Структура шкла
Фізіка-хімічныя ўласцівасці шкла вызначаюцца не толькі яго хімічным складам, але і цесна звязаны з яго структурай.Толькі разумеючы ўнутраныя ўзаемасувязі паміж структурай, складам, структурай і характарыстыкамі шкла, можна зрабіць шкляныя матэрыялы або вырабы з загадзя зададзенымі фізіка-хімічнымі ўласцівасцямі шляхам змены хімічнага складу, тэрмічнай гісторыі або выкарыстання некаторых фізічных і хімічных метадаў апрацоўкі.
Характарыстыка шкла
Шкло - гэта галіна аморфнага цвёрдага рэчыва, якое з'яўляецца аморфным матэрыялам з цвёрдымі механічнымі ўласцівасцямі.Яе часта называюць «пераахалоджанай вадкасцю».У прыродзе існуе два станы цвёрдага рэчыва: добры стан і нядобры стан.Так званы непрадуктыўны стан - стан цвёрдага рэчыва, атрыманы рознымі метадамі і характарызуецца структурнай неўпарадкаванасцю.Шклопадобны стан - гэта свайго роду нестандартнае цвёрдае цела.Атамы ў шкле не маюць далёкага ўпарадкаванага размяшчэння ў прасторы, як крышталь, але яны падобныя на вадкасць і маюць блізкае ўпарадкаванае размяшчэнне.Шкло можа захоўваць пэўную форму, як цвёрдае цела, але не як вадкасць, якая цячэ пад уласным вагой.Шклопадобныя рэчывы валодаюць наступнымі асноўнымі характарыстыкамі.
(1) Размяшчэнне часціц ізатропнага шклопадобнага матэрыялу нерэгулярнае і статыстычна аднастайнае.Такім чынам, калі ў шкле няма ўнутранага напружання, яго фізічныя і хімічныя ўласцівасці (такія як цвёрдасць, модуль пругкасці, каэфіцыент цеплавога пашырэння, цеплаправоднасць, паказчык праламлення, праводнасць і г.д.) аднолькавыя ва ўсіх напрамках.Аднак, калі ў шкле ёсць напружанне, структурная аднастайнасць будзе разбурана, і шкло будзе дэманстраваць анізатрапію, напрыклад, відавочную розніцу аптычнага шляху.
(2) Метастабільнасць
Прычына таго, што шкло знаходзіцца ў метастабільным стане, заключаецца ў тым, што шкло атрымліваецца шляхам хуткага астуджэння расплаву.З-за рэзкага павелічэння глейкасці ў працэсе астуджэння часціцы не паспяваюць сфармаваць правільнае размяшчэнне крышталяў, і ўнутраная энергія сістэмы знаходзіцца не ў самым нізкім значэнні, а ў метастабільным стане;Аднак, хоць шкло знаходзіцца ў больш высокім энергетычным стане, яно не можа самаадвольна ператварыцца ў прадукт з-за яго высокай глейкасці пры пакаёвай тэмпературы;Толькі пры пэўных знешніх умовах, гэта значыць, мы павінны пераадолець патэнцыйны бар'ер матэрыялу са шклянога стану ў крышталічны, шкло можна аддзяліць.Такім чынам, з пункту гледжання тэрмадынамікі стан шкла няўстойлівы, але з пункту гледжання кінетыкі ён устойлівы.Нягледзячы на тое, што яно мае тэндэнцыю да самавыдзялення цяпла, ператвараючыся ў крышталь з нізкай унутранай энергіяй, верагоднасць пераўтварэння ў крышталічны стан вельмі малая пры пакаёвай тэмпературы, таму шкло знаходзіцца ў метастабільным стане.
(3) Няма фіксаванай тэмпературы плаўлення
Ператварэнне шклопадобнага рэчыва з цвёрдага ў вадкае ажыццяўляецца ў пэўным дыяпазоне тэмператур (дыяпазон тэмператур ператварэння), які адрозніваецца ад крышталічнага рэчыва і не мае фіксаванай тэмпературы плаўлення.Калі рэчыва ператвараецца з расплаву ў цвёрдае, калі гэта працэс крышталізацыі, у сістэме будуць утварацца новыя фазы, а тэмпература крышталізацыі, уласцівасці і многія іншыя аспекты рэзка зменяцца
Па меры паніжэння тэмпературы глейкасць расплаву павялічваецца, і, нарэшце, утвараецца цвёрдае шкло.Працэс застывання завяршаецца ў шырокім дыяпазоне тэмператур, і новыя крышталі не ўтвараюцца.Дыяпазон тэмператур пераходу ад расплаву да цвёрдага шкла залежыць ад хімічнага складу шкла, які звычайна вагаецца ў межах ад дзесяткаў да сотняў градусаў, таму шкло не мае фіксаванай тэмпературы плаўлення, а мае толькі дыяпазон тэмператур размякчэння.У гэтым дыяпазоне шкло паступова ператвараецца з вязкапластычнага ў вязкапругкае.Паступовы працэс змены гэтага ўласцівасці з'яўляецца асновай шкла з добрай апрацоўкай.
(4) Бесперапыннасць і зваротнасць змены ўласцівасці
Працэс змены ўласцівасцей шклопадобнага матэрыялу са стану плаўлення ў цвёрды стан з'яўляецца бесперапынным і зварачальным, у якім ёсць пластычная частка тэмпературнай вобласці, якая называецца "трансфармацыяй" або "ненармальнай" вобласцю, у якой уласцівасці маюць асаблівыя змены.
У выпадку крышталізацыі ўласцівасці змяняюцца, як паказана на крывой ABCD, t.Гэта тэмпература плаўлення матэрыялу.Калі шкло ўтвараецца шляхам пераахаладжэння, працэс змяняецца, як паказана на крывой abkfe.T - тэмпература стеклования, t - тэмпература размякчэння шкла.Для аксіднага шкла глейкасць, якая адпавядае гэтым двум значэнням, складае каля 101pa·s і 1005p·s.
Тэорыя структуры бітага шкла
«Структура шкла» адносіцца да геаметрычнай канфігурацыі іёнаў або атамаў у прасторы і структураўтваральнікаў, якія яны ўтвараюць у шкле.Даследаванні структуры шкла матэрыялізавалі карпатлівыя намаганні і мудрасць многіх навукоўцаў па шклу.Першая спроба растлумачыць сутнасць шкла г.Гіпотэза Таммана пра пераахалоджаную вадкасць, якая сцвярджае, што шкло з'яўляецца пераахалоджанай вадкасцю. Працэс зацвярдзення шкла з расплаву ў цвёрдае з'яўляецца толькі фізічным працэсам, гэта значыць з паніжэннем тэмпературы малекулы шкла паступова збліжаюцца з-за памяншэння кінэтычнай энергіі , і сіла ўзаемадзеяння паступова павялічваецца, у выніку чаго ступень шкла павялічваецца і, нарэшце, утвараецца шчыльнае і няправільнае цвёрдае рэчыва.Многія людзі зрабілі вялікую працу.Найбольш уплывовымі гіпотэзамі сучаснай структуры шкла з'яўляюцца: тэорыя прадукту, тэорыя выпадковых сетак, тэорыя геля, тэорыя пяцівугольнай сіметрыі, тэорыя палімераў і гэтак далей.Сярод іх лепшай інтэрпрэтацыяй шкла з'яўляецца тэорыя прадукту і выпадковай сеткі.
Тэорыя крышталяў
У 1930 г. Рэндэл вылучыў крышталічную тэорыю структуры шкла, таму што дыяграма выпраменьвання некаторых шклоў падобная да дыяграмы выпраменьвання крышталяў таго ж складу.Ён лічыў, што шкло складаецца з мікракрышталічнага і аморфнага матэрыялу.Мікрапрадукт мае правільнае размяшчэнне атамаў і відавочную мяжу з аморфным матэрыялам.Памер мікрапрадукта складае 1,0 ~ 1,5 нм, а яго змест складае больш за 80%.Арыентацыя микрокристаллического неўпарадкаваная.Пры вывучэнні адпалу сілікатнага аптычнага шкла Лебедзеў выявіў раптоўнае змяненне крывой паказчыка праламлення шкла пры тэмпературы 520 ℃.Ён патлумачыў гэтую з'яву гамагенным змяненнем «мікракрышталічнага» кварца ў шкле пры 520 ℃.Лебедзеў лічыў, што шкло складаецца з мноства «крышталяў», якія адрозніваюцца ад мікракрышталяў. Пераход ад «крышталя» да аморфнай вобласці адбываецца крок за крокам, і паміж імі няма відавочнай мяжы.
Час размяшчэння: 31 мая 2021 г