Структура стекла
Физико-химические свойства стекла определяются не только его химическим составом, но и тесно связаны с его строением.Только понимая внутреннюю взаимосвязь между структурой, составом, структурой и характеристиками стекла, можно будет производить стеклянные материалы или изделия с заранее заданными физико-химическими свойствами путем изменения химического состава, термической истории или использования некоторых методов физической и химической обработки.
Характеристики стекла
Стекло — это ветвь аморфного твердого тела, которое представляет собой аморфный материал с твердыми механическими свойствами.Ее часто называют «переохлажденной жидкостью».В природе существует два состояния твердого вещества: хорошее и нехорошее.Так называемое непроизводительное состояние — это состояние твердого вещества, полученное различными методами и характеризующееся структурным беспорядком.Стеклообразное состояние – это разновидность нестандартного твердого тела.Атомы в стекле не имеют дальнего упорядоченного расположения в пространстве, как кристалл, но они подобны жидкости и имеют ближнеупорядоченное расположение.Стекло может сохранять определенную форму, как твердое тело, но не как жидкость, текущая под собственным весом.Стеклообразные вещества обладают следующими основными характеристиками.
1. Расположение частиц изотропного стеклообразного материала неравномерное и статистически однородное.Поэтому, когда в стекле нет внутренних напряжений, его физические и химические свойства (такие как твердость, модуль упругости, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, показатель преломления, проводимость и т. д.) одинаковы во всех направлениях.Однако при напряжении в стекле структурная однородность будет нарушена, и в стекле появится анизотропия, например, очевидная разность оптических путей.
(2) Метастабильность
Причина, по которой стекло находится в метастабильном состоянии, заключается в том, что стекло получается путем быстрого охлаждения расплава.Из-за резкого увеличения вязкости в процессе охлаждения частицы не успевают образовать правильное расположение кристаллов, а внутренняя энергия системы находится не на самом низком значении, а в метастабильном состоянии;Однако, хотя стекло и находится в более высоком энергетическом состоянии, оно не может самопроизвольно превратиться в продукт из-за своей высокой вязкости при комнатной температуре;Только при определенных внешних условиях, то есть мы должны преодолеть потенциальный барьер материала из стеклообразного состояния в кристаллическое, можно отделить стекло.Поэтому с точки зрения термодинамики состояние стекла неустойчиво, а с точки зрения кинетики — устойчиво.Хотя оно имеет тенденцию самовыделять тепло и превращаться в кристалл с низкой внутренней энергией, вероятность перехода в кристаллическое состояние очень мала при комнатной температуре, поэтому стекло находится в метастабильном состоянии.
(3) Нет фиксированной точки плавления.
Превращение стеклообразного вещества из твердого вещества в жидкость осуществляется в определенном интервале температур (интервале температур превращения), отличном от кристаллического вещества и не имеющем фиксированной температуры плавления.При переходе вещества из расплава в твердое состояние, если это процесс кристаллизации, в системе образуются новые фазы, а температура кристаллизации, свойства и многие другие аспекты резко изменяются.
По мере понижения температуры вязкость расплава увеличивается и, наконец, образуется твердое стекло.Процесс затвердевания завершается в широком диапазоне температур, и новые кристаллы не образуются.Температурный диапазон перехода от расплавленного стекла к твердому зависит от химического состава стекла, который обычно колеблется в пределах десятков и сотен градусов, поэтому стекло не имеет фиксированной температуры плавления, а имеет только диапазон температур размягчения.В этом диапазоне стекло постепенно превращается из вязкопластического в вязкоупругое.Процесс постепенного изменения этого свойства является основой стекла с хорошей обрабатываемостью.
(4) Непрерывность и обратимость изменения свойств.
Процесс изменения свойств стеклообразного материала из состояния плавления в твердое состояние является непрерывным и обратимым, в котором существует участок температурной области, который является пластичным, называемым «превращением» или «аномальной» областью, в которой свойства имеют особые изменения.
В случае кристаллизации свойства изменяются, как показано на кривой ABCD, т. е.Это точка плавления материала.Когда стекло формируется в результате переохлаждения, процесс меняется, как показано на кривой abkfe.Т – температура стеклования, Т – температура размягчения стекла.Для оксидного стекла вязкость, соответствующая этим двум значениям, составляет около 101Па·с и 1005Па·с.
Теория структуры битого стекла
«Структура стекла» относится к геометрической конфигурации ионов или атомов в пространстве и структурообразователям, которые они образуют в стекле.Исследования структуры стекла материализовали кропотливые усилия и мудрость многих ученых, занимающихся стеклом.Первой попыткой объяснить сущность стекла является г.Гипотеза переохлажденной жидкости Таммана, согласно которой стекло представляет собой переохлажденную жидкость. Процесс затвердевания стекла из расплава в твердое состояние является лишь физическим процессом, то есть с понижением температуры молекулы стекла постепенно сближаются за счет уменьшения кинетической энергии. , и сила взаимодействия постепенно увеличивается, что приводит к увеличению степени стекла и, наконец, к образованию плотного и неправильного твердого вещества.Многие люди проделали большую работу.Наиболее влиятельными гипотезами структуры современного стекла являются: теория продукта, теория случайных сетей, теория геля, теория пятиугольной симметрии, теория полимеров и так далее.Среди них лучшей интерпретацией стакана является теория произведения и случайной сети.
Кристаллическая теория
Рэнделл I выдвинул кристаллическую теорию строения стекла в 1930 году, поскольку диаграмма направленности некоторых стекол аналогична диаграмме направленности кристаллов того же состава.Он считал, что стекло состоит из микрокристаллического и аморфного материала.Микропродукт имеет правильное расположение атомов и четкую границу с аморфным материалом.Размер микропродукта составляет 1,0 ~ 1,5 нм, а его содержание составляет более 80%.Ориентация микрокристаллов неупорядочена.Изучая отжиг силикатного оптического стекла, Лебедев обнаружил резкое изменение кривой показателя преломления стекла с температурой 520 ℃.Он объяснил это явление гомогенным изменением «микрокристаллического» кварца в стекле при 520 ℃.Лебедев считал, что стекло состоит из многочисленных «кристаллов», отличных от микрокристаллических. Переход от «кристалла» к аморфной области совершается постепенно, и между ними нет четкой границы.
Время публикации: 31 мая 2021 г.