Классификация свойств стёкол

По характеру изменения с температурой все свойства стёкол делятся на три группы:

1. Свойства первой группы характеризуют состояние вещества – это внутренняя энергия U, мольный объем V, энтальпия H, энтропия S, а также кинетические свойства – вязкость h, удельное электросопротивление r. Все эти свойства уменьшаются или возрастают с увеличением температуры. За пределами интервала стеклования соблюдается пропорциональность изменений свойств первой группы при росте температуры стекла. В интервале стеклования меняется интенсивность изменения этих свойств (рис. 1.7).

2. Свойства второй группы – это первые производные по температуре от свойств первой группы. За пределами интервала стеклования эти свойства меняются незначительно или практически не меняются. В интервале стеклования происходит переход от одних значений свойств к другим.

Важными характеристиками стекла являются термический коэффициент линейного расширения , термический коэффициент объемного расширения , теплоемкости стекла , .

3. Третья группа включает свойства, содержащие вторую производную от свойств первой группы – это теплопроводность, диэлектрические потери и некоторые другие.

Рис. 1.7. Изменение свойств стекла с температурой

Отличительной особенностью свойств третьей группы является экстремальное их значение, соответствующее температуре размягчения стекла Т_w (нем. weich – мягкий). При температуре Т_w график зависимости свойств второй группы от температуры меняет изгиб, однако более наглядно температура размягчения проявляется на температурной кривой свойств третьей группы.

Особенности деформации стекла в интервале

Размягчения

Характеристические температуры отражают особенности деформации стекла. Температуры стеклования Т_g и текучести Т_f ограничивают интервал различного поведения стекла под нагрузкой. При охлаждении ниже температуры стеклования у стекломассы исчезают последние свойства жидкого состояния, стеклянное изделие отвердевает и становится полностью хрупким. При нагревании выше температуры текучести Т_f медленное приложение нагрузки к стеклу уже не вызывает хрупкого разрушения, то есть разрывов сплошности материала. При этом исчезают последние признаки твёрдого состояния, например, обратимые деформации при малых нагрузках.

В стекольных технологиях интервал формования выводят за интервал стеклования в сторону высоких температур. При машинной выработке иногда формование захватывает температуры, лежащие несколько ниже температуры текучести. Однако за этим должна следовать термическая выдержка или нагрев стекла для залечивания возможных нарушений сплошности структуры.

По дилатометрической кривой находят только две характеристические температуры – Т_g и T_w. Определение этих температур достаточно условно, так как границы интервала стеклования зависят от продолжительности опыта, конструкции и точности проборов. Так, дилатометрическая температура размягчения отражает момент, когда деформация стекла под действием индентера превышает термическое расширение образца. Прибор фиксирует максимум на дилатометрической кривой. Верхнюю границу интервала стеклования на дилатометре определить невозможно. Поэтому ранее температуру Т_f вообще не находили. Температуру текучести можно найти, например, по графику изменения плотности стекла с температурой.

Для стекла состава (мас.%): SiO₂-67%, CaO-10%, Na₂O-15%, B₂O₃ -5%, Al₂O₃-3% получена температурная зависимость плотности (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Влияние температуры на плотность стекла

Температура текучести расположена несколько выше температуры размягчения и фиксируется на кривой плотности или, более точно, на кривой механической деформации образца стекла. В точке Т_f заканчивается аномальное изменения свойств стекла. При нагревании вещества до температуры стеклования свойства стекла меняются по одному закону, а при нагревании выше температуры текучести – по другому закону. Область стеклования – это интервал аномального хода зависимости свойств вещества от температуры. В этом диапазоне температур происходит переход от одной закономерности к другой.

Особенно характерные и сложные явления обнаруживаются при исследовании механических свойств размягченного стекла при различных температурах. Изучили деформацию нити стекла в интервале стеклования (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Деформация стеклянной нити в интервале

стеклования под нагрузкой

На рисунке показана типичная кривая деформации стеклянной нити при постоянной температуре T_g<Т<Т_f.

Точка с – снятие нагрузки;

оabc – удлинение нити под нагрузкой:

oa – мгновенно упругое удлинение;

ab – замедленно-упругое удлинение;

bc – вязкое течение стекла;

cde – сокращение длины нити после снятия нагрузки:

cd – мгновенно-упругое сокращение;

de – замедленно-упругое сокращение;

ef – остаточное удлинение.

Если температура меньше температуры стеклования, наблюдается только мгновенно-упругая небольшая деформация и отчасти замедленно-упругая деформация. Если температура больше температуры текучести, то стекло течет как ньютоновская жидкость. В интервале стеклования (T_g-Т_f) указанные особенности проявляются одновременно.

В общем случае деформация стекла в интервале стеклования складывается из трех составляющих:

1. Полностью обратимая мгновенно-упругая деформация;

2. Частично-обратимая замедленно-упругая деформация;

3. Полностью необратимая деформация вязкого течения.

Эластичность, то есть обратимость деформации проявляется под действием достаточно малых нагрузок.

Изучили зависимость скорости деформации сдвига при кручении стеклянного стержня (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Влияние нагрузки на закручивание

стеклянного стержня

При малых нагрузках стекло ведет себя в интервале стеклования как высоко эластичный материал. Как только нагрузка превышает предел текучести (порядка 0,15-0,30 кг/см²), в структуре стекла начинаются разрушения, вязкость уменьшается и скорость деформации резко возрастает. При нагрузках больших (Р >0,5-1,0 кг/см²) вязкость достигает минимального значения и остается постоянной:

dφ/dτ ~ P.

Вязкость стёкол в интервале стеклования зависит от нагрузки. Размягченные стёкла не являются чисто ньютоновскими жидкостями, они сходны с аномально структурированными системами.