Conoscenza di base del vetro

La struttura del vetro

Le proprietà fisico-chimiche del vetro non sono determinate solo dalla sua composizione chimica, ma sono anche strettamente legate alla sua struttura.Solo comprendendo la relazione interna tra struttura, composizione, struttura e prestazioni del vetro, è possibile realizzare materiali o prodotti in vetro con proprietà fisico-chimiche predeterminate modificando la composizione chimica, la storia termica o utilizzando alcuni metodi di trattamento fisico e chimico.

Caratteristiche del vetro

Il vetro è un ramo del solido amorfo, che è un materiale amorfo con proprietà meccaniche solide.Viene spesso chiamato “liquido superraffreddato”.In natura esistono due stati della materia solida: stato buono e stato non buono.Il cosiddetto stato non produttivo è lo stato della materia solida ottenuto con metodi diversi e caratterizzato da disordine strutturale.Lo stato vetroso è una sorta di solido non standard.Gli atomi nel vetro non hanno una disposizione ordinata a lungo raggio nello spazio come il cristallo, ma sono simili al liquido e hanno una disposizione ordinata a corto raggio.Il vetro può mantenere una certa forma come un solido, ma non come un liquido che scorre sotto il proprio peso.Le sostanze vetrose hanno le seguenti caratteristiche principali.

(1) La disposizione delle particelle di materiale vetroso isotropo è irregolare e statisticamente uniforme.Pertanto, quando non vi sono tensioni interne nel vetro, le sue proprietà fisiche e chimiche (come durezza, modulo elastico, coefficiente di dilatazione termica, conducibilità termica, indice di rifrazione, conduttività, ecc.) sono le stesse in tutte le direzioni.Tuttavia, quando c'è stress nel vetro, l'uniformità strutturale verrà distrutta e il vetro mostrerà anisotropia, come un'evidente differenza del percorso ottico.

(2) Metastabilità

Il motivo per cui il vetro è in stato metastabile è che il vetro è ottenuto mediante un rapido raffreddamento della massa fusa.A causa del forte aumento della viscosità durante il processo di raffreddamento, le particelle non hanno il tempo di formare una disposizione regolare di cristalli e l'energia interna del sistema non è al valore più basso, ma in uno stato metastabile;Tuttavia, nonostante il vetro si trovi in ​​uno stato energetico più elevato, non può trasformarsi spontaneamente nel prodotto a causa della sua elevata viscosità a temperatura ambiente;Solo in determinate condizioni esterne, vale a dire quando dobbiamo superare la potenziale barriera del materiale dallo stato vetroso allo stato cristallino, il vetro può essere separato.Pertanto, dal punto di vista della termodinamica, lo stato del vetro è instabile, ma dal punto di vista della cinetica è stabile.Sebbene abbia la tendenza a rilasciare calore trasformandosi in cristallo con bassa energia interna, la probabilità di trasformarsi in cristallo è molto piccola a temperatura ambiente, quindi il vetro è in stato metastabile.

(3) Nessun punto di fusione fisso

La trasformazione della sostanza vetrosa da solida a liquida viene effettuata in un determinato intervallo di temperature (intervallo di temperature di trasformazione), che è diverso dalla sostanza cristallina e non ha un punto di fusione fisso.Quando una sostanza viene trasformata da fusa a solida, se si tratta di un processo di cristallizzazione, nel sistema si formeranno nuove fasi e la temperatura di cristallizzazione, le proprietà e molti altri aspetti cambieranno bruscamente

Quando la temperatura diminuisce, la viscosità della massa fusa aumenta e alla fine si forma il vetro solido.Il processo di solidificazione viene completato in un ampio intervallo di temperature e non si formano nuovi cristalli.L'intervallo di temperatura di transizione dal vetro fuso al vetro solido dipende dalla composizione chimica del vetro, che generalmente oscilla tra decine e centinaia di gradi, quindi il vetro non ha un punto di fusione fisso, ma solo un intervallo di temperature di rammollimento.In questa gamma il vetro si trasforma gradualmente da viscoplastico a viscoelastico.Il processo di cambiamento graduale di questa proprietà è alla base di un vetro con buona lavorabilità.

(4) Continuità e reversibilità del cambiamento di proprietà

Il processo di cambiamento delle proprietà del materiale vetroso dallo stato di fusione allo stato solido è continuo e reversibile, in cui esiste una sezione della regione di temperatura che è plastica, chiamata regione di “trasformazione” o “anomala”, in cui le proprietà presentano cambiamenti particolari.

Nel caso della cristallizzazione le proprietà cambiano come mostrato nella curva ABCD, t.È il punto di fusione del materiale.Quando il vetro si forma mediante sottoraffreddamento, il processo cambia come mostrato nella curva abkfe.T è la temperatura di transizione vetrosa, t è la temperatura di rammollimento del vetro.Per l'ossido di vetro, la viscosità corrispondente a questi due valori è di circa 101pa · se 1005p · s.

Teoria della struttura del vetro rotto

La “struttura del vetro” si riferisce alla configurazione geometrica degli ioni o degli atomi nello spazio e ai formatori della struttura che formano nel vetro.La ricerca sulla struttura del vetro ha concretizzato gli sforzi scrupolosi e la saggezza di molti scienziati del vetro.Il primo tentativo di spiegare l'essenza del vetro è g.Ipotesi del liquido superraffreddato di Tamman, secondo cui il vetro è un liquido superraffreddato. Il processo di solidificazione del vetro da fuso a solido è solo un processo fisico, cioè con la diminuzione della temperatura, le molecole di vetro si avvicinano gradualmente a causa della diminuzione dell'energia cinetica , e la forza di interazione aumenta gradualmente, il che fa aumentare il grado di vetro e infine forma una sostanza solida densa e irregolare.Molte persone hanno lavorato molto.Le ipotesi più influenti sulla moderna struttura del vetro sono: teoria del prodotto, teoria delle reti casuali, teoria dei gel, teoria della simmetria a cinque angoli, teoria dei polimeri e così via.Tra questi, la migliore interpretazione del vetro è la teoria del prodotto e della rete casuale.

Teoria dei cristalli

Randell l avanzò la teoria cristallina della struttura del vetro nel 1930, perché il diagramma di radiazione di alcuni vetri è simile a quello dei cristalli della stessa composizione.Pensava che il vetro fosse composto da materiale microcristallino e amorfo.Il microprodotto ha una disposizione atomica regolare e un confine evidente con il materiale amorfo.La dimensione del microprodotto è 1,0 ~ 1,5 nm e il suo contenuto rappresenta oltre l'80%.L'orientamento del microcristallino è disordinato.Studiando la ricottura del vetro ottico ai silicati, Lebedev scoprì che si verificava un improvviso cambiamento nella curva dell'indice di rifrazione del vetro con una temperatura di 520 ℃.Ha spiegato questo fenomeno come il cambiamento omogeneo del quarzo “microcristallino” nel vetro a 520 ℃.Lebedev credeva che il vetro fosse composto da numerosi “cristalli”, che sono diversi da quelli microcristallini. La transizione dalla regione “cristallo” a quella amorfa viene completata passo dopo passo e non esiste alcun confine evidente tra loro.