Температурный интервал стеклования
В отличие от кристаллов, стёкла не имеют определенной температуры затвердевания или плавления. Оба эти процесса протекают в некотором температурном интервале. Это принципиальное различие свойств объясняется особенностями структуры кристаллов и стёкол (рис.1.4). кристалл стекло
Рис. 1.4. Структуры кристаллического и стеклообразного состояния вещества
Энергия парного взаимодействия атомов в кристалле одинаковая: e1=e2=e3=¼=ei . При повышении температуры растет подвижность согласовано колеблющихся атомов в правильной кристаллической решетке, увеличивается среднее расстояние между ними. Из-за ангармоничности колебаний атомов возникают области уплотнения и разрежения кристаллической структуры. Появляются локальные микрообъёмы относительно близко расположенных атомов. При температуре плавления Тпл вследствие исчезновения касательных напряжений между атомами в областях разрежения возникают плоскости скольжения смежных соседних микрообъёмов с плотно расположенными атомами. Такие группировки атомов обладают высокой подвижностью и относительно свободно перемещаются в жидкости. Текучесть – основное свойство жидкости. В стекле все связи неравноценны по величине и направлению: e1¹e2¹e3¹¼¹e i . При повышении температуры растёт расстояние между атомами, силы притяжения постепенно уменьшаются без существенного ослабления связей между соседними микрообъёмами. Сначала нарушаются более слабые разрозненные связи, а затем – сильные. В стекле нет кристаллографических плоскостей, слабые связи не локализованы в определённых плоскостях, как в кристалле, а распределены случайным образом по всей структуре стекла. Так как слабые связи разрознены и разориентированы, распределены по всему объёму стекла, то при нагревании не возникает и скачкообразного роста текучести вещества. Из-за геометрически неправильной структуры стекла исключается появления плоскостей скольжения. Рост температуры приводит к постепенному разупрочнению структуры стекла. Стекло не плавится, а размягчается. При охлаждении стеклообразующий расплав переходит из жидкого состояния в пластическое и только затем в твердое состояние. Процесс стеклования: расплав®пластическое состояние®твердое состояние. При нагревании система также проходит через стадию пластического состояния. Процесс размягчения: твердое состояние®пластическое состояние®расплав Температурный интервал, в котором происходят процессы стеклования или размягчения называется температурным интервалом стеклования. Интервал стеклования ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур – температурой Тf; со стороны низких температур – температурой Тg. Тf– температура текучести (нем. fliissigheit – жидкость); Тg – температура стеклования (нем. glas – стекло); При охлаждении ниже температуры стеклования стекло теряет последние свойства жидкости, становится твёрдым телом и для него характерен хрупкий излом. При нагревании выше температуры текучести стекло теряет последние свойства твердого состояния и из стекломассы можно вытягивать нити стекла. Ниже температуры текучести формировать изделия из стекла невозможно. Процессы стеклования и размягчения являются однофазными (табл. 1.1).
Таблица 1.1 Сопоставление свойств кристаллических и стеклообразных тел
Так как в стёклах расстояния между атомами и энергии их взаимодействия для различных пар соседних атомов различаются, то в структуре стекла всегда имеется определённая доля атомов с энергией взаимодействия меньшей, чем в соответствующем кристалле. Эти атомы во многом и определяют пластические свойства стекла. Поэтому температуры Тg и Tf всегда лежат ниже температуры плавления Тпл соответствующего кристалла и зависят от состава стекла. Температуры Тgи Tf являются характеристическими температурами на температурной зависимости вязкости стёкол (табл. 1.2). Таблица 1.2 Характеристические температуры различных стёкол
Температура стеклования Тgсоответствует вязкости h = 1012,3Па×с, температура текучести Tfсоответствует вязкости h = 108 Па×с (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Температурная зависимость вязкости
Отметим очень широкий интервал изменения вязкости в интервале стеклования. Вязкость стеклообразных расплавов вблизи температуры плавления Тпл обычно очень большая. Ниже в таблице 1.3 сопоставлены вязкости различных веществ (1 Па×с = 10 пуаз).
Таблица 1.3 Вязкости расплавов различных веществ
Общие условия стеклообразования при охлаждении расплава: 1. Вязкость при понижении температуры в точке плавления должна нарастать интенсивно, но не скачкообразно. 2. Возможность перевода вещества в стеклообразное состояние из жидкого определяется для каждого вещества скоростью охлаждения в области температур, где велика вероятность кристаллизации. Скорость охлаждения в интервале от температуры ликвидуса до температуры стеклования Тgдолжна превышать критическую, при которой возможно образование центров кристаллизации. Интервал стеклования широко используется в теории и практике стекловарения. Тем не менее, границы интервала стеклования условны и зависят от условий проведения опыта. Например, для стёкол системы PbO-SiО2 получены данные (табл. 1.4).
Таблица 1.4 Изменение температуры стеклования со скоростью нагревания образца стекла
Чем выше скорость нагревания, тем больше температура стеклования. Для однозначности представлений о свойствах различных стёкол определение характеристических температур ведут при стандартной скорости нагрева образца, равной 3 град/мин. Для определения температур стеклования Тg и размягчения Тw, как правило, используют дилатометр.
Рис. 1.6. Влияние температуры на линейные размеры образца стекла
Температура стеклования находится графически (рис. 1.6) по пересечению касательных на дилатометрической кривой и является удобным критерием для анализа свойств стекла. В действительности, у стекла нет температуры стеклования, так как никакие свойства стекла при температуре Тgне меняются скачкообразно. Температура стеклования отражает появление у стекла при нагревании качественно новых свойств, отсутствующих у твёрдого стекла при низких температурах. При температуре стеклования твёрдое состояние начинает постепенно переходить в жидкое состояние. Этот процесс завершается при температуре текучести, однако в полной мере свободное течение проявляется при вязкости расплава стекла 10 Па∙с и менее. В интервале вязкости 108-102 Па∙с стекломасса пластична, что позволяет придавать стеклу различную форму, легко закрепляемую при охлаждении до интервала стеклования. Несмотря на условность понятия температуры стеклования, эта характеристическая температура широко используется в практике и теории стеклоделия. Температуру стеклования можно определить и при охлаждении образца. Например, для стекла системы Na2O-CaO-SiO2 получены следующие значения (табл. 1.5). Таблица 1.5 Влияние скорости охлаждения на температуру стеклования
С увеличением скорости охлаждения температура стеклования Тg возрастает. Такую зависимость можно обосновать теоретически, анализируя охлаждение как релаксационный процесс. Релаксация – это процесс перехода системы к равновесному состоянию. Время релаксации обратно пропорционально скорости охлаждения . С другой стороны, релаксация является активационным процессом. , где U – энергия активации процесса структурной перестройки при релаксации. Сопоставим обе зависимости:
, ,
. В правой части последнего уравнения все параметры, кроме скорости охлаждения Wохл, являются постоянными. Экспериментальное уравнение зависимости Тg = Тg (Wохл) для стеклообразных веществ имеет похожий вид:
, где С1 – постоянная, зависящая от состава стекла.
Температура стеклования тем выше, чем больше температура плавления соответствующего кристаллического вещества (табл. 1.6).
Таблица 1.6 Температуры плавления и стеклования различных оксидов
Для многих стёкол выполняется правило «двух третей»:
, что и подтверждается данными таблицы.
Популярное: Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение... Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (974)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |