Природа стеклообразного состояния (характеристика и особенности свойств стекол)
(рассматриваются оксидные стекла)
1. изотропия свойств (характерно для твердых аморфных тел);
2. отсутствие определенной температуры плавления – термопластичность (характерно для твердых аморфных тел);
a. т.е. обладающие в результате постепенного повышения вязкости с повышением температуры механическими свойствами твердых тел;
b. процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратим;
3. сравнительно большая вязкость , Пас;
4. пространственная структура – «сетка», «каркас»;
Атомы и ионы начинают полимеризоваться – объединяться в крупные молекулы и комплексы (т.н. кластеры)
Увеличиваются размеры молекул Снижается скорость колебательно движения Повышается вязкость Именно так образуется типичное стекло.
Металлы не склонны образовывать кластеры в расплавах (имеют плотную упаковку – координационное число = 8…12 - и ненаправленную металлическую связь)
5. термодинамическая неустойчивость
Стекла термодинамически неравновесны – при определенных температурных условиях они способны к рекристаллизации – т.н. расстекловыванию. Расстекловывание повышает хрупкость, портит (снижает) прозрачность. Борьба: - подбор состава, соответствующего условиям эксплуатации; сокращение срока пребывания в области опасных температур…Механизм расстекловывания…
6. малая теплота кристаллизации (отсутствие площадки на кривой плавления)
7. химический состав (оксиды – самые разные)
1. оксиды стеклообразующие (способные создавать пространственную сетку): - оксиды Si, B, P, Y, Ge, As; правило: в любом стекле должен быть хотя бы один стеклообразующий оксид;
2. оксиды, не дающие стабильной стекловидной структуры:
2.1. оксиды Al, Fe и др. (но они способны замещать стеклообразующие оксиды в структурной сетке);
2.2. оксиды ЩМ и ЩЗМ (Na, K, Ca,…) – некоторые могут подавлять склонность к кристаллизации и даже приводить к дефектам на молекулярном уровне, но сильно снижают вязкость стекол, что очень важно технологически (снижается температура варки стекла и обработки изделий). Иногда их называют модификаторами. По содержанию оксидов ЩМ и ЩЗМ стекла бывают:
2.2.1. бесщелочные (кварцевое)
2.2.2. щелочные без тяжелых оксидов (натриевые, калиевые, калийнатриевые)
2.2.3. щелочные с высоким содержанием щелочных оксидов (силикатно-свинцовое, бариевое)
8. малое изменение объема при плавлении
Это связано с межатомными силами. Связи Si=O очень прочные и межатомные расстояния при повышении температуры меняются очень незначительно: это особенно понятно на примере кварцевого стекла, состоящего на 99,9% из выше указанных тетраэдров, соединенных в сетку. Другие стекла содержат кроме указанных тетраэдров другие элементы (катионы Al, B, K, Na). Под влиянием последних прочность связей Si=O ослабевает и стекло сильнее расширяется при нагреве и легче плавится. Заметим, что кварцевое стекло имеет низкое значение ТКЛР.
9. поверхностное натяжение (силы поверхностного натяжения)