- •Специальные разделы оптического материаловедения
- •Термодинамика фазовых равновесий
- •1.1 Общие сведения о термодинамике
- •1 Предмет термодинамики1
- •1.1.2 Термодинамическая система, виды систем
- •Изолированные системы – те, которые не имеют возможности обмениваться веществом и энергией с окружением и имеющие постоянный объем.
- •1.1.3 Параметры состояния, параметры процессов
- •1.1.4 Функции состояния
- •1.1.5 Виды процессов
- •1.1.6 Внутренняя энергия, теплота и работа
- •1.1.7 Максимальная работа при изобарических, изотермических, адиабатических и изохорных процессах
- •1.2 Законы термодинамики
- •1.2.2 II закон термодинамики и энтропия как термодинамическая функция
- •1.2.3 Энтропия и термодинамическая вероятность. III закон термодинамики
- •Следствия Законов
- •1.2.5 Термодинамические функции, важные для материаловедения.
- •1.2.6 Применение термодинамических понятий в других областях науки
- •1.3 Производные термодинамических потенциалов и фазовые переходы
- •1.3.1 Первые производные термодинамических потенциалов, их физический
- •1.3.2 Вторые производные термодинамических потенциалов (соотношения
- •1.3.3 Фазовые переходы I и II рода.
- •1.3.4 Фазовые переходы I рода. Барическая зависимость фазовых переходов I рода:
- •1.4 Теория фазовых равновесий
- •1.4.1 Понятия «фазовые равновесия», «компонент», «диаграмма состояний»,
- •1.4.2 Понятие химического потенциала. Условия равновесия фаз. Правило фаз
- •1.4.3 Диаграмма состояний однокомпонентной системы
- •1.4.5 Эвтектики (двухкомпонентные системы). Линии ликвидуса и солидуса.
- •1.4.6 Твердые растворы (двухкомпонентные системы). Значение твердых
- •1.4.7 Ограниченные твердые растворы
- •1.4.8 Упорядочение твердых растворов
- •1.4.9 Полная несмешиваемость в жидком и в твердом состояниях
- •1.4.10 Системы с расслаиванием в жидком состоянии. Стабильное и
- •1.4.11 Системы с образованием химических соединений (двухкомпонентные
- •1.4.12 Системы с образованием химических соединений (двухкомпонентные
- •1.4.13 Трёхкомпонентные системы (принципы изображения,
- •1.4.14 Комбинация элементов диаграмм состояний. Физико-химический анализ.
- •2. Фазовые переходы и кинетическая теория стеклования
- •2.1 Стеклование
- •2.1.1 Принципиальная особенность фазовых переходов I и II рода в общей
- •2.1.2 Природа взаимодействия в конденсированных системах (общие
- •Ионное взаимодействие
- •Взаимодействие в металлах
- •Ковалентное взаимодействие
- •Водородные связи
- •Взаимодействие Ван-дер-Ваальса
- •Энергия химических связей
- •2.1.3 Основные особенности строения жидкостей и принцип их обобщенного
- •2.1.4 Общие сведения о релаксационных процессах как о процессах перехода от
- •2.1.5 Равновесные и мгновенные свойства жидкостей
- •2.1.6 Переохлажденные жидкости как частный случай метастабильного
- •2.1.7 Проявление стеклования на свойствах жидкостей
- •2.1.8 Определение стеклообразного состояния как лабильного (абсолютно
- •2.1.9 Математическое описание стеклования в кинетической теории. Твердо- и
- •2.1.10 Время релаксации структуры и его зависимость от температуры.
- •2.1.11 Соотношение температур стеклования и плавления (правило «2/3»
- •2.2 Кристаллизация расплавов стекол
- •2.2.1 Термодинамические особенности метастабильной жидкости
- •2.2.2 Работа образования зародыша кристаллизации20
- •2.2.3 Кривые Таммана а) скорость зарождения и кривая зарождения.
- •Б) скорость роста и кривая роста.
- •2.2.4 Методы изучения кристаллизационной способности и её
- •А) политермический метод и диаграммы кристаллизационной способности
- •Б) фазовый состав и морфология кристаллов.
- •В) дифференциальный термический анализ.
- •Г) скорость кристаллизации
- •2.2.5 Типы кристаллизации
- •2.2.6 Катализированная кристаллизация; ситаллы
- •2.2.7 Связь кристаллизационной способности с диаграммой состояния
- •3.Термодинамика стеклообразного состояния
- •3.1.1 Термодинамические переменные, используемые при математическом
- •3.1.2 Математическое описание избыточной свободной энергии лабильной
- •3.1.3 Математическое условие стеклования, налагаемое на изменения
- •3.1.4 Соотношение Пригожина-Дефея и его экспериментальная проверка
- •3.1.5 Термодинамический инвариант стеклообразного состояния
- •3.1.6 Следствия, вытекающие из соотношений термодинамики
- •5. Релаксационные процессы в стеклообразном состоянии. Ионная проводимость и ионный обмен
- •5.1.1 Зависимость температуры стеклования от скорости охлаждения
- •5.1.2 Процессы и законы релаксационных изменений свойств, структурная
- •5.1.3 Оценка времени достижения равновесного состояния в процессе отжига
- •5.1.4 Физическое старение стекла при комнатной температуре52
- •5.1.5 Релаксационные явления при переходе через температуру стеклования
- •5.1.6 «Кроссовер эффект»
- •5.1.7 Расчёт изменения свойств при отжиге стекол на основании
- •5.2 Природа ионной проводимости и диффузии в стеклах.
- •5.2.1 Структура стекла и основы механизма
- •5.2.2 Законы диффузии и соотношение Нернста – Эйнштейна
- •5.2.3 Основное статистическое уравнение проводимости. Энергия активации.
- •5.2.4 Общие корреляции, ряд подвижностей
- •5.2.5 Основные закономерности электропроводности, определяемые составом
- •5.2.6 Ионообменные процессы и проблемы современной оптической технологии
- •5.2.7 Ионообменные процессы с растворами. Стеклянный электрод.
- •6. Взаимосвязь между основными видами релаксационных процессов в стеклах
- •6.4.1 Соотношение Максвелла для проводимости диэлектриков
- •6.4.2 Соотношение Максвелла для проводимости диэлектриков как основа связи
- •6.4.3 Экспериментальная проверка возможности расчёта температуры «ионного» максимума внутреннего трения по данным проводимости
- •7. Основные принципы химической устойчивости стекол
- •7.1.1 Практическая значимость свойства и его физико-химическое
- •7.1.2 Методы испытания и классификация стекол по группам
- •Группы химической устойчивости бесцветного оптического стекла к действию кислоты и дистиллированной воды
- •Группы химической устойчивости бесцветного оптического стекла к действию влажной атмосферы
- •7.1.3 Влияние компонентов состава стекла на химическую устойчивость
- •7.1.4 Способы защиты оптических деталей от химического разрушения
- •8. Специфика некоторых структурных явлений в регистрирующих средах
- •8.1. Фотоструктурные изменения в халькогенидных стеклах, их существо и
- •8.2 Структурно-фазовые изменения в жидких кристаллах и физико-химическая
- •8.2.1 Общие представления о жидких кристаллах
- •8.2.2 Специфика изменения электрических и магнитных свойств при
Б) фазовый состав и морфология кристаллов.
С помощью минералогического микроскопа и с применением иммерсионных жидкостей определяют форму (морфологию) кристаллов (иглы, призмы, сферолиты, таблички и пр.), показатели преломления по различным направлениям каждого типа кристаллов и другие кристаллооптические характеристики21. Обычно предварительными исследованиями уже установлены все отличительные признаки кристаллических фаз, их можно найти в справочниках или в технической документации. Они и служат основой идентификации фаз.
Для идентификации кристаллов используют также рентгенофазовый анализ.
В) дифференциальный термический анализ.
Этот метод в современном материаловедении используют в варианте дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Порошок стекла помещают в ампулу и в режиме плавного нагревания изучают термические эффекты (поглощение и выделение тепла) в этой ампуле с помощью термопары. К этой термопаре присоединена компенсирующим способом (встречно) такая же термопара, спай которой регистрирует температуру стандартного вещества (обычно это Al2O3), которое в изучаемом интервале температур не претерпевает фазовых превращений. Выделение и поглощение тепла и резкие изменения теплоемкости регистрируются как отклонения от монотонной зависимости суммарной ЭДС двух термопар. Таким способом регистрируют положение Тg и область развития кристаллизации, а затем плавления закристаллизованного продукта (эндо- и экзотермические эффекты). С помощью этого метода обычно изучают кристаллизацию интенсивно кристаллизующихся расплавов. Метод не совсем объективен, поскольку использование порошка предполагает развитую поверхность и преобладание поверхностной кристаллизации. Однако с использованием специальных программ в ряде случаев удается проследить кинетику процесса и определить его важные параметры.
Г) скорость кристаллизации
Экспериментально скорость роста наблюдают либо по непосредственному замеру размеров кристаллов во времени, либо по измерениям после закалки (через разные промежутки времени) от температур, при которых изучают скорость. Здесь существует много вариантов.
Метод ДСК служит для определения брутто-кристаллизации, линейной скорости роста он дать не может.
Прецизионные исследования скорости роста кристаллов в расплавах простых систем (Na20-SiO2, Na2O-CaO-SiO2 и др.) позволили получить убедительные свидетельства связи кристаллизационной способности с видом диаграммы состояния.
2.2.5 Типы кристаллизации
По способу возникновения и развития кристаллов выделяют три типа кристаллизации:
объёмная, поверхностная и глубинная.
При объемной кристаллизации зарождение и рост кристаллов происходит в объеме. Объемная кристаллизация происходит чаще всего у «длинных» стекол, если кристаллизация с поверхности предотвращена (например, если образец помещен в вакуум и адсорбция водяных паров, стимулирующая поверхностный процесс, исключена).
Поверхностная кристаллизация наблюдается у «коротких» стекол, потому что вязкость при температуре плавления здесь оказывается наименьшей. Здесь зарождение и рост происходят на поверхности.
При глубинной кристаллизации зарождение происходит на поверхности, но по мере увеличения размеров кристаллов они тонут и их рост продолжается в объеме расплава.
Различие этих типов очень важно для технологии и при разработке новых составов стекол для оптических информационных технологий.