Лабораторная работа № 5 Расчёт полноты стабилизации свойств стекла в процессе изотермического отжига.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Овладение принципом расчёта времени структурной релаксации на основании измерений вязкости в области температур стеклования и модулей упругости.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ: СТЕКЛА ОПТИЧЕСКИЕ
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:
1. Получить понятие о физическом смысле соотношений, описывающих процессы структурной релаксации.
2. Усвоить физические основания взаимосвязи времени релаксации, вязкости и модулей упругости.
3. Выработать практику расчёта полноты релаксации свойств стекла по результатам измерений вязкости и модулей упругости..
4. Выработать практику перехода от одних единиц размерностей физических величин к другим как важный элемент успешной деятельности специалиста в науке или промышленности.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
1. Изменение свойств стекол во времени в изотермических условиях.
Стеклообразное состояние является лабильным, неустойчивым состоянием
Из-за того, что при охлаждении расплава структура жидкости перестала «успевать» следить за изменением температуры (времена релаксации структуры с понижением температуры резко возрастают), её структура «замёрзла» и стекло сохранило избыточную свободную энергию, объем относительно равновесной метастабильной жидкости. Если стекло выдерживать при постоянной температуре достаточно долго, его объем уменьшится и приобретет значения, соответствующие метастабильной жидкости – рис.1. Такой процесс называется отжигом.
|
Рис. 1. Изменение объема стекла при отжиге. |
Отжиг стекла – это процесс изменения его свойств, обусловленный стремлением стекла к равновесному состоянию метастабильной жидкости.
Время релаксации – это время, в течение которого наблюдаемое отличие величины свойства от его равновесного значения, уменьшится в e раз (e - основание натуральных логарифмов). Оно является характеристикой скорости процесса стремления системы к равновесию.
|
Рис. 2. Зависимость логарифма времени структурной релаксации (в секундах) от обратной абсолютной температуры; c – область стеклообразного состояния, а – область размягчения (выше температуры стеклования), b – область температуры плавления и выше неё. |
Зависимость логарифма времени структурной релаксации от обратной абсолютной температуры показана на рис.2.
Очевидно, что температурная зависимость времени релаксации структуры стекла τ ниже температуры стеклования Тg (область с) характерна гораздо меньшими значениями τ, чем следовало бы ожидать, продолжая зависимость для метастабильной жидкости из области а. По этой причине в
процессе стабилизации структуры время релаксации непрерывно возрастает и самое его большое значение характеризуют те значения, которые соответствовали бы метастабильной жидкости при выбранной температуре отжига.