24.5. Применение технических стекол.

Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты — с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и -излучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т.д. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.

25. Дисперсные системы

25.1. Введение

К дисперсиям относят тонкие пленки, нити, капилляры, волокна, аэрозоли, порошки и пр.

Дисперсной системой является совокупность дисперсий вместе со средой, в которой они распределены.

Средой, в которой распределены дисперсные частицы, может быть растворитель, газовая среда. Однако однородные дисперсии могут образовывать дисперсную систему и без среды: прессованные изделия, спекаемые материалы и пр.

Дисперсные системы - это системы с высокоразвитой поверхностью, которая придает им новые важные свойства. Дисперсными системами являются большинство окружающих нас реальных тел. Все тела как правило - это поликристаллы, волокнистые, слоистые, пористые, сыпучие вещества, существующие индивидуально (без связующих компонентов) и совместно с наполнителями, связующими и пр. (суспензии, пасты, эмульсии, пена, пыль и др.)

Дисперсное состояние веществ, их свойства, структуру, превращения изучают такие науки как физика малых частиц, физика поверхностей, физхимия, коллоидная химия, порошковая металлургия, строительное материаловедение.

Дисперсные частицы (или системы) подразделяют на:

• нанометрические d ~ 1-100 нм;

• микроскопические d ~ 1-100 мкм;

• грубодисперсные d > 10⁵ нм (> 100 мкм) (>0,1мм).

Предметом изучения данного раздела есть цепочка:

а) структура и свойства малых частиц;

б) от атомов к кластерам, от кластеров к массивным телам;

в) структура и свойства материалов, изготовленных из дисперсных тел.

Методами получения дисперсий являются: испарение-конденсация, дробление и размол, диспергирование расплава, химическое восстановление, электролиз и пр.

25.2. Свойства малых частиц

Фундаментальную роль в термодинамике дисперсных систем и малых частиц играет понятие поверхностного натяжения, как фактор интенсивности поверхностной энергий. Это связано с достаточно большой долей поверхности по отношению к объему для малых частиц, т.е. удельной поверхностью.

Удельная поверхность тела  определяется отношением площади поверхности тела S к его объему.

. (25.1)

Для дисперсных систем общая поверхность всех частиц равна - сумма площадей поверхностей всех частиц в данной системе,V – объем всей дисперсной системы.

Монодисперсные системы состоят из одинаковых по размеру частиц, а полидисперсные из неодинаковых.

Для п одинаковых частиц ,

тогда , (25.2)

т.е. дисперсность системы можно определить и по одной частице.

S₁, V₁ - площадь поверхности и объем одной частицы.

Примеры: Для частицы кубической формы со стороной а

= S₁ / V₁ = 6a² / a³ = 6a.

Для сферической частицы диаметром d

.

В общем случае , (25.3)

1/ = D – есть дисперсность - величина, обратно пропорциональная размеру частиц, К - коэффициент формы тела

. (25.4)

Зная массу частицы m = V, удельную поверхность  можно определить по формуле

, (25.5)

где  - плотность тела.

Другой характеристикой дисперсности является кривизна поверхности Н:

. (25.6)

Пример: для сферы S = 4 r²; dS = 8 r

V = 4/3  r³; dV = 4 r² ; H = 1/r.

Зависимость  от степени измельчения дана в следующей таблице

Куб, а (см)	Число частиц	Удельная пов.  (см2/см3)
1 10-1 10-4 10-7	1 103 1012 1021	6 610 6104 6107

Поверхностная энергия W_n связана с коэффициентом поверхностного натяжения 

W_n = dS. (25.7)

Зависимость  от размера частиц имеет вид

. (25.8)

При r* имеем плоскую поверхность, тогда ^, где ^ - поверхностное натяжение плоской границы.

При r  а (где а параметр решетки или межатомное расстояние)   0.

Давления, возникающие в малой частице, соответствуют уравнению Лапласа

. (25.9)

Для сферической капли r₁ = r₂ = r.

, (25.10)

где - поверхностное межфазное давление,

p_ - давление внутри частицы,

p_ - давление окружающей среды.

При кристаллизации из пара, давление пара p_r над частицей радиусом r определяется по формуле Кельвина

, (25.11)

где V_r - размер кристалла, p^ - давление пара над плоской поверхностью,

R – газовая постоянная, Т – температура.

При кристаллизации из раствора имеет место следующая формула

, (25.12)

где c_r, c^ - концентрации выпадающей фазы на поверхности частицы и на плоской границе.

Из условия равенства химических потенциалов двух фаз с помощью формулы Кельвина (25.10) Томсон получил зависимость температуры плавления частиц T_L от их размера:

, (25.13)

где  - плотность частицы,  - межфазная энергия , L - теплота плавления, Т^ - температура плавления массивного материала.

К дисперсным частицам следует отнести и кристаллические зародыши новой фазы, выпадающие из пара, раствора, расплава, аморфной среды, при твердофазных превращениях.

Изменение свободной энергии Гиббса сосуществующих и  фаз состоит из объемной и поверхностнойсоставляющих

, (25.14)

где ,

–удельная объемная энергия Гиббса, V – объем тела,  - поверхностное натяжение, S – площадь поверхности частицы.

Для сферического зародыша ,. При выпадении из, например, расплава, гдеT_L – температура плавления, Т = T_L – Т – переохлаждение.

Тогда . (25.14а)

Из условия равновесия находим критический размер зародыша

или (25.15)

При подстановке r_кр из (25.15) в (25.14а) получим работу A_k образования зародыша

. (25.16)

Скорость образования зародышей равна

, (25.17)

где k – постоянная Больцмана, G – энергия активации самодиффузии, J₀ = Const.