Базові знання про скло

Будова скла

Фізико-хімічні властивості скла не тільки визначаються його хімічним складом, але й тісно пов'язані з його структурою. Лише розуміючи внутрішній взаємозв’язок між структурою, складом, структурою та характеристиками скла, можна зробити скляні матеріали чи вироби із заздалегідь визначеними фізико-хімічними властивостями шляхом зміни хімічного складу, термічної історії або використання деяких фізичних і хімічних методів обробки.

Характеристика скла

Скло - це гілка аморфної твердої речовини, яка є аморфним матеріалом із твердими механічними властивостями. Її часто називають «переохолодженою рідиною». У природі існує два стани твердої речовини: добрий і поганий. Так званий непродуктивний стан — стан твердої речовини, отриманий різними методами і характеризується структурною невпорядкованістю. Склоподібний стан є різновидом нестандартного твердого тіла. Атоми в склі не мають дальнього впорядкованого розташування в просторі, як кристал, але вони подібні до рідини та мають ближнє впорядковане розташування. Скло може зберігати певну форму, як тверде тіло, але не як рідина, що тече під власною вагою. Склоподібні речовини мають такі основні характеристики.

(1) Розташування частинок ізотропного склоподібного матеріалу є нерегулярним і статистично однорідним. Отже, коли в склі немає внутрішньої напруги, його фізичні та хімічні властивості (такі як твердість, модуль пружності, коефіцієнт теплового розширення, теплопровідність, показник заломлення, провідність тощо) однакові в усіх напрямках. Однак, коли в склі виникає напруга, структурна однорідність буде зруйнована, і скло покаже анізотропію, таку як очевидна різниця оптичного шляху.

(2) Метастабільність

Причина, чому скло знаходиться в метастабільному стані, полягає в тому, що скло отримують шляхом швидкого охолодження розплаву. Через різке збільшення в'язкості в процесі охолодження частинки не встигають сформувати регулярне розташування кристалів, і внутрішня енергія системи знаходиться не на найнижчому значенні, а в метастабільному стані; Однак, незважаючи на те, що скло знаходиться у вищому енергетичному стані, воно не може спонтанно перетворитися на продукт через його високу в'язкість при кімнатній температурі; Лише за певних зовнішніх умов, тобто ми повинні подолати потенційний бар’єр матеріалу зі склоподібного стану в кристалічний стан, скло можна розділити. Отже, з точки зору термодинаміки стан скла є нестабільним, а з точки зору кінетики — стабільним. Хоча воно має тенденцію до самовиділення тепла, перетворюючись на кристали з низькою внутрішньою енергією, ймовірність перетворення в кристалічний стан дуже мала при кімнатній температурі, тому скло знаходиться в метастабільному стані.

(3) Немає фіксованої точки плавлення

Перетворення склоподібної речовини з твердої в рідку відбувається в певному діапазоні температур (інтервал температур перетворення), який відрізняється від кристалічної речовини і не має фіксованої температури плавлення. Коли речовина перетворюється з розплаву в тверду речовину, якщо це процес кристалізації, у системі утворюються нові фази, а температура кристалізації, властивості та багато інших аспектів різко змінюються

Зі зниженням температури в'язкість розплаву зростає, і нарешті утворюється тверде скло. Процес затвердіння завершується в широкому діапазоні температур, і нові кристали не утворюються. Діапазон температур переходу від розплавленого до твердого скла залежить від хімічного складу скла, який зазвичай коливається в межах від десятків до сотень градусів, тому скло не має фіксованої точки плавлення, а має лише діапазон температур розм’якшення. У цьому діапазоні скло поступово перетворюється з в’язкопластичного у в’язкопружне. Поступовий процес зміни цієї властивості є основою скла з хорошою технологічністю.

(4) Безперервність і оборотність зміни властивості

Процес зміни властивостей склоподібного матеріалу від стану плавлення до твердого стану є безперервним і оборотним, у якому є ділянка температурної області, яка є пластичною, називається «перетворенням» або «аномальною» областю, у якій властивості мають особливі зміни.

У разі кристалізації властивості змінюються, як показано на кривій ABCD, t. Це температура плавлення матеріалу. Коли скло утворюється шляхом переохолодження, процес змінюється, як показано на кривій abkfe. T – температура склування, t – температура розм’якшення скла. Для оксидного скла в'язкість, що відповідає цим двом значенням, становить приблизно 101Па·с і 1005p·с.

Теорія будови битого скла

«Скляна структура» відноситься до геометричної конфігурації іонів або атомів у просторі та структуроутворювачів, які вони утворюють у склі. Дослідження структури скла матеріалізували кропіткі зусилля та мудрість багатьох вчених-склярів. Першу спробу пояснити сутність скла — г. Гіпотеза Таммана про переохолоджену рідину, яка стверджує, що скло є переохолодженою рідиною. Процес затвердіння скла з розплаву в тверду речовину є лише фізичним процесом, тобто зі зниженням температури молекули скла поступово зближуються через зменшення кінетичної енергії , і сила взаємодії поступово зростає, що призводить до збільшення ступеня скла, і, нарешті, утворюється щільна і неправильна тверда речовина. Багато людей виконали велику роботу. Найвпливовішими гіпотезами сучасної структури скла є: теорія продукту, теорія випадкових мереж, теорія гелю, теорія п’яти кутової симетрії, теорія полімерів тощо. Серед них найкращою інтерпретацією скла є теорія продукту та випадкової мережі.

Кристалічна теорія

Ранделл I висунув кристалічну теорію структури скла в 1930 році, оскільки діаграма випромінювання деяких стекол подібна до діаграми випромінювання кристалів того ж складу. Він вважав, що скло складається з мікрокристалічного та аморфного матеріалу. Мікропродукт має правильне розташування атомів і очевидну межу з аморфним матеріалом. Розмір мікропродукту становить 1,0 ~ 1,5 нм, а його вміст становить понад 80%. Орієнтація мікрокристалів невпорядкована. Вивчаючи відпал силікатного оптичного скла, Лебедєв виявив раптову зміну кривої показника заломлення скла при температурі 520 ℃. Він пояснив це явище гомогенною зміною «мікрокристалічного» кварцу в склі при 520 ℃. Лебедєв вважав, що скло складається з безлічі «кристалів», які відрізняються від мікрокристалів. Перехід від «кристалів» до аморфної області відбувається крок за кроком, і між ними немає явної межі.