Структура стекла
Физико-химические свойства стекла определяются не только его химическим составом, но и тесно связаны с его строением. Только понимая внутреннюю связь между структурой, составом, структурой и характеристиками стекла, можно будет производить стеклянные материалы или изделия с заранее заданными физико-химическими свойствами путем изменения химического состава, термической истории или использования некоторых методов физической и химической обработки.
Характеристики стекла
Стекло — это ветвь аморфного твердого тела, которое представляет собой аморфный материал с твердыми механическими свойствами. Ее часто называют «переохлажденной жидкостью». В природе существует два состояния твердого вещества: хорошее и нехорошее. Так называемое непроизводительное состояние — это состояние твердого вещества, полученное различными методами и характеризующееся структурным беспорядком. Стеклообразное состояние – это разновидность нестандартного твердого тела. Атомы в стекле не имеют дальнего упорядоченного расположения в пространстве, как кристалл, но они подобны жидкости и имеют ближнеупорядоченное расположение. Стекло может сохранять определенную форму, как твердое тело, но не как жидкость, текущая под собственным весом. Стеклообразные вещества обладают следующими основными характеристиками.
1. Расположение частиц изотропного стеклообразного материала неравномерное и статистически однородное. Поэтому, когда в стекле нет внутренних напряжений, его физические и химические свойства (такие как твердость, модуль упругости, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, показатель преломления, проводимость и т. д.) одинаковы во всех направлениях. Однако при напряжении в стекле структурная однородность будет нарушена, и в стекле появится анизотропия, например, очевидная разность оптических путей.
(2) Метастабильность
Причина, по которой стекло находится в метастабильном состоянии, заключается в том, что стекло получается путем быстрого охлаждения расплава. Из-за резкого увеличения вязкости в процессе охлаждения частицы не успевают образовать правильное расположение кристаллов, а внутренняя энергия системы находится не на самом низком значении, а в метастабильном состоянии; Однако, хотя стекло находится в более высоком энергетическом состоянии, оно не может самопроизвольно превратиться в продукт из-за своей высокой вязкости при комнатной температуре; Только при определенных внешних условиях, то есть мы должны преодолеть потенциальный барьер материала из стеклообразного состояния в кристаллическое, можно отделить стекло. Поэтому с точки зрения термодинамики состояние стекла неустойчиво, а с точки зрения кинетики — устойчиво. Хотя оно имеет тенденцию самовыделять тепло и превращаться в кристалл с низкой внутренней энергией, вероятность перехода в кристаллическое состояние очень мала при комнатной температуре, поэтому стекло находится в метастабильном состоянии.
(3) Нет фиксированной точки плавления.
Превращение стеклообразного вещества из твердого вещества в жидкость осуществляется в определенном интервале температур (интервале температур превращения), отличном от кристаллического вещества и не имеющем фиксированной температуры плавления. При переходе вещества из расплава в твердое состояние, если это процесс кристаллизации, в системе образуются новые фазы, а температура кристаллизации, свойства и многие другие аспекты резко изменяются.
По мере понижения температуры вязкость расплава увеличивается и, наконец, образуется твердое стекло. Процесс затвердевания завершается в широком диапазоне температур, и новые кристаллы не образуются. Температурный диапазон перехода от расплавленного стекла к твердому зависит от химического состава стекла, который обычно колеблется в пределах десятков и сотен градусов, поэтому стекло не имеет фиксированной температуры плавления, а имеет только диапазон температур размягчения. В этом диапазоне стекло постепенно превращается из вязкопластического в вязкоупругое. Процесс постепенного изменения этого свойства является основой стекла с хорошей обрабатываемостью.
(4) Непрерывность и обратимость изменения свойств.
Процесс изменения свойств стеклообразного материала из состояния плавления в твердое состояние является непрерывным и обратимым, в котором существует участок температурной области, который является пластичным, называемым «превращением» или «аномальной» областью, в которой свойства имеют особые изменения.
В случае кристаллизации свойства изменяются, как показано на кривой ABCD, т. е. Это точка плавления материала. Когда стекло формируется в результате переохлаждения, процесс меняется, как показано на кривой abkfe. Т – температура стеклования, Т – температура размягчения стекла. Для оксидного стекла вязкость, соответствующая этим двум значениям, составляет около 101Па·с и 1005Па·с.
Теория структуры битого стекла
«Структура стекла» относится к геометрической конфигурации ионов или атомов в пространстве и структурообразователям, которые они образуют в стекле. Исследования структуры стекла материализовали кропотливые усилия и мудрость многих ученых, занимающихся стеклом. Первой попыткой объяснить сущность стекла является г. Гипотеза переохлажденной жидкости Таммана, согласно которой стекло представляет собой переохлажденную жидкость. Процесс затвердевания стекла из расплава в твердое состояние является лишь физическим процессом, то есть с понижением температуры молекулы стекла постепенно сближаются за счет уменьшения кинетической энергии. , и сила взаимодействия постепенно увеличивается, что приводит к увеличению степени стекла и, наконец, к образованию плотного и неправильного твердого вещества. Многие люди проделали большую работу. Наиболее влиятельными гипотезами структуры современного стекла являются: теория продукта, теория случайных сетей, теория геля, теория пятиугольной симметрии, теория полимеров и так далее. Среди них лучшей интерпретацией стакана является теория произведения и случайной сети.
Кристаллическая теория
Рэнделл I выдвинул кристаллическую теорию строения стекла в 1930 году, поскольку диаграмма направленности некоторых стекол аналогична диаграмме направленности кристаллов того же состава. Он считал, что стекло состоит из микрокристаллического и аморфного материала. Микропродукт имеет правильное расположение атомов и четкую границу с аморфным материалом. Размер микропродукта составляет 1,0 ~ 1,5 нм, а его содержание составляет более 80%. Ориентация микрокристаллов неупорядочена. Изучая отжиг силикатного оптического стекла, Лебедев обнаружил резкое изменение кривой показателя преломления стекла с температурой 520 ℃. Он объяснил это явление гомогенным изменением «микрокристаллического» кварца в стекле при 520 ℃. Лебедев считал, что стекло состоит из многочисленных «кристаллов», отличных от микрокристаллических. Переход от «кристалла» к аморфной области совершается постепенно, и между ними нет четкой границы.
Время публикации: 31 мая 2021 г.