مقدمة
الزجاج كمادة موجودة في كل مكان في حياتنا اليومية. سواءً كان ذلك في ألواح النوافذ أو نظارات القراءة أو كؤوس النبيذ أو في المكونات الإلكترونية لهواتفنا المحمولة - مجالات استخدام الزجاج متعددة ومتنوعة. والنظارات في الأساس عبارة عن مواد صلبة غير متبلورة ليس لها ترتيب بنيوي ذري بعيد المدى. تتكون النظارات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في المقام الأول من مركبات أكسيد غير عضوي مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وأكسيد الصوديوم (Na2O) بالإضافة إلى خلائط أخرى [1]. تحدد نسب الخلط - أو نقاء المكونات - الخصائص وبالتالي نطاق الاستخدام.
زجاج السيليكات النقي، الذي يُطلق عليه أيضًا السيليكا المنصهرة، هو نوع خاص من الزجاج يتكون من أكسيد السيليكون النقي للغاية ولا يحتوي على أي شوائب كبيرة. وبالمقارنة مع النظارات غير العضوية الأخرى، فإنه يتميز بمقاومة درجات الحرارة العالية والتمدد الحراري المنخفض والمقاومة الكيميائية والتوافق الحيوي بالإضافة إلى الشفافية البصرية العالية - التي تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء [2]. وتجد هذه المادة تطبيقات في مختلف المجالات، بما في ذلك استخدامها كنظارات للرؤية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، والعمل كعدسات في أنظمة الليزر، ودعم عمليات زرع الأعضاء، واستخدامها في الأدوات التحليلية مثل أجهزة قياس التمدد.
قياس الخواص الحرارية الميكانيكية الحرارية لـالنظارات عن طريق DMA
التحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي هو طريقة تجريبية لدراسة الخصائص اللزوجة المرنة للمواد. ويتضمن ذلك تحليل استجابة المادة للأحمال الميكانيكية الدورية من أجل تحديد الخصائص مثل المرونة واللزوجة والتخميد. جهاز DMA 303 Eplexor® هو جهاز مكتبي ديناميكي ميكانيكي مكتبي يسمح بمستويات قوة إجمالية تصل إلى 50 نيوتن. يتميز النظام بنطاق درجة حرارة يتراوح بين -170 درجة مئوية و800 درجة مئوية، وهو ما يعد فريدًا من نوعه بالنسبة للأجهزة التي توضع على الطاولة. واستناداً إلى هذه الخصائص، يمكن توصيف كل من المواد في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، مثل البوليمرات، والمواد شديدة الصلابة، مثل الفولاذ أو السيراميك أو الزجاج، إلى درجات حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية.
نتائج القياس
يقارن الشكل 1 بين قياس DMA على زجاج عائم تقليدي (المنحنى الأزرق)، كما هو مستخدم في النوافذ المنزلية، مع قياس السيليكا المنصهرة النقية (المنحنى الأحمر) من 100 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية. تم إجراء القياس في ثني ثلاثي النقاط بطول ثني حر يبلغ 20 مم وتردد 1 هرتز. يبلغ سُمك العينات المكعبة 1 مم وعرضها 10 مم مع تنعيم المحيط الخارجي للعينات.
يتميز كل من زجاج السيليكا المنصهر وزجاج السيليكات النقي بمعامل تخزين E' بمعامل تخزين أقل بقليل من 70 جيجا باسكال عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. يصف معامل التخزين، E '، خواص مرونة المادة؛ وبعبارة بسيطة، صلابة المادة.
مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض معامل تخزين زجاج السيليكا المنصهر انخفاضًا طفيفًا ويأخذ قيمة 60 جيجا باسكال تقريبًا عند 500 درجة مئوية. عند 566 درجة مئوية (البداية الاستقرائية)، يحدث انخفاض قوي في معامل التخزين، E'، إلى جانب زيادة كبيرة في تان δ. يمثل تان δ خصائص التخميد للمادة أو تبديد الطاقة.
هذه هي خاصية الانتقال الزجاجي (Tg) للمواد الصلبة غير المتبلورة. عند درجات حرارة أقل من Tg، تكون المواد صلبة في الغالب وربما هشة. في مرحلة الانتقال الزجاجي، تصبح الطاقة الحركية للذرات غير المهيكلة عالية بما يكفي للتغلب على الترابط الوسيط. وعند هذه النقطة، يصبح الزجاج أكثر ليونة وقابلية للتشكيل. ولهذا السبب، لا يستمر القياس عند الوصول إلى هذه النقطة، وذلك لتجنب ذوبان الزجاج في حامل العينة.
في المقابل، يُظهر زجاج السيليكات النقي، كما هو موضح في الشكل 1، سلوكًا غير نمطي إلى حد ما بالنسبة للمواد الصلبة. ضمن نطاق درجة الحرارة الملاحظ، لا يحدث تليين للمادة. وبدلًا من ذلك، يزداد معامل التخزين، E' زيادة طفيفة مع ارتفاع درجة الحرارة. ويفترض بابكوك وآخرون [3] وجود بنيتين ذريتين قصيرتي المدى لهما قوى وكثافات ترابط مختلفة. مع زيادة درجة الحرارة، تتشكل البنية ذات قوى الترابط الذري الأعلى بشكل متزايد وتصبح المادة أكثر صلابة.
يوضح المثال استخدام زجاج السيليكات النقي في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. بينما يمكن أيضًا استخدام زجاج السيليكات النقي لدرجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، إلا أن زجاج السيليكا المنصهر التقليدي لن يضمن الاستقرار الهيكلي. وعلاوة على ذلك، يوضح هذا المثال السلوك المختلف الذي يمكن أن تظهره المواد المتشابهة تمامًا من الناحيتين البصرية والكيميائية، وكيف يمكن أن يساعد التحليل الديناميكي الميكانيكي في التحقيق في ذلك.
الملخص
التحليل الديناميكي الميكانيكي الديناميكي هو طريقة تُستخدم عادةً لتحديد الانتقال الزجاجي للبوليمرات غير المتبلورة وشبه البلورية. ويسمح جهاز DMA 303 Eplexor® بتحليل المواد حتى 800 درجة مئوية، وهو نطاق درجة حرارة لا مثيل له بين أجهزة القياس. وهذا يسمح حتى للمواد المستخدمة في نطاق درجات الحرارة المتوسطة إلى المرتفعة، مثل المعادن أو السيراميك أو الزجاج، بتوصيفها وتقييمها لاستخدامها.