Стеклообразное состояние, вязкость.
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Приборостроительный факультет
Кафедра “Микро- и нанотехника”
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Технология материалов и компонентов электронной техники
на тему
«ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС СИНТЕЗА ФОСФАТНЫХ СТЕКОЛ, АКТИВИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ»
Исполнитель: студент группы 11304115
Лазакович Е.П.
Руководитель: доцент, к.т.н.
Колонтаева Т.В.
2018
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 3
1.ИССЛЕДОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ 4
1.1. Стекло. 4
1.2. Стеклообразное состояние, вязкость. 5
1.3. Свойства стекол. 7
1.4. Теория строения стекла Лебедева. 9
1.5. Классификация технических стекол. 10
1.6. Методы получения стеклообразных материалов. 15
1.7. Область применения стекол. 16
1.8. Аналитический обзор литературы.. 18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 20
ВВЕДЕНИЕ
Важным вектором развития современного оптического материаловедения является разработка материалов на основе многокомпонентных оксидных стекол, активированных наночастицами металлов, и подходов к их локальному структурному модифицированию под действием лазерного излучения. Подобные комплексные решения, находящиеся на стыке химической технологии и физики конденсированных сред, открывают путь к созданию новых материалов для сенсорики, нанофотоники и интегральной оптики. Стекла, активированные наночастицами металлов, демонстрируют уникальные нелинейно-оптические и спектрально-люминесцентные свойства, связанные с состояниями на границе диэлектрик – металл. В таких материалах ярко выражены размерные эффекты наночастиц металлов, а также проявляется электродинамический эффект поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Использование в стеклах металлических частиц с размерами менее 2-3 нм в качестве сенсибилизаторов редкоземельных активаторов перспективно для создания более эффективных лазерных сред. Прогресс в области лазерной техники позволяет осуществлять более широкое использование лазеров для обработки стекол с целью создания активных плазмонных структур со специальными нелинейно-оптическими и спектрально- люминесцентными свойствами. Для получения локальных структур в объеме стекла перспективным является применение методик облучения пучком фемтосекундного лазера, приводящих к процессам многофотонного поглощения и формированию металлических наночастиц. Подобные методики открывают путь к созданию плазмонных волноводов для интеграции оптических и электронных устройств, а также возможности сверхплотной записи информации в стекле посредством формирования точечных люминесцентных структур.
|
|
|
|
|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СТЕКОЛ
Стекло.
Стеклообразное состояние достигается в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты)
Первоначально стеклом называли лишь всем известный и наиболее распространённый продукт стеклоделия, относимый с некоторых пор в научном обиходе к силикатным стёклам. Когда была установлена идентичность строения, состава и свойств стекла многим минералам, последние стали квалифицироваться как разновидности его природного аналога, именуясь в соответствии с условиями формирования: некристаллизовавшиеся производные быстро остывшей лавы — вулканическим стеклом (пемза, обсидианы, пехштейн, базальты и др.), образовавшиеся из земной горной породы в результате удара космического тела — метеоритным (молдавит); особый класс стеклообразных минералов представляют фульгуриты (кластофульгуриты), которые образуются из силикатных отложений (SiO2 — песка, кварца, кремнезёма — то есть тривиальных, наиболее распространённых сырьевых компонентов в рядовом стеклоделии), в результате удара мощного разряда молнии, встречаются преимущественно — на вершинах скалистых гор в районах с повышенной грозовой активностью, имеют место и полупрозрачные образцы кластофульгуритов.
|
|
|
Основным поводом к созданию синтетического заменителя — органического стекла, стало отсутствие в пору его разработки (1930-е годы) материалов, пригодных для использования в авиации. Стеклом этот полимер — соответственно, принадлежащий к классу органических веществ, именуется только по внешнему сходству: прозрачное, иногда цветное вещество.
Стеклообразное состояние, вязкость.
Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Благодаря этому стёкла обычно длительное время сохраняют аморфное состояние. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования Tg (при температурах свыше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии).
Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без кристаллизации. Практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как то — отдельных 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 105—106 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.
|
|
|
Тогда как значение свойства жидкости (и стабильной, и метастабильной) обусловлено лишь её составом, температурой и давлением, значение свойства неравновесной жидкости или стеклообразного вещества зависит ещё и от структурного состояния. В данном случае заманчиво описывать структуру произвольной жидкости единым параметром. Вследствие того весьма широкое применение у специалистов в области стекла получил предложенный А. Тулом способ описания структурного состояния стеклообразного вещества (график представлен на рисунке 1.1) посредством характеристики так называемой структурной температуры Tf (fictive temperature), то есть такой, при которой исследуемое стекло с заданной структурой находится в равновесном состоянии. Впоследствии выявилась практическая невозможность описания стеклообразного состояния одной величиной структурной температуры и необходимость применения целого спектра таких температур. В настоящее время наряду с релаксационной трактовкой стеклование аморфных веществ объясняется формированием при охлаждении достаточного количества межатомных связей, придающего веществу твердотельные свойства, причём выявлено не только изменение Хаусдорфовой размерности системы связей от фрактальной к трехмерной, но также формирование фрактальных структур при стекловании.
Рисунок 1.1- График описания стеклообразного состояния
Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.
Стёкла, в частности благодаря полимерному строению обладают способностью к гетерогенности. Полимерность стёкол в стеклообразном состоянии придаёт им индивидуальные качества, определяющие, в зависимости от характера этих структурных образований, степень прозрачности и других свойств стёкол. Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может влиять его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.
Свойства стекол.
Независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела и сверхвязкой жидкости (течёт при нормальных условиях), сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное (данное определение позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств, так называемого стеклообразного состояния — на этом она исчерпывается, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении). Однако вязкость стекла при комнатной температуре настолько велика, что не имеет никакого практического значения — текучесть стекла не проявляется сколь-нибудь заметным образом на периодах времени в десятки и сотни лет.
Плотность стекла зависит от его химического состава. Считается, что минимальную плотность среди силикатных стёкол имеет чистое кварцевое стекло (плавленый кварц) — 2200 кг/м3 (хотя некоторые боросиликатные стёкла являются менее плотными). Напротив, плотность стёкол (хрусталь, свинцовое стекло и др.), содержащих оксиды тяжёлых элементов — свинца, висмута, тантала, бария — достигает 7500 кг/м3. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стёкол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500—2600 кг/м3. При повышении температуры с комнатной до 1300°С плотность большинства стёкол уменьшается на 6—12 %, то есть в среднем на каждые 100°С плотность уменьшается на 15 кг/м3.
Модуль Юнга (модуль упругости) стёкол также зависит от их химического состава и может изменяться от 48·103 до 12·104 МПа. Например, у кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4·103 МПа. Для увеличения упругости оксид кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Напротив, оксиды металлов снижают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно ниже прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 000—30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.
Прочность: У обычных стёкол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа (у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путём закаливания стекла удается повысить его прочность в 3—4 раза. Другим способом повышения прочности является ионообменная диффузия. Также значительно повышает прочность стёкол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т. д.).
Твёрдость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6—7 единиц, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Наиболее твёрдыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стекла. С увеличением содержания щелочных оксидов твёрдость стекла снижается. Наиболее мягкое — свинцовое стекло.
Хрупкость. В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стёкол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.
Теплопроводность стекла весьма незначительна и равна 0,0017—0,032 кал/(см·с·град) или от 0,711 до 1,339 Вт/(м·К). У оконных стёкол это число равно 0,0023 (0,96).
Температура плавления. Стекло — термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость. Плавление происходит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования Тс стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Тс = 425—600°С. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса перерабатывается в изделия.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 235; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!