Образование стекла

03 Апреля в 9:24 1376 0


Обладая правильной формой, атомы стремятся к образованию упорядоченных структур. С более крупными молекулам сложного строения, получить упорядоченное расположение будет намного сложнее. Таким образом, при твердении крупных беспорядочной неправильной формы молекул вероятность образования стекла будет высокой.

 

Для того чтобы началось образование кристаллов, должны присутствовать центры или ядра кристаллизации. Центрами кристаллизации обычно бывают примеси, например, частицы пыли, от которой в реальных условиях избавиться невозможно. Таким образом, если материал потенциально способен приобретать упорядоченную кристаллическую структуру, то этому будут способствовать частицы примесей.

 

Оксид кремния или кремнезем может образовывать как стекла, так и кристаллические вещества, на Рис. 1.4.5 представлены характерные для этого соединения кривые зависимости изменений удельного объема от температуры. Если при охлаждении произойдет кристаллизация вещества, то кривая уменьшения удельного объема (кривая а)будет иметь острый или дискретный характер. Такое резкое уменьшение объема объясняется «конфигурационным сжатием», поскольку при переходе вещества от состояния неупорядоченной жидкости к состоянию кристаллического твердого тела происходит заметное увеличение плотности упаковки. После того, как закончится этап резкого конфигурационного сжатия, объем материала начнет постепенно уменьшаться за счет обычной термической усадки.

 stomatologicheskoe materialovedenie_1.4.5.jpg

Рис. 1.4.5. Кривые охлаждения материала, который может переходить в твердое состояние с образованием (а) кристаллической структуры или (б) аморфной структуры стекла

 

Если кристаллизация не произошла, изменение объема материала будет соответствовать кривой Ь, объем жидкости продолжает сокращаться, частично за счет обычной термической усадки, а частично за счет конфигурационного сжатия. Жидкость приобретает менее открытую структуру, однако в этом случае отсутствует дискретный скачок удельного объема. Ниже температуры плавления (Т ) будет образовываться нестабильная переохлажденная жидкость. Сжатие будет продолжаться по мере падения температуры до достижения температуры стеклования Тс, после чего скорость сжатия существенно замедлится. При температуре стеклования конфигурационное сжатие приостановится, и будет иметь место только обычное термическое сжатие.

 

Что же происходит при температуре стеклования? Переохлажденная жидкость становится настолько вязкой, что конфигурационные изменения уже не могут продолжаться, и структура жидкости как бы замораживается. Это происходит не при одном четко определенном значении температуры, а в некотором диапазоне температур в пределах 50°С, который можно представить областью перегиба указанной кривой.

 

Поскольку переохлажденная жидкость была охлаждена до температуры ниже ее температуры стеклования, она перешла в состояние, которое можно назвать стеклом. Интересно отметить, что вязкость, при которой происходит твердение расплава, одинакова для всех стекол и составляет около 10 пуаз, хотя температура стеклования может колебаться в широких пределах — от -89°С для глицерина до > 1500°С для чистого кварцевого стекла. Различие между переохлажденной жидкостью и стеклом заключается в том, что последнее имеет вязкость, 10 пуаз.

 

Термин температура перехода отчасти применяется неверно, поскольку на самом деле при этой температуре никакого превращения может не быть. Изменения конфигураций происходят и при температурах ниже Т , только из-за высокой вязкости скорость этих изменений крайне мала, и они уже ни на что не могут повлиять. Температуру стеклования, то есть температуру, остывая до которой стекло перестает подвергаться существенным изменениям конфигураций, иногда называют фиктивной температурой стеклования. Ниже этой температуры стекло уже не сможет спонтанно стать более плотным.

 

Возникает вопрос: «Что же происходит при температуре плавления Тш, что определяет направление, по которому пойдет процесс твердения расплава, по пути образования стекла или по пути кристаллизации?»

 

При плавлении оксида кремния, образуется предельно вязкая жидкость, это означает, что молекулы могут перемещаться по отношению друг к другу очень медленно.

 

 

Медленное перемещение молекул не способствует образованию кристаллического твердого вещества, поскольку для кристаллизации требуется значительное и быстрое пространственное перераспределение молекул. Следовательно, присутствие любого вида центра кристаллизации даст очень медленный рост, особенно таких сложных структур кристаллического оксида кремния, строение которых подобно алмазу. Таким образом, при быстром охлаждении жидкости вероятнее всего образуется стекло. Процесс образования стекла известен под названием витрификация.

Основы стоматологического материаловедения
Ричард ван Нурт

Похожие статьи
показать еще
 
Стоматология и ЧЛХ