Структура неорганических стекол

Неорганическое стекло (НС) - это химически сложный, аморфный (отсутствие дальнего порядка в расположении атомов), макроскопически изотропный материал, обладающий механическими свойствами хрупкого твердого тела. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганических соединений (в основном оксидов). Поэтому стекла обладают набором главных свойств, присущих аморфным веществам:

  • - свойства одинаковы по всем направлениям, т.е. они изотропны-,
  • - структура - это твердые растворы,
  • - при нагреве они не плавятся при строго постоянной температуре, как металлы, а постепенно размягчаются в интервале температур (обычно 100... 200 °С), переходя в жидкое состояние. Это связано с тем, что при повышении температуры лишь постепенно увеличивается число подвижных атомов, поэтому разрушение структурных связей происходит не сразу во всех местах. В обычных промышленных стеклах наиболее слабой связью является связь Na-O, а одной из наиболее прочных связей Si-О.

Расплавление НС при повышении температуры и отверждение (процесс стеклования) при понижении температуры происходит обратимо, если при охлаждении не происходят кристаллизации.

Среди главных причин аморфного состояния неорганических стекол можно выделить две.

Первая причина заключается в том, что в области затвердевания расплав стекла имеет очень высокую вязкость.

В габл. 2.1 для сравнения приведены вязкости Г| расплавов некоторых веществ около температуры плавления (температуры размягчения).

Таблица 2.1

Вязкость некоторых веществ при температурах плавления

Вещество

°с

Л Ю, Н с/м2

Na

98

0,01

Fe

1535

0,07

Н20

0

0,02

Si02

1710

10s

В202

450

Ю3

Вторая причина вытекает из особенностей ковалентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде. Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насыщаемостью и направленностью. Согласно насыщаемости химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соответствии со своей валентностью строго определенное количество «партнеров» по взаимодействию. Например, кремний четырехвалентен. И его атом должен иметь в непосредственном окружении четыре атома кислорода (рис. 2.1), с которыми он связан полярной ковалентной связью. Причем эти связи могут образовываться не произвольно, а под определенным углом друг к другу (принцип направленности). Все это очень затрудняет формирование кристаллической структуры. В высоковязкой среде в структуре стекла при охлаждении может образоваться только ближний порядок в расположении атомов.

Структурная решетка НС, в отличие от решетки кристалла, не симметрична и не периодична.

Наличие общих черт в структурах стекол и закристаллизованных веществ приводит к тому, что в некоторых случаях кристаллизация стекол бывает возможной. Действительно, при термообработке стекол (например, при отжиге) в структуре стекла могут образовываться микрокристаллические области.

Структура ближнего порядка в кварцевом стекле

Рис. 2.1. Структура ближнего порядка в кварцевом стекле

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >