Struktura stekla
Fizikalno-kemijske lastnosti stekla niso določene le z njegovo kemično sestavo, ampak so tesno povezane tudi z njegovo strukturo. Le z razumevanjem notranjega razmerja med strukturo, sestavo, zgradbo in delovanjem stekla je mogoče izdelati steklene materiale ali izdelke z vnaprej določenimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi s spreminjanjem kemične sestave, termične zgodovine ali z uporabo nekaterih fizikalnih in kemičnih metod obdelave.
Značilnosti stekla
Steklo je veja amorfne trdne snovi, ki je amorfen material s trdnimi mehanskimi lastnostmi. Pogosto se imenuje "prehlajena tekočina". V naravi obstajata dve stanju trdne snovi: dobro stanje in slabo stanje. Tako imenovano neproduktivno stanje je stanje trdne snovi, pridobljeno z različnimi metodami in za katero je značilna strukturna motnja. Steklasto stanje je neke vrste nestandardna trdna snov. Atomi v steklu nimajo daljnosežno urejene razporeditve v prostoru kot kristal, ampak so podobni tekočini in imajo kratkoročno urejeno razporeditev. Steklo lahko ohrani določeno obliko kot trdna snov, ne pa kot tekočina, ki teče pod lastno težo. Steklaste snovi imajo naslednje glavne značilnosti.
(1) Razporeditev delcev izotropnega steklastega materiala je nepravilna in statistično enakomerna. Kadar v steklu ni notranjih napetosti, so njegove fizikalne in kemijske lastnosti (kot so trdota, modul elastičnosti, koeficient toplotne razteznosti, toplotna prevodnost, lomni količnik, prevodnost itd.) enake v vseh smereh. Ko pa je v steklu napetost, bo strukturna enotnost uničena in steklo bo pokazalo anizotropijo, kot je očitna razlika v optični poti.
(2) Metastabilnost
Razlog, zakaj je steklo v metastabilnem stanju, je v tem, da steklo nastane s hitrim ohlajanjem taline. Zaradi močnega povečanja viskoznosti med postopkom hlajenja delci nimajo časa za oblikovanje pravilne razporeditve kristalov, notranja energija sistema pa ni na najnižji vrednosti, temveč v metastabilnem stanju; Čeprav je steklo v višjem energijskem stanju, se zaradi visoke viskoznosti pri sobni temperaturi ne more spontano pretvoriti v produkt; Samo pod določenimi zunanjimi pogoji, torej moramo premagati potencialno pregrado materiala iz steklastega stanja v kristalno stanje, lahko steklo ločimo. Zato je z vidika termodinamike stanje stekla nestabilno, s stališča kinetike pa stabilno. Čeprav ima težnjo po samosproščanju toplote, ki se pretvori v kristal z nizko notranjo energijo, je verjetnost pretvorbe v kristalno stanje pri sobni temperaturi zelo majhna, zato je steklo v metastabilnem stanju.
(3) Ni fiksnega tališča
Pretvorba steklaste snovi iz trdne v tekočo poteka v določenem temperaturnem območju (transformacijsko temperaturno območje), ki se razlikuje od kristalne snovi in nima fiksnega tališča. Ko se snov pretvori iz taline v trdno snov, če gre za proces kristalizacije, bodo v sistemu nastale nove faze, temperatura kristalizacije, lastnosti in številni drugi vidiki pa se bodo nenadoma spremenili
Ko se temperatura zniža, se viskoznost taline poveča in končno nastane trdno steklo. Proces strjevanja se zaključi v širokem temperaturnem območju in ne nastanejo novi kristali. Temperaturno območje prehoda iz staljenega v trdno steklo je odvisno od kemične sestave stekla, ki praviloma niha v desetinah do stotinah stopinj, zato steklo nima fiksnega tališča, temveč le temperaturno območje mehčanja. V tem območju se steklo postopoma spreminja iz viskoplastičnega v viskoelastično. Postopen proces spreminjanja te lastnosti je osnova stekla z dobro obdelovalnostjo.
(4) Kontinuiteta in reverzibilnost spremembe lastnine
Postopek spreminjanja lastnosti steklastega materiala iz talilnega stanja v trdno stanje je neprekinjen in reverzibilen, v katerem obstaja del temperaturnega območja, ki je plastičen, imenovan "transformacija" ali "nenormalno" območje, v katerem se lastnosti posebno spremenijo.
Pri kristalizaciji se spremenijo lastnosti, kakor kaže krivulja ABCD, t. To je tališče materiala. Ko steklo nastane s podhlajevanjem, se postopek spremeni, kot je prikazano na abkfe krivulji. T je temperatura posteklenitve, t je temperatura mehčanja stekla. Za oksidno steklo je viskoznost, ki ustreza tema dvema vrednostima, približno 101pa·s in 1005p·s.
Strukturna teorija razbitega stekla
"Struktura stekla" se nanaša na geometrijsko konfiguracijo ionov ali atomov v prostoru in oblikovalce strukture, ki jih tvorijo v steklu. Raziskave strukture stekla so materializirale mukotrpna prizadevanja in modrost mnogih znanstvenikov o steklu. Prvi poskus razlage bistva stekla je g. Tammanova hipoteza o preohlajeni tekočini, ki pravi, da je steklo preohlajena tekočina. Proces strjevanja stekla iz taline v trdno je le fizikalni proces, to pomeni, da se z nižanjem temperature molekule stekla postopoma približujejo zaradi padanja kinetične energije. , interakcijska sila pa postopoma narašča, zaradi česar se stopnja stekla poveča in na koncu nastane gosta in nepravilna trdna snov. Veliko ljudi je opravilo veliko dela. Najvplivnejše hipoteze sodobne strukture stekla so: teorija produkta, teorija naključnih mrež, teorija gela, teorija petih kotnih simetrij, teorija polimerov itd. Med njimi je najboljša interpretacija stekla teorija produkta in naključne mreže.
Kristalna teorija
Randell l je leta 1930 predstavil kristalno teorijo strukture stekla, ker je sevalni vzorec nekaterih stekel podoben kot pri kristalih enake sestave. Mislil je, da je steklo sestavljeno iz mikrokristalnega in amorfnega materiala. Mikroprodukt ima pravilno atomsko razporeditev in očitno mejo z amorfnim materialom. Velikost mikroprodukta je 1,0 ~ 1,5 nm, njegova vsebina pa predstavlja več kot 80 %. Orientacija mikrokristalnega je neurejena. Pri preučevanju žarjenja silikatnega optičnega stekla je Lebedev ugotovil, da je prišlo do nenadne spremembe v krivulji lomnega količnika stekla pri temperaturi 520 ℃. Ta pojav je razložil kot homogeno spremembo kremena v "mikrokristalnem stanju" v steklu pri 520 ℃. Lebedev je verjel, da je steklo sestavljeno iz številnih "kristalov", ki se razlikujejo od mikrokristalnih. Prehod iz "kristalnega" v amorfno območje poteka korak za korakom in med njimi ni očitne meje.
Čas objave: 31. maj 2021