Structura sticlei
Proprietățile fizico-chimice ale sticlei nu sunt determinate doar de compoziția sa chimică, ci și strâns legate de structura sa. Numai prin înțelegerea relației interne dintre structura, compoziția, structura și performanța sticlei, se poate realiza materiale sau produse din sticlă cu proprietăți fizico-chimice predeterminate prin modificarea compoziției chimice, a istoriei termice sau prin utilizarea unor metode de tratament fizico-chimic.
Caracteristicile sticlei
Sticla este o ramură a solidului amorf, care este un material amorf cu proprietăți mecanice solide. Este adesea numit „lichid suprarăcit”. În natură, există două stări ale materiei solide: stare bună și stare nebună. Așa-numita stare neproductivă este starea materiei solide obținute prin diferite metode și caracterizată prin dezordine structurală. Starea sticloasă este un fel de solid nestandard. Atomii din sticlă nu au aranjament ordonat pe distanță lungă în spațiu precum cristalul, dar sunt similari cu lichidul și au aranjament ordonat pe rază scurtă. Sticla poate menține o anumită formă ca un solid, dar nu ca un lichid care curge sub propria greutate. Substanțele sticloase au următoarele caracteristici principale.
(1) Dispunerea particulelor de material sticlos izotrop este neregulată și uniformă statistic. Prin urmare, atunci când nu există stres intern în sticlă, proprietățile sale fizice și chimice (cum ar fi duritatea, modulul elastic, coeficientul de dilatare termică, conductivitate termică, indicele de refracție, conductivitate etc.) sunt aceleași în toate direcțiile. Cu toate acestea, atunci când există stres în sticlă, uniformitatea structurală va fi distrusă, iar sticla va prezenta anizotropie, cum ar fi diferența evidentă a căii optice.
(2) Metastabilitate
Motivul pentru care sticla este în stare metastabilă este că sticla este obținută prin răcirea rapidă a topiturii. Datorită creșterii puternice a vâscozității în timpul procesului de răcire, particulele nu au timp să formeze aranjamente regulate de cristale, iar energia internă a sistemului nu este la cea mai mică valoare, ci în stare metastabilă; Cu toate acestea, deși sticla este într-o stare de energie mai mare, nu se poate transforma spontan în produs datorită vâscozității sale ridicate la temperatura camerei; Numai în anumite condiții externe, adică trebuie să depășim bariera potențială a materialului de la starea sticloasă la starea cristalină, sticla poate fi separată. Prin urmare, din punctul de vedere al termodinamicii, starea sticlei este instabilă, dar din punct de vedere al cineticii, este stabilă. Deși are tendința de a transforma căldura cu autoeliberare în cristal cu energie internă scăzută, probabilitatea de a se transforma în stare de cristal este foarte mică la temperatura camerei, astfel încât sticla este în stare metastabilă.
(3) Fără punct de topire fix
Transformarea substanței sticloase din solid în lichid se realizează într-un anumit interval de temperatură (interval de temperatură de transformare), care este diferit de substanța cristalină și nu are punct de topire fix. Când o substanță este transformată din topitură în solidă, dacă este un proces de cristalizare, se vor forma noi faze în sistem, iar temperatura de cristalizare, proprietățile și multe alte aspecte se vor schimba brusc.
Pe măsură ce temperatura scade, vâscozitatea topiturii crește și în final se formează sticla solidă. Procesul de solidificare este finalizat într-un interval larg de temperatură și nu se formează cristale noi. Intervalul de temperatură de tranziție de la sticlă topită la solidă depinde de compoziția chimică a sticlei, care, în general, fluctuează în zeci până la sute de grade, astfel încât sticla nu are un punct de topire fix, ci doar un interval de temperatură de înmuiere. În această gamă, sticla se transformă treptat din viscoplastic în viscoelastic. Procesul de schimbare treptată a acestei proprietăți este baza sticlei cu procesabilitate bună.
(4) Continuitatea și reversibilitatea schimbării proprietății
Procesul de schimbare a proprietăților materialului sticlos de la starea de topire la starea solidă este continuu și reversibil, în care există o secțiune a regiunii de temperatură care este plastică, numită regiune „de transformare” sau „anormală”, în care proprietățile au modificări speciale.
În cazul cristalizării, proprietățile se modifică așa cum se arată în curba ABCD, t. Este punctul de topire al materialului. Când sticla este formată prin suprarăcire, procesul se modifică așa cum se arată în curba abkfe. T este temperatura de tranziție vitroasă, t este temperatura de înmuiere a sticlei. Pentru sticla oxidică, vâscozitatea corespunzătoare acestor două valori este de aproximativ 101pa·s și 1005p·s.
Teoria structurii sticlei sparte
„Structura de sticlă” se referă la configurația geometrică a ionilor sau atomilor din spațiu și formatorii de structură pe care îi formează în sticlă. Cercetările asupra structurii sticlei au concretizat eforturile minuțioase și înțelepciunea multor oameni de știință din sticla. Prima încercare de a explica esența sticlei este g. ipoteza lichidului suprarăcit a lui Tamman, care susține că sticla este lichid suprarăcit, Procesul de solidificare a sticlei de la topire la solid este doar un proces fizic, adică odată cu scăderea temperaturii, moleculele de sticlă se apropie treptat din cauza scăderii energiei cinetice , iar forța de interacțiune crește treptat, ceea ce face ca gradul de sticlă să crească și, în final, să formeze o substanță solidă densă și neregulată. Mulți oameni au lucrat mult. Cele mai influente ipoteze ale structurii moderne de sticlă sunt: teoria produsului, teoria rețelelor aleatoare, teoria gelului, teoria simetriei cinci unghiuri, teoria polimerilor și așa mai departe. Dintre acestea, cea mai bună interpretare a sticlei este teoria produsului și a rețelei aleatorii.
Teoria cristalelor
Randell am prezentat teoria cristalină a structurii sticlei în 1930, deoarece modelul de radiație al unor pahare este similar cu cel al cristalelor din aceeași compoziție. El a crezut că sticla este compusă din material microcristalin și amorf. Microprodusul are un aranjament atomic regulat și o limită evidentă cu materialul amorf. Dimensiunea microprodusului este de 1,0 ~ 1,5 nm, iar conținutul său reprezintă mai mult de 80%. Orientarea microcristalinei este dezordonată. Studiind recoacerea sticlei optice silicate, Lebedev a descoperit că a existat o schimbare bruscă a curbei indicelui de refracție a sticlei cu temperatura de 520 ℃. El a explicat acest fenomen ca schimbarea omogenă a cuarțului „microcristalin” în sticlă la 520 ℃. Lebedev credea că sticla este compusă din numeroase „cristale”, care sunt diferite de microcristaline. Tranziția de la „cristal” la regiunea amorfă este finalizată pas cu pas și nu există o graniță evidentă între ele.
Ora postării: 31-mai-2021