شيشه ها (1)

مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود.
منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by: C.Barry Carter.M.Grant Norton