Kiến thức cơ bản về kính

Cấu trúc của kính

Các tính chất hóa lý của thủy tinh không chỉ được xác định bởi thành phần hóa học mà còn liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của nó. Chỉ khi hiểu được mối quan hệ bên trong giữa cấu trúc, thành phần, cấu trúc và tính năng của thủy tinh, mới có thể tạo ra vật liệu hoặc sản phẩm thủy tinh có các đặc tính hóa lý xác định trước bằng cách thay đổi thành phần hóa học, lịch sử nhiệt hoặc sử dụng một số phương pháp xử lý vật lý và hóa học.

Đặc điểm của kính

Thủy tinh là một nhánh của chất rắn vô định hình, là vật liệu vô định hình có tính chất cơ học rắn. Nó thường được gọi là “chất lỏng siêu lạnh”. Trong tự nhiên, chất rắn có hai trạng thái: trạng thái tốt và trạng thái không tốt. Cái gọi là trạng thái không sinh sản là trạng thái của vật chất rắn thu được bằng các phương pháp khác nhau và có đặc điểm là rối loạn cấu trúc. Trạng thái thủy tinh là một loại chất rắn không chuẩn. Các nguyên tử trong thủy tinh không có sự sắp xếp có trật tự tầm xa trong không gian như tinh thể mà chúng giống như chất lỏng và có sự sắp xếp có trật tự trong phạm vi ngắn. Thủy tinh có thể duy trì một hình dạng nhất định giống như chất rắn, nhưng không giống như chất lỏng chảy dưới sức nặng của chính nó. Các chất thủy tinh có các đặc điểm chính sau.

(1) Sự sắp xếp các hạt của vật liệu thủy tinh đẳng hướng không đều và thống nhất về mặt thống kê. Do đó, khi không có ứng suất bên trong kính, các tính chất vật lý và hóa học của nó (như độ cứng, mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, chiết suất, độ dẫn điện, v.v.) đều giống nhau theo mọi hướng. Tuy nhiên, khi có ứng suất trong kính, tính đồng nhất về cấu trúc sẽ bị phá hủy và kính sẽ có tính dị hướng, chẳng hạn như sự chênh lệch đường quang rõ ràng.

(2) Tính di động

Lý do tại sao thủy tinh ở trạng thái siêu bền là thủy tinh thu được bằng cách làm nguội nhanh chất nóng chảy. Do độ nhớt tăng mạnh trong quá trình làm mát, các hạt không có thời gian để hình thành sự sắp xếp đều đặn của các tinh thể và năng lượng bên trong của hệ không ở giá trị thấp nhất mà ở trạng thái siêu bền; Tuy nhiên, mặc dù thủy tinh ở trạng thái năng lượng cao hơn nhưng nó không thể tự chuyển hóa thành sản phẩm do độ nhớt cao ở nhiệt độ phòng; Chỉ trong những điều kiện bên ngoài nhất định, tức là chúng ta phải vượt qua được rào cản tiềm tàng của vật chất từ ​​trạng thái thủy tinh sang trạng thái kết tinh thì thủy tinh mới có thể tách rời được. Do đó, theo quan điểm nhiệt động lực học, trạng thái thủy tinh không ổn định, nhưng theo quan điểm động học thì nó ổn định. Mặc dù nó có xu hướng tự giải phóng nhiệt chuyển thành tinh thể có năng lượng bên trong thấp nhưng xác suất chuyển sang trạng thái tinh thể ở nhiệt độ phòng là rất nhỏ nên thủy tinh ở trạng thái siêu bền.

(3) Không có điểm nóng chảy cố định

Quá trình chuyển đổi chất thủy tinh từ rắn sang lỏng được thực hiện trong một phạm vi nhiệt độ nhất định (phạm vi nhiệt độ chuyển hóa), khác với chất kết tinh và không có điểm nóng chảy cố định. Khi một chất chuyển từ trạng thái nóng chảy sang rắn, nếu là quá trình kết tinh, các pha mới sẽ được hình thành trong hệ thống, đồng thời nhiệt độ kết tinh, tính chất và nhiều khía cạnh khác sẽ thay đổi đột ngột.

Khi nhiệt độ giảm, độ nhớt của chất tan chảy tăng lên và cuối cùng thủy tinh rắn được hình thành. Quá trình hóa rắn được hoàn thành trong phạm vi nhiệt độ rộng và không có tinh thể mới nào được hình thành. Phạm vi nhiệt độ chuyển từ thủy tinh nóng chảy sang thủy tinh rắn phụ thuộc vào thành phần hóa học của thủy tinh, thường dao động trong khoảng hàng chục đến hàng trăm độ, do đó thủy tinh không có điểm nóng chảy cố định mà chỉ có phạm vi nhiệt độ hóa mềm. Trong phạm vi này, thủy tinh dần dần chuyển từ dẻo nhớt sang nhớt đàn hồi. Quá trình thay đổi dần dần tính chất này là cơ sở của thủy tinh có khả năng xử lý tốt.

(4) Tính liên tục và khả năng đảo ngược của sự thay đổi tài sản

Quá trình biến đổi tính chất của vật liệu thủy tinh từ trạng thái nóng chảy sang trạng thái rắn diễn ra liên tục và thuận nghịch, trong đó có một phần vùng nhiệt độ là vùng dẻo gọi là vùng “biến đổi” hay vùng “bất thường”, trong đó tính chất có những thay đổi đặc biệt.

Trong trường hợp kết tinh, các tính chất thay đổi như thể hiện trên đường cong ABCD, t. Đó là điểm nóng chảy của vật liệu. Khi thủy tinh được hình thành bằng quá trình làm mát quá mức, quá trình này sẽ thay đổi như thể hiện trên đường cong abkfe. T là nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, t là nhiệt độ hóa mềm của thủy tinh. Đối với kính oxit, độ nhớt tương ứng với hai giá trị này là khoảng 101pa · s và 1005p · s.

Lý thuyết cấu trúc của kính vỡ

“Cấu trúc thủy tinh” dùng để chỉ cấu hình hình học của các ion hoặc nguyên tử trong không gian và cấu trúc mà chúng hình thành trong thủy tinh. Việc nghiên cứu cấu trúc thủy tinh đã hiện thực hóa sự nỗ lực và trí tuệ của nhiều nhà khoa học thủy tinh. Nỗ lực đầu tiên nhằm giải thích bản chất của thủy tinh là g. Giả thuyết chất lỏng siêu lạnh của tamman cho rằng thủy tinh là chất lỏng siêu lạnh. Quá trình thủy tinh đông đặc từ nóng chảy sang rắn chỉ là một quá trình vật lý, tức là khi nhiệt độ giảm, các phân tử thủy tinh dần dần tiến lại gần do động năng giảm , và lực tương tác tăng dần, làm cho mức độ thủy tinh tăng lên, và cuối cùng tạo thành một chất rắn dày đặc và không đều. Nhiều người đã làm được rất nhiều việc. Các giả thuyết có ảnh hưởng nhất về cấu trúc thủy tinh hiện đại là: lý thuyết sản phẩm, lý thuyết mạng ngẫu nhiên, lý thuyết gel, lý thuyết đối xứng năm góc, lý thuyết polymer, v.v. Trong số đó, cách giải thích tốt nhất về kính là lý thuyết tích và mạng ngẫu nhiên.

Lý thuyết tinh thể

Randell l đã đưa ra lý thuyết tinh thể về cấu trúc thủy tinh vào năm 1930, bởi vì kiểu bức xạ của một số loại kính giống với kiểu bức xạ của các tinh thể có cùng thành phần. Ông cho rằng thủy tinh được cấu tạo từ vật liệu vi tinh thể và vô định hình. Vi sản phẩm có sự sắp xếp nguyên tử đều đặn và có ranh giới rõ ràng với chất vô định hình. Kích thước vi sản phẩm là 1,0 ~ 1,5nm và hàm lượng của nó chiếm hơn 80%. Sự định hướng của vi tinh thể bị rối loạn. Khi nghiên cứu quá trình ủ thủy tinh quang học silicat, Lebedev nhận thấy có sự thay đổi đột ngột đường cong chiết suất của thủy tinh với nhiệt độ 520oC. Ông giải thích hiện tượng này là sự thay đổi đồng nhất của “vi tinh thể” thạch anh trong thủy tinh ở nhiệt độ 520oC. Lebedev tin rằng thủy tinh bao gồm nhiều “tinh thể”, khác với vi tinh thể. Quá trình chuyển đổi từ “tinh thể” sang vùng vô định hình được hoàn thành từng bước và không có ranh giới rõ ràng giữa chúng.