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玻璃的特征-玻璃容器器皿

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020-4-1     瀏覽次數:    

  玻璃態是物質的一種存在狀態,一般由熔體冷卻、黏度逐漸增大而獲得;近代也可通過非熔融法制備,例如:由氣相沉積或氣相水解而制取,通過溶液低溫合成,應用沖擊波,中子輻照使晶態物質轉化為非晶態物質等。玻璃是一種具有無規則結構的非晶態固體,其原子不像晶體那樣在空間作長程有序的排列,而近似于液體那樣具有短程有序。玻璃的機械性質類似同組成的晶體,破碎時往往具有貝殼狀斷裂面。玻璃態物質具有以下幾個特性。(1)各向同性玻璃態物質的任何方向都具有相同性質。就是說,玻璃態物質各個方向的硬度、彈性模量、熱膨脹系數、熱傳導系數、折射率、導電率等都是相同的,而非等軸晶系的晶體具有各向異性。實際上,玻璃的各向同性是統計均質結構的外在表現,這點與液體有類似性。必須指出,玻璃中存在內應力時,結構均勻性就會遭受破壞,玻璃就顯示出各向異性,例如出現明顯的雙折射現象。

 ?。?)介穩性玻璃處于介穩狀態,就是說,玻璃態物質是由熔融體過冷卻或其他方法形成玻璃時,系統所含有的內能并不處于最低值。我們知道,熔體冷卻轉化為晶體時,釋出的能量相等于晶體熔化時的潛熱。但當熔體過冷為固態玻璃時,釋出的能量小于相應晶體的熔化潛熱。圖2-1表明,玻璃的熱焓大于同組成晶體的熱焓。圖中曲線ABKFE為熔體轉化為玻璃時熱焓與溫度的變化曲線,它不像曲線ABCD那樣,在Tm點有明顯的熱焓下降,結晶態物質有固定熔點,在Tm處固液兩相共存,在Tg溫度附近,熱焓的下降趨于緩和。Tg與冷卻速度有關,圖2-1中分別為Tg1和Tg2。一般高能量狀態有向低能量狀態轉化的趨勢。然而,玻璃即使處于高能量狀態,由于常溫黏度很大,因而實際上不能自發地轉化為晶體;只有在一定條件下,即必須克服析晶活化能(物質由玻璃態轉化為晶態的勢壘),才能使玻璃析晶。因此從熱力學的觀點看玻璃態是不穩定的,但從動力學的觀點看它又是穩定的,因為常溫下轉變為晶態的概率非常小,所以說玻璃處于介穩狀態。

 ?。?)玻璃的成分在一定的范圍內可以連續變化,與此相應性質也隨之連續的變化除形成連續固溶體外,二元以上晶體化合物有固定的原子分子比,因此它們的性質變化是非連續的。但玻璃不同,在玻璃形成范圍內,成分可以連續變化,圖2-2為R2O-SiO2系統玻璃分子體積的變化,由圖可見分子體積隨著R2O增加或者連續下降(加入Li2O或Na2O),或者連續增加(加入K2O時),由于這種變化的連續性,因此大部分情況下,玻璃的一些物理性質是玻璃中所含各種氧化物具有的部分性質之和,利用玻璃性質的加和性可以通過公式計算已知組成玻璃的性質。

 ?。?)玻璃在固態和熔融態間可逆轉化時,物理化學性質的變化是連續的和漸變的當物質由熔體向固體轉化時,如果是結晶過程,在系統中必有新相出現。在結晶溫度時、許多性質發生突變。但當熔體向固態玻璃轉化時,凝固過程在較寬廣的范圍內完成。隨著溫度的逐漸下降,熔體的黏度愈來愈大,最后形成固態玻璃,但始終沒有新的晶相出現。從熔體向固態玻璃過渡的溫度范圍決定于玻璃的成分,一般波動在幾十至幾百度內,因而玻璃并沒有固定的熔點,而只有一個軟化溫度范圍。在此范圍內,玻璃由塑性變形轉入彈性變形。以玻璃的比容為例,它隨溫度而變的曲線示于圖2-1。由圖可見,當熔體冷卻轉化為晶體時,在固化時出現比容的突變,而熔體轉化為固態玻璃時,并不出現比容的突變點。玻璃性質隨溫度的改變遵循兩種類型曲線(圖2-3)。有些性質如玻璃的熱容,比容按曲線1變化,而其他一些性質(如熱容Cp=dU/dT,U為內能,T為熱力學溫度),熱膨脹系數等按曲線2變化。由圖可見,曲線1和2均可劃分三段:①ab———低溫部分,幾乎呈直線關系;②cd———高溫部分,也幾乎呈直線關系;③bc———中溫部分,特點是性質隨溫度的變化加速進行。我們考察曲線1或2時,可以注意到兩個特征溫度間的溫度區(即相應于bc段的溫度區,介于Tg和Tf間)Tg相應于1012Pa·s黏度的溫度,稱轉變點。在該溫度時,可以消除玻璃制品中的內應力,因而也稱為退火溫度或轉變溫度。Tf稱為軟化點,相應于108Pa·s黏度的溫度。在Tg和Tf間(稱為玻璃轉變溫度區)玻璃性質隨溫度的變化并不呈直線。圖2-3,曲線3d2 G/dT2表示與溫度二階導數有關的各項性質如熱導率、機械性質等。綜上所述,任何物質只要具有上述四個基本特征,不論它們的化學組成如何都可稱為玻璃。

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