Pamatzināšanas par stiklu

Stikla struktūra

Stikla fizikāli ķīmiskās īpašības nosaka ne tikai tā ķīmiskais sastāvs, bet arī cieši saistītas ar tā struktūru.Tikai izprotot iekšējās attiecības starp stikla struktūru, sastāvu, struktūru un veiktspēju, var izgatavot stikla materiālus vai izstrādājumus ar iepriekš noteiktām fizikāli ķīmiskajām īpašībām, mainot ķīmisko sastāvu, termisko vēsturi vai izmantojot kādas fizikālās un ķīmiskās apstrādes metodes.

Stikla īpašības

Stikls ir amorfas cietas vielas atzars, kas ir amorfs materiāls ar cietām mehāniskām īpašībām.To bieži sauc par "pārdzesētu šķidrumu".Dabā ir divi cietās vielas stāvokļi: labā stāvoklī un slikti stāvoklī.Tā sauktais neproduktīvais stāvoklis ir cietas vielas stāvoklis, kas iegūts ar dažādām metodēm un ko raksturo struktūras traucējumi.Stiklveida stāvoklis ir sava veida nestandarta cieta viela.Stikla atomiem nav tālā diapazonā sakārtota izkārtojuma telpā kā kristālam, bet tie ir līdzīgi šķidrumam un tiem ir neliela attāluma sakārtots izvietojums.Stikls var saglabāt noteiktu formu kā ciets, bet ne kā šķidrums, kas plūst zem sava svara.Stiklainām vielām ir šādas galvenās īpašības.

(1) Izotropa stiklveida materiāla daļiņu izvietojums ir neregulārs un statistiski vienmērīgs.Tāpēc, ja stiklā nav iekšēja sprieguma, tā fizikālās un ķīmiskās īpašības (piemēram, cietība, elastības modulis, termiskās izplešanās koeficients, siltumvadītspēja, laušanas koeficients, vadītspēja utt.) visos virzienos ir vienādas.Tomēr, ja stiklā ir spriegums, struktūras viendabīgums tiks iznīcināts, un stikls parādīs anizotropiju, piemēram, acīmredzamu optiskā ceļa atšķirību.

(2) Metastabilitāte

Iemesls, kāpēc stikls ir metastabilā stāvoklī, ir tas, ka stikls tiek iegūts, ātri atdzesējot kausējumu.Tā kā dzesēšanas procesā strauji palielinās viskozitāte, daļiņām nav laika veidot regulāru kristālu izvietojumu, un sistēmas iekšējā enerģija nav zemākajā vērtībā, bet metastabilā stāvoklī;Tomēr, lai gan stikls ir augstākas enerģijas stāvoklī, tas nevar spontāni pārveidoties par produktu, jo tam ir augsta viskozitāte istabas temperatūrā;Tikai noteiktos ārējos apstākļos, tas ir, mums ir jāpārvar materiāla iespējamā barjera no stiklveida stāvokļa uz kristālisku stāvokli, stiklu var atdalīt.Tāpēc no termodinamikas viedokļa stikla stāvoklis ir nestabils, bet no kinētikas viedokļa – stabils.Lai gan tam ir tendence pašaizvadīt siltumu, kas pārvēršas kristālos ar zemu iekšējo enerģiju, istabas temperatūrā pārtapšanas kristāla stāvoklī iespējamība ir ļoti maza, tāpēc stikls atrodas metastabilā stāvoklī.

(3) Nav fiksētas kušanas temperatūras

Stiklveida vielas pārveidošana no cietas uz šķidru notiek noteiktā temperatūras diapazonā (transformācijas temperatūras diapazonā), kas atšķiras no kristāliskās vielas un kam nav noteikta kušanas punkta.Kad viela no kausējuma pārvēršas cietā, ja tas ir kristalizācijas process, sistēmā veidosies jaunas fāzes, un krasi mainīsies kristalizācijas temperatūra, īpašības un daudzi citi aspekti.

Temperatūrai pazeminoties, kausējuma viskozitāte palielinās, un visbeidzot veidojas cietais stikls.Cietināšanas process tiek pabeigts plašā temperatūras diapazonā, un jauni kristāli neveidojas.Temperatūras diapazons pārejai no kausējuma uz cietu stiklu ir atkarīgs no stikla ķīmiskā sastāva, kas parasti svārstās no desmitiem līdz simtiem grādu, tāpēc stiklam nav noteikta kušanas punkta, bet ir tikai mīkstināšanas temperatūras diapazons.Šajā diapazonā stikls pakāpeniski pārvēršas no viskoplastiska par viskoelastīgu.Šīs īpašības pakāpeniskais maiņas process ir labas apstrādājamības stikla pamatā.

(4) Īpašuma maiņas nepārtrauktība un atgriezeniskums

Stiklveida materiāla īpašību maiņas process no kušanas stāvokļa uz cietu stāvokli ir nepārtraukts un atgriezenisks, kurā ir plastiska temperatūras apgabala daļa, ko sauc par "transformācijas" vai "nenormālo" apgabalu, kurā īpašības mainās.

Kristalizācijas gadījumā īpašības mainās, kā parādīts līknē ABCD, t.Tas ir materiāla kušanas punkts.Kad stikls veidojas pārdzesējot, process mainās, kā parādīts abkfe līknē.T ir stiklošanās temperatūra, t ir stikla mīkstināšanas temperatūra.Oksīda stiklam viskozitāte, kas atbilst šīm divām vērtībām, ir aptuveni 101pa · s un 1005p · s.

Stikla šķembu struktūras teorija

“Stikla struktūra” attiecas uz jonu vai atomu ģeometrisko konfigurāciju telpā un struktūras veidotājus, ko tie veido stiklā.Stikla struktūras pētījumi ir attaisnojuši daudzu stikla zinātnieku rūpīgos centienus un gudrību.Pirmais mēģinājums izskaidrot stikla būtību ir g.Tammana pārdzesēta šķidruma hipotēze, kas apgalvo, ka stikls ir pārdzesēts šķidrums, Stikla sacietēšanas process no kausējuma līdz cietam ir tikai fizikāls process, tas ir, temperatūrai pazeminoties, stikla molekulas pakāpeniski tuvojas kinētiskās enerģijas samazināšanās dēļ. , un mijiedarbības spēks pakāpeniski palielinās, kas liek stikla pakāpei palielināties un visbeidzot veido blīvu un neregulāru cietu vielu.Daudzi cilvēki ir paveikuši lielu darbu.Mūsdienu stikla struktūras ietekmīgākās hipotēzes ir: produktu teorija, nejaušības tīkla teorija, gēla teorija, piecu leņķu simetrijas teorija, polimēru teorija un tā tālāk.Starp tiem labākā stikla interpretācija ir produkta un nejaušā tīkla teorija.

Kristālu teorija

Randels l izvirzīja stikla struktūras kristāla teoriju 1930. gadā, jo dažu stiklu starojuma modelis ir līdzīgs tāda paša sastāva kristāliem.Viņš domāja, ka stikls sastāv no mikrokristāliskiem un amorfiem materiāliem.Mikroproduktam ir regulārs atomu izvietojums un acīmredzama robeža ar amorfu materiālu.Mikroprodukta izmērs ir 1,0–1,5 nm, un tā saturs veido vairāk nekā 80%.Mikrokristāliskā orientācija ir nesakārtota.Pētot silikāta optiskā stikla atkausēšanu, Ļebedevs atklāja, ka stikla laušanas koeficienta līknē ir notikušas pēkšņas izmaiņas ar temperatūru 520 ℃.Viņš skaidroja šo parādību kā kvarca “mikrokristāliskā” viendabīgu izmaiņu stiklā 520 ℃ temperatūrā.Ļebedevs uzskatīja, ka stikls sastāv no daudziem “kristāliem”, kas atšķiras no mikrokristāliskiem. Pāreja no “kristāla” uz amorfo reģionu tiek pabeigta soli pa solim, un starp tiem nav acīmredzamas robežas.