Значения цены деления шкалы окуляра в плоскости объекта

Длина тубуса, мм	Цена деления шкалы, мм
130	0,058
140	0,058
150	0,053
160	0,049
170	0,045
180	0,041
190	0,036

Данные опыта заносятся в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Результаты опыта и расчетов

Температура Т, оС	Начальная длина образца L0, м	Радиус образца r, м	Время опыта t, c	Удлинение образца , м	Нагрузка, прилагаемая к образцу, m, кг	Вязкость , Па.с

На основании полученных значений вязкости построить график зависимости вязкости от температуры, сделать вывод.

Контрольные вопросы:

1. Физико-химические особенности стеклообразного состояния.

2. Интервал стеклования: границы, значения температуры и вязкости границ интервала для промышленных силикатных стекол.

3. Условия образования оксидных стекол.

4. Группы оксидов по их способности к стеклообразованию.

5. Роль оксида каждой группы в структуре стекла.

6. Структурно-координационная гипотеза строения стекла (по Захариассену).

7. Кристаллитная гипотеза строения стекла (Лебедева).

8. Полимерная теория строения стекла (Тарасова).

9. Вязкость стекла, влияние температуры и состава на вязкость стекла.

10. Параметры, определяющие кристаллизационную способность стекла.

11. Методы оценки склонности расплава к стеклообразованию или кристаллизации.

12. Роль стеклообразного состояния при получении силикатных материалов.

Лабораторная работа № 4 Исследование склонности расплавов к стеклообразованию

Цель работы: изучение склонности к стеклообразованию распла­вов в простых системах, таких как Na₂O^.3SiO₂ – Al₂O₃ или СаО – Al₂O₃, Na₂O – 3B₂O₃ – А1₂O₃ или СаО – А1₂O₃ – В₂O₃.

Оборудование и материалы: силитовая печь, корундовые или фарфоровые тигли, аналитические весы, сырьевые материалы.

Основные понятия

Стекло по традиционной технологии получают путем переохлажде­ния расплава без кристаллизации.

Поиску критериев, способных охарактеризовать склонность рас­плавов к стеклообразованию, посвящено большое число теоретических и экспериментальных исследований.

Согласно данным Г.Таммана, склонность расплава к стеклообразованию или, напротив, к самопроизвольной кристаллизации определяется скоростью образования центров кристаллизации (СОЦ) и линейной скоростью роста кристаллов (СРК). С понижением температуры жидкости при охлаждении как СОЦ, так и CHR вначале возрастают, достигая определенного максимума, а затем быстро снижаются (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Кривые зависимости: 1 – скорости образования центров кристаллизации (СОЦ), 2 – скорости роста кристаллов (СРК) от степени переохлаждения расплава; 3 - политерма вязкости; 4 – метастабильная область; 5 – область интенсивной самопроизвольной кристаллизации

Оба максимума у стеклообразующих веществ не совпадают по температуре. Чем больше смещены максимумы СРК и СОЦ друг относительно друга и меньше по величине, тем сильнее выражена склонность к стеклообразованию.

Смещение максимумов по температуре приводит к тому, что при более высоких температурах, когда CРК значительна, в расплаве образуется слишком мало центров кристаллизации и вещество не кристаллизуется. При последующем охлаждении существенному возрастанию СОЦ соответствует небольшая или практически равная нулю линейная CРК, и кристаллы также не образуются. Для быстрого снижения CРК и СОЦ после максимумов необходимо резкое нарастание вязкости расплава при охлаждении.

Склонность расплавов к стеклообразованию оценивали ученые с различных позиций: кристаллохимический подход (Захариассен), с позиций прочности единичной связи Кt-O (К.Сан), характера химической связи (А.Смекал, Р.Мюллер, Х.Коул), по участию элементов периодической системы (А.Винтер-Клейн).

Гольдшмидт в 1926 году установил: способность расплавов простых оксидов при охлаждении застывать в виде стекла определяется отношением радиуса катиона к радиусу аниона . Оно должно находиться в определенных пределах, а именно, . Развитие в последующем представлений о критериях, харак­теризующих склонность оксидов и их смесей к стеклообразованию, про­исходило в направлении изучения особенностей координационного со­стояния катионов (гипотеза Захариассена) и химической связи (гипотеза Смекаля, Сана, Стенворта, Винтер-Клейн и др.).

В результате естественного отбора и суммирования факторов о склонности расплавов к стеклообразованию были выделены три группы оксидов, отличающихся своим функциональным поведением в структуре стекол.

Первая группа – это группа оксидов – стеклообразователей, спо­собных создавать пространственную структуру в виде непрерывной не­правильной сетки путем сочленения координационных полиэдров (в большинстве случаев тетраэдрических группировок) вершинами. К груп­пе стеклообразователей принадлежат оксиды кремния, бора, фосфора, германия и др.

Вторая группа – группа «промежуточных» оксидов, к которой при­надлежат оксиды алюминия, цинка, свинца и другие; они могут выступать как в роли стеклообразователей, так и модификаторов. Их поведение в структуре определяется содержанием оксидов щелочных и щелочнозе­мельных металлов.

В качестве критерия, определяющего функции промежуточных ок­сидов в структуре, принимают отношение Na₂O/AI₂O₃. Если это отноше­ние равно или больше единицы, то ионы алюминия находятся в координационном состоянии равным четырем, и оксид алюминия будет выполнять роль стеклообразователя в структуре; если отношение меньше единицы, то часть ионов алюминия будет находиться в координационном состоянии равным шести и занимать позиции модификатора.

К третьей группе – модификаторов – относятся оксиды щелоч­ных и щелочноземельных металлов. Катионы модификаторов располага­ются в полостях структурной сетки, повышая компактность ее упаковки. Оксиды этой группы при умеренных скоростях охлаждения не способны самостоятельно образовывать стекло и участвовать в построении струк­турной сетки.

В работах Стевели, Тернбула, Коэна был сформулирован кинетиче­ский подход к проблеме стеклообразования. В основе этого подхода ле­жат представления о кинетике кристаллизации стекол в процессе переох­лаждения расплавов. Один из практических выводов кинетической кон­цепции можно сформулировать следующим образом: скорость переохла­ждения расплава w должна быть выше скорости кристаллизации расплава (обозначим ее в виде некоторой собирательной величины q), т.е. w > q.

Скорость кристаллизации силикатных расплавов сравнительно не­велика, поэтому для их переохлаждения в виде стекла требуются доста­точно низкие скорости охлаждения, которые на практике составляют примерно 2 10^-3 – 5 10^-2 град/с.

Повышение скорости охлаждения позволяет расширить область стеклообразоваыия в любой системе, даже получать в стеклообразном состоянии вещества, не принадлежащие к классу традиционных стекло­образователей.

При скоростях охлаждения выше 10⁶ град/с в стеклообразном со­стоянии были получены даже металлы и сплавы, оксиды WО₃, МоО₃, VO₂, ТеО₃ и сложные соединения LiNbO₃, Y₃Fe₅O₁₂ и др.

Диаграммы состояния системы могут служить источником инфор­мации о склонности расплавов к стеклообразованию. Наиболее склонны к стеклообразованию при прочих равных условиях составы двойных и тройных эвтектик. В основе этого явления лежат относительно низкие скорости кристаллизации расплавов эвтектического состава. Наименее склонны к стеклообразованию расплавы соединений стехиометрического состава, поскольку для них характерна высокая скорость кристаллизации. В табл. 4.1 приведены составы и температуры эвтектик в некоторых би­нарных и тройных системах.

Для оценки склонности расплавов к стеклообразованию Тернбул и Коэн предложили учитывать соотношение , где – температура плавления вещества, – энтальпия испарения при температуре плав­ления. Чем выше и ниже , тем сильнее выражена тенденция рас­плава к стеклообразованию.

Таблица 4.1