Въведение
Стъклото като материал присъства навсякъде в ежедневието ни. Независимо дали става дума за стъкла на прозорци, очила за четене, чаши за вино или за електронните компоненти на мобилните ни телефони - областите на приложение на стъклото са многообразни и разнообразни. По принцип стъклата са аморфни твърди вещества, които нямат атомен дълговременен структурен ред. Най-широко използваните стъкла се състоят предимно от неорганични оксидни съединения като силициев диоксид (SiO2) и натриев оксид (Na2O), както и от други примеси [1]. Съотношенията на смесване - или чистотата на компонентите - определят свойствата и по този начин обхвата на приложение.
Чистото силикатно стъкло, наричано още стопен силициев диоксид, е специален вид стъкло, състоящо се от високочист силициев оксид и несъдържащо никакви значителни примеси. В сравнение с други неорганични стъкла то се отличава с устойчивост на високи температури, ниско термично разширение, химическа устойчивост и биосъвместимост, както и с висока оптична прозрачност - от ултравиолетова до инфрачервена [2]. Този материал намира приложение в различни области, включително като стъкла за гледане във високотемпературна среда, като лещи в лазерни системи, в подкрепа на имплантологични процедури и в аналитични инструменти като дилатометри.
Измерване на термомеханичните свойства наСтъкла с помощта на DMA
Динамично-механичният анализ (накратко ДМА) е експериментален метод за изследване на вискозно-еластичните свойства на материалите. Той включва анализ на реакцията на материала на периодични механични натоварвания, за да се определят свойства като еластичност, вискозитет и демпфиране. DMA 303 Eplexor® е настолен динамично-механичен инструмент, позволяващ нива на обща сила до 50 N. Системата разполага с температурен диапазон от -170°C до 800°C, което е уникално за настолните инструменти. Въз основа на тези свойства могат да се характеризират до температури от 800°C както материали в нискотемпературния диапазон, като например полимери, така и материали с висока твърдост, като стомани, керамика или стъкла.
Резултати от измерването
Фигура 1 сравнява измерването на DMA на конвенционално флоатно стъкло (синя крива), използвано в домашните прозорци, с това на чист стопен силициев диоксид (червена крива) от 100°C до 800°C. Измерването е извършено при триточково огъване с дължина на свободното огъване 20 mm и честота 1 Hz. Дебелината на кубичните образци е 1 mm, а ширината - 10 mm, като външният контур на образците е изгладен.
И при стопеното силициево стъкло, и при чистото силикатно стъкло модулът на съхранение E' е малко под 70 GPa при 100°C. Модулът на съхранение, E', описва еластичните свойства на материала; на прост език - неговата твърдост.
С увеличаване на температурата модулът на съхранение на стопеното силициево стъкло леко намалява и при 500°C придобива стойност от около 60 GPa. При 566°C (екстраполирано начало) се наблюдава силно намаляване на модула на съхранение, E', заедно със значително увеличаване на tan δ. Tan δ представлява демпфиращите свойства на материала или разсейването на енергия.
Това е стъкловидният преход (Tg), характерен за аморфните твърди вещества. При температури под Tg материалите са предимно твърди и вероятно крехки. При стъкловидния преход кинетичната енергия на неструктурираните атоми става достатъчно висока, за да преодолее междинните връзки. В този момент стъклото става по-меко и може да се оформя. Поради тази причина измерването не продължава при достигане на тази точка, за да се избегне разтопяването на стъклото в държача на пробата.
За разлика от това чистото силикатно стъкло, както е показано на фигура 1, показва поведение, което е по-скоро нетипично за твърдите тела. В рамките на наблюдавания температурен диапазон не се наблюдава омекване на материала. Вместо това модулът на съхранение, E', леко се увеличава с повишаването на температурата. Babcock и съавтори [3] предполагат съвместното съществуване на две атомни структури с къс обхват на подреждане, които имат различни сили на свързване и плътност. С повишаване на температурата все повече се формира структурата с по-големи сили на свързване на атомите и материалът става по-твърд.
Примерът демонстрира използването на чисто силикатно стъкло за високотемпературни приложения. Макар че чистото силикатно стъкло може да се използва и за температури над 600°C, конвенционалното стъкло от стопен силициев диоксид вече не би гарантирало структурна стабилност. Освен това този пример показва какво различно поведение могат да имат материали, които са доста сходни както визуално, така и химически, и как динамично-механичният анализ може да помогне за изследването на това.
Резюме
Динамично-механичният анализ е метод, който обикновено се използва за определяне на стъкловидния преход на аморфни и полукристални полимери. DMA 303 Eplexor® позволява анализиране на материали до 800°C - температурен диапазон, който е ненадминат сред настолните инструменти. Това позволява дори материали, използвани в medium- до високотемпературния диапазон, като метали, керамика или стъкла, да бъдат охарактеризирани и оценени за тяхното приложение.