ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับกระจก

โครงสร้างของกระจก

คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของแก้วไม่เพียงแต่ถูกกำหนดโดยองค์ประกอบทางเคมีเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างของกระจกอีกด้วย มีเพียงการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ภายในระหว่างโครงสร้าง องค์ประกอบ โครงสร้าง และประสิทธิภาพของแก้วเท่านั้น จึงจะสามารถสร้างวัสดุแก้วหรือผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเคมีกายภาพที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมี ประวัติความร้อน หรือใช้วิธีการบำบัดทางกายภาพและเคมีบางอย่าง

ลักษณะของแก้ว

แก้วเป็นสาขาหนึ่งของของแข็งอสัณฐาน ซึ่งเป็นวัสดุอสัณฐานที่มีคุณสมบัติเชิงกลของของแข็ง มักเรียกกันว่า "ของเหลวเย็นยิ่งยวด" โดยธรรมชาติแล้ว ของแข็งมีสถานะอยู่ 2 สถานะ คือ สถานะดีและสถานะไม่ดี สถานะที่ไม่ก่อผลที่เรียกว่าคือสถานะของของแข็งที่ได้จากวิธีการต่าง ๆ และมีลักษณะเฉพาะจากความผิดปกติของโครงสร้าง สถานะคล้ายแก้วเป็นของแข็งที่ไม่ได้มาตรฐานชนิดหนึ่ง อะตอมในแก้วไม่มีการจัดเรียงแบบเรียงลำดับระยะไกลในอวกาศเช่นคริสตัล แต่มีลักษณะคล้ายกับของเหลวและมีการจัดเรียงแบบระยะสั้น แก้วสามารถรักษารูปร่างบางอย่างให้เหมือนกับของแข็งได้ แต่ไม่เหมือนของเหลวที่ไหลภายใต้น้ำหนักของมันเอง สารที่เป็นแก้วมีลักษณะสำคัญดังต่อไปนี้

(1) การจัดเรียงอนุภาคของวัสดุแก้วไอโซโทรปิกไม่สม่ำเสมอและสม่ำเสมอทางสถิติ ดังนั้น เมื่อไม่มีความเครียดภายในกระจก คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี (เช่น ความแข็ง โมดูลัสยืดหยุ่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน การนำความร้อน ดัชนีการหักเหของแสง การนำไฟฟ้า ฯลฯ) จะเหมือนกันในทุกทิศทาง อย่างไรก็ตาม เมื่อมีความเครียดในกระจก ความสม่ำเสมอของโครงสร้างจะถูกทำลาย และกระจกจะแสดงแอนไอโซโทรปี เช่น ความแตกต่างของเส้นทางแสงที่ชัดเจน

(2) ความสามารถในการแพร่กระจาย

สาเหตุที่แก้วอยู่ในสถานะแพร่กระจายได้ก็เพราะว่าแก้วได้มาจากการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วของการหลอม เนื่องจากความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในระหว่างกระบวนการทำความเย็น อนุภาคจึงไม่มีเวลาในการจัดเรียงผลึกอย่างสม่ำเสมอ และพลังงานภายในของระบบไม่ได้อยู่ที่ค่าต่ำสุด แต่อยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแก้วจะอยู่ในสถานะพลังงานที่สูงกว่า แต่ก็ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ได้เองเนื่องจากมีความหนืดสูงที่อุณหภูมิห้อง เฉพาะภายใต้สภาวะภายนอกบางประการเท่านั้น กล่าวคือ เราต้องเอาชนะอุปสรรคที่อาจเกิดขึ้นของวัสดุตั้งแต่สถานะคล้ายแก้วไปจนถึงสถานะผลึก จึงจะสามารถแยกกระจกออกได้ ดังนั้นจากมุมมองของอุณหพลศาสตร์สถานะของแก้วจึงไม่เสถียร แต่จากมุมมองของจลนศาสตร์จะมีความเสถียร แม้ว่าจะมีแนวโน้มที่จะปล่อยความร้อนออกมาเองและเปลี่ยนเป็นคริสตัลที่มีพลังงานภายในต่ำ แต่ความน่าจะเป็นที่จะเปลี่ยนสถานะเป็นคริสตัลนั้นมีน้อยมากที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้น แก้วจึงอยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้

(3) ไม่มีจุดหลอมเหลวคงที่

การเปลี่ยนแปลงของสารคล้ายแก้วจากของแข็งเป็นของเหลวจะดำเนินการในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด (ช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลง) ซึ่งแตกต่างจากสารที่เป็นผลึกและไม่มีจุดหลอมเหลวคงที่ เมื่อสารเปลี่ยนจากหลอมเป็นของแข็ง หากเป็นกระบวนการตกผลึก เฟสใหม่จะเกิดขึ้นในระบบ และอุณหภูมิในการตกผลึก คุณสมบัติ และด้านอื่นๆ จะเปลี่ยนไปอย่างกะทันหัน

เมื่ออุณหภูมิลดลง ความหนืดของการหลอมจะเพิ่มขึ้น และในที่สุดแก้วที่เป็นของแข็งก็จะเกิดขึ้น กระบวนการแข็งตัวเสร็จสิ้นในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง และไม่มีการสร้างผลึกใหม่ ช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนจากแก้วหลอมเป็นแก้วแข็งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของแก้ว ซึ่งโดยทั่วไปจะผันผวนเป็นสิบถึงหลายร้อยองศา ดังนั้น แก้วจึงไม่มีจุดหลอมเหลวคงที่ แต่มีเพียงช่วงอุณหภูมิที่อ่อนลงเท่านั้น ในช่วงนี้ แก้วจะค่อยๆ เปลี่ยนจากวิสโคพลาสติกเป็นวิสโคอีลาสติก กระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปของคุณสมบัตินี้เป็นพื้นฐานของแก้วที่มีความสามารถในการแปรรูปที่ดี

(4) ความต่อเนื่องและการย้อนกลับของการเปลี่ยนแปลงทรัพย์สิน

กระบวนการเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุคล้ายแก้วจากสถานะหลอมเหลวไปเป็นสถานะของแข็งนั้นมีความต่อเนื่องและย้อนกลับได้ โดยจะมีส่วนของบริเวณอุณหภูมิที่เป็นพลาสติก เรียกว่าบริเวณ "การเปลี่ยนแปลง" หรือ "ผิดปกติ" ซึ่งคุณสมบัติจะมีการเปลี่ยนแปลงเป็นพิเศษ

ในกรณีของการตกผลึก คุณสมบัติจะเปลี่ยนไปตามที่แสดงในเส้นโค้ง ABCD, t เป็นจุดหลอมเหลวของวัสดุ เมื่อแก้วเกิดขึ้นจากความเย็นยิ่งยวด กระบวนการจะเปลี่ยนไปตามที่แสดงในกราฟ abkfe T คืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว t คืออุณหภูมิอ่อนตัวของแก้ว สำหรับแก้วออกไซด์ ความหนืดที่สอดคล้องกับค่าทั้งสองนี้คือประมาณ 101pa·s และ 1005p ·s

ทฤษฎีโครงสร้างของกระจกที่แตก

“โครงสร้างแก้ว” หมายถึงโครงร่างทางเรขาคณิตของไอออนหรืออะตอมในอวกาศและโครงสร้างที่ก่อตัวในแก้ว การวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างกระจกได้ก่อให้เกิดความพยายามและภูมิปัญญาของนักวิทยาศาสตร์ด้านแก้วจำนวนมาก ความพยายามครั้งแรกในการอธิบายแก่นแท้ของแก้วคือ g สมมติฐานของเหลวเย็นยิ่งยวดของแทมมัน ซึ่งถือว่าแก้วเป็นของเหลวเย็นยิ่งยวด กระบวนการทำให้แก้วแข็งตัวจากการหลอมเหลวเป็นของแข็งเป็นเพียงกระบวนการทางกายภาพเท่านั้น กล่าวคือ เมื่ออุณหภูมิลดลง โมเลกุลของแก้วจะค่อยๆ เข้าใกล้เนื่องจากพลังงานจลน์ลดลง และแรงปฏิกิริยาจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ระดับของแก้วเพิ่มขึ้น และในที่สุดก็ก่อตัวเป็นสารของแข็งที่มีความหนาแน่นและไม่สม่ำเสมอ หลายคนได้ทำงานมาก สมมติฐานที่มีอิทธิพลมากที่สุดของโครงสร้างกระจกสมัยใหม่ ได้แก่ ทฤษฎีผลิตภัณฑ์ ทฤษฎีเครือข่ายแบบสุ่ม ทฤษฎีเจล ทฤษฎีสมมาตรห้ามุม ทฤษฎีโพลีเมอร์ และอื่นๆ การตีความแก้วที่ดีที่สุดคือทฤษฎีผลิตภัณฑ์และเครือข่ายแบบสุ่ม

ทฤษฎีคริสตัล

แรนเดลล์ หยิบยกทฤษฎีคริสตัลของโครงสร้างแก้วขึ้นในปี 1930 เนื่องจากรูปแบบการแผ่รังสีของแก้วบางชนิดมีความคล้ายคลึงกับผลึกที่มีองค์ประกอบเดียวกัน เขาคิดว่าแก้วประกอบด้วยวัสดุไมโครคริสตัลไลน์และอสัณฐาน ผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กมีการจัดเรียงอะตอมสม่ำเสมอและมีขอบเขตที่ชัดเจนกับวัสดุอสัณฐาน ขนาดผลิตภัณฑ์ขนาดเล็กคือ 1.0 ~ 1.5 นาโนเมตร และมีเนื้อหามากกว่า 80% การวางแนวของไมโครคริสตัลไลน์ไม่เป็นระเบียบ ในการศึกษาการหลอมแก้วแสงซิลิเกต Lebedev พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในเส้นโค้งของดัชนีการหักเหของแก้วที่อุณหภูมิ 520 ℃ เขาอธิบายปรากฏการณ์นี้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เป็นเนื้อเดียวกันของควอตซ์ "ไมโครคริสตัลไลน์" ในแก้วที่อุณหภูมิ 520 ℃ Lebedev เชื่อว่าแก้วประกอบด้วย "คริสตัล" จำนวนมากซึ่งแตกต่างจากไมโครคริสตัลไลน์ การเปลี่ยนจาก "คริสตัล" ไปเป็นบริเวณอสัณฐานจะเสร็จสมบูรณ์ทีละขั้นตอน และไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างสิ่งเหล่านี้