شیشه ها (2)

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )
 

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه
 

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه
 

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه
 

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها
 

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن
 

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است.
منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by:C.Barry Carter.M.Grant Norton