznego w lepkosprężyste. Stopniowy proces zmiany tej właściwości jest podstawą szkła o dobrej przetwarzalności.

(4) Ciągłość i odwracalność zmian własności

Proces zmiany właściwości materiału szklistego ze stanu stopionego do stanu stałego jest ciągły i odwracalny, w którym występuje odcinek obszaru temperaturowego o charakterze plastycznym, zwany obszarem „transformacji” lub „nienormalnym”, w którym właściwości ulegają szczególnym zmianom.

W przypadku krystalizacji właściwości zmieniają się zgodnie z krzywą ABCD, t. Jest to temperatura topnienia materiału. Kiedy szkło powstaje w wyniku przechłodzenia, proces zmienia się, jak pokazano na krzywej abkfe. T to temperatura zeszklenia, t to temperatura mięknienia szkła. W przypadku szkła tlenkowego lepkość odpowiadająca tym dwóm wartościom wynosi około 101pa·s i 1005p·s.

Teoria struktury potłuczonego szkła

„Struktura szkła” odnosi się do geometrycznej konfiguracji jonów lub atomów w przestrzeni oraz form tworzących strukturę w szkle. Badania nad strukturą szkła urzeczywistniły żmudne wysiłki i mądrość wielu naukowców zajmujących się szkłem. Pierwszą próbą wyjaśnienia istoty szkła jest g. hipoteza przechłodzonej cieczy Tammana, która głosi, że szkło jest przechłodzoną cieczą, Proces krzepnięcia szkła ze stopu do ciała stałego jest procesem wyłącznie fizycznym, to znaczy wraz ze spadkiem temperatury cząsteczki szkła stopniowo zbliżają się na skutek spadku energii kinetycznej , a siła oddziaływania stopniowo wzrasta, co powoduje wzrost stopnia szkła i ostatecznie tworzy gęstą i nieregularną substancję stałą. Wiele osób wykonało ogromną pracę. Najbardziej wpływowymi hipotezami dotyczącymi współczesnej struktury szkła są: teoria produktu, teoria sieci losowej, teoria żelu, teoria symetrii pięciu kątów, teoria polimerów i tak dalej. Wśród nich najlepszą interpretacją szkła jest teoria iloczynu i sieci losowej.

Teoria kryształów

Randell przedstawił krystaliczną teorię struktury szkła w 1930 r., ponieważ wzór promieniowania niektórych szkieł jest podobny do kryształów o tym samym składzie. Uważał, że szkło składa się z materiału mikrokrystalicznego i amorficznego. Mikroprodukt ma regularny układ atomów i wyraźną granicę z materiałem amorficznym. Rozmiar mikroproduktu wynosi 1,0 ~ 1,5 nm, a jego zawartość stanowi ponad 80%. Orientacja mikrokryształów jest nieuporządkowana. Badając wyżarzanie krzemianowego szkła optycznego, Lebedev stwierdził, że nastąpiła nagła zmiana krzywej współczynnika załamania światła szkła w temperaturze 520 ℃. Wyjaśnił to zjawisko jako jednorodną zmianę „mikrokrystalicznego” kwarcu w szkle w temperaturze 520 ℃. Lebiediew uważał, że szkło składa się z wielu „kryształów”, które różnią się od mikrokrystalicznych. Przejście od obszaru „kryształowego” do obszaru amorficznego dokonuje się krok po kroku i nie ma między nimi wyraźnej granicy.