9. Аморфные твёрдые тела – стекла

Аморфные тела – это твёрдые тела, атомарная решётка которых не имеет кристаллической структуры. В аморфных телах наблюдается ближний порядок в упаковке частиц, т.е. взаимное упорядочение только соседних молекул и атомов (рис. 9.1). Для аморфных тел характерна изотропия свойств и отсутствие определённой точки плавления.

Твёрдофазное состояние аморфных тел – стёкла. Для стекла характерно наличие так называемого среднего порядка расположения атомов – на расстояниях, лишь немногим превышающим межатомные.

Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T_g.

Рис. 9.1. Сравнение атомарной решетки кристаллов и аморфных тел

Жидкие металлы, как правило, не склонны к переохлаждению с образованием стекла. Однако, недавно были открыты некоторые металлические составы, которые удалось перевести в стеклообразное состояние.

Таким образом, практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы стеклообразующих веществ не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако, некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 100000-1000000 К/с.

Независимо от химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела, сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное.

Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.

К стеклообразующим веществам относятся оксиды, фториды, а также другие вещества.

Стеклообразующие оксиды SiO₂, В₂О₃, GeО₂, Р₂О₅ имеют смешанный ионный и ковалентный характер связей. Однако, вещества с любым типом химической связи способны переходить в стеклообразное состояние.

Все стеклообразующие оксиды в расплавленном состоянии характеризуются очень высокой вязкостью. Вязкость является важным параметром, который необходимо учитывать при получении и эксплуатации стекол. От этого параметра зависит выбор условий плавления стеклообразующих компонентов, т.е. температуры расплава и времени, в течение которого сырье нагревается для получения однородного расплава. Чтобы качество продукции было высоким, необходимо «рафинировать» расплав, т.е. удалить из него пузырьки газа. Чем ниже вязкость, тем легче идет «рафинирование». После стадий плавления и рафинирования для получения стекла расплав охлаждают, а в области температур стеклования обычно проводят дополнительную термическую обработку стекла. Это делают, прежде всего, для того, чтобы придать стеклу желаемую форму. Кроме того, отжиг стекла необходим для устранения механических напряжений, которые могут возникнуть в ходе охлаждения. При выборе температуры обработки и отжига стекла, один из главных факторов, на который следует обращать внимание – это вязкость переохлажденного расплава. Вязкость является также важнейшим параметром, определяющим температуру, при которой стекло сохраняет свои основные свойства. Три главных вида стекла:

• содово-известковое стекло (1Na₂O : 1CaO : 6SiO₂);

• калийно-известковое стекло (1K₂O : 1CaO : 6SiO₂);

• калийно-свинцовое стекло (1K₂O : 1PbO : 6SiO₂).

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) или поташа (K₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O*CaO*6SiO₂. Главная составная часть стекла – 70-75% двуокиси кремния (SiO₂). Окись кальция (CaO) – делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. Доля оксидов щелочных металлов – натрия (Na₂O) или калия (K₂O) составляет 16-17%.

«Содовое стекло» можно с лёгкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддаётся обработке, а кроме того, чистое и светлое.

«Поташное стекло» более тугоплавкое, твёрдое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает сильным блеском.

Свинцовое стекло (или «хрусталь») довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Металлические стекла обладают некоторыми необычными и ценными свойствами (по сравнению с кристаллическими металлами): гораздо более высокую прочность, высокую пластичность, более высокую устойчивость в химически агрессивных средах; некоторые металлические стёкла характеризуются интересными магнитными свойствами и могут найти применение в элементах памяти.

Рекомендованная литература

1. Хеней Н. Химия твёрдого тела. – М.: Мир, 1971. – 223 с.

2. Постников В.С. Физика и химия твёрдого тела. – М.: Металлургия, 1978. – 544 с.

3. Чеботин В.Н. Физика и химия твёрдого тела. – М.: Химия, 1982. – 320 с.

4. Вест А. Химия твёрдого тела, ч. 1. – М.: Мир, 1988. – 558 с.

5. Неорганическое материаловедение: Энциклопед. изд.: В 2 т. / Под ред. В.В. Скорохода, Г.Г. Гнесина. – Киев: Наук. думка, 2008. Т.1. Основы науки о материалах / В.В. Скороход, Г.Г. Гнесин, В.М. Ажажа и др. – 1152 с.

Учебное издание

Пинчук Софья Иосифовна

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Конспект лекций

Тем. план 2011, поз.285

Подписано к печати 15.03.2011.Формат 60х84 1/16. Бумага типогр. Печать плоская.

Уч.- изд. л. 3,52. Усл. печ. л. 3,48. Тираж 300 экз. Заказ №