Úvod
Křemen, nazývaný také nízkoteplotní křemen nebo α-křemen, je minerál s chemickým složením SiO2 a trigonální symetrií. Na zemském povrchu je stabilní formou oxidu křemičitého a jedním z nejběžnějších minerálů v kontinentální kůře. Vyskytuje se jako horninotvorný materiál jak v zemském plášti, tak v zemské kůře. [1]
Křemenné podpovrchové materiály ovlivňují tektonické chování, protože podle svých dynamických mechanických a tepelných vlastností přenášejí seismické vlny [2].
Při teplotě 573 °C a za normálního tlaku se nízkoteplotní modifikace mění z trigonální na hexagonální (vysokoteplotní modifikace). Tato změna modifikace je posunující, velmi rychlá a vratná. Během tohoto procesu se výrazně mění fyzikální vlastnosti (objem, Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost, dynamicko-mechanické parametry atd.), což umožňuje tuto teplotu přeměny použít pro teplotní kalibraci. [3]
Další vlastností křemene je jeho odolnost vůči kyslíku až do vysokých teplot. To je oceňovaná vlastnost, která zjednodušuje manipulaci v praxi. Není třeba používat profukovací plyny. [4]
Přírodní krystaly křemene se skládají z Si a O2, které tvoří vazby tetraedrů [SiO4]4 . Ostatní prvky jsou v krystalové mřížce přítomny pouze ve stopách.
Monokrystaly křemene se vyznačují mimo jiné výraznou anizotropií optických a mechanických elastických vlastností. Pokud se však materiál skládá z různých různě orientovaných jednotlivých krystalů, anizotropie se značně oslabuje s méně výraznou preferovanou orientací jednotlivých krystalitů. Mezi makroskopicky izotropními multikrystaly křemene a silně anizotropními syntetickými monokrystaly se vyskytuje mnoho přechodných forem. Spektrum sahá například od amorfního křemenného skla (= křemenné sklo) k pískovci [obsah křemene nad 50 % a křemence NEvázanému SpékáníSpékání je výrobní proces, při kterém se z keramického nebo kovového prášku vytváří mechanicky pevné těleso. spékáním (horniny s vysokým obsahem křemene ≈98 %+, ale spékanými krystaly křemene)] a od horninového krystalu jako přírodní verze monokrystalu k syntetickému monokrystalu křemene, který se hojně používá.
Například křemenné monokrystaly se díky svým piezoelektrickým a optickým vlastnostem již dlouho používají jako oscilační krystaly (časovače) nebo zapalovače. V mikroelektronice se křemenné krystaly uplatňují jako dielektrické vrstvy v tranzistorech, kondenzátorech a tvrdých maskách ve fotolitografii a navíc jako mikroelektromechanické systémy (MEMS) pro průmyslové a biomedicínské aplikace. [5]
Pro použití silně anizotropních křemenných monokrystalů pro teplotní kalibraci ve vysokoteplotním DMA (HT Eplexor®) jsou vzhledem k výrazné anizotropii nutná určitá opatření. Přirozeně rostoucí teplotní roztažnost během teplotního skoku (např. teplotní rampa o rychlosti 10 K/min) vede k vnitřním mechanickým napětím v křemeni. Pokud je vzorek křemene navíc vystaven teplotnímu gradientu v měřicí komoře (HT peci), tato vnitřní napětí nevyhnutelně vedou k praskání nebo lámání vzorku. Proto je nutné vhodnými opatřeními udržovat teplotní gradient v peci na co nejnižší úrovni.
Těmto požadavkům vyhovuje HT Eplexor®, vybavená oddělenou komorou pro vzorek a přídavným teplotním štítem. Fázovou přeměnu při teplotě 573 °C tak lze na stejném vzorku provádět i několikrát, aniž by došlo k jeho zničení v důsledku teplotního gradientu. Jedním z konstrukčních opatření je vymezení oblasti v komoře pece s dobře teplovodivým válcovým ochranným štítem kolem vzorku.
Experimentální
Bez těchto dodatečných opatření ke snížení tepelných gradientů dochází pravidelně k samodestrukci vzorku křemenné destičky i bez přiloženého zkušebního zatížení (obr. 1). Příčinou jsou příliš velké teplotní gradienty large v rozsahu vzorku.
Pro homogenizaci rozložení teploty a pro snížení teplotního gradientu ve vzorku se používá válcový teplotní štít z mědi (obr. 2, vlevo), který obklopuje safírový ohýbací držák (vlevo) a píst působící kardanově na vzorek (obr. 2, vpravo) v poloviční výšce. Silové osy zabudované do HT Eplexor® se skládají z polykrystalického Al2O3.
Silové osy jsou konstruovány jako tříbodové ohybové držáky (vzdálenost ložisek je zde 20 mm). Jako nosný systém vzorku je použit krychlový safírový nosič o šířce 15 mm, výšce 7 mm a délce přibližně 50 mm. Na horní straně nosiče se velmi dobře hodí dva safírové válečky, které podpírají vzorky v předem definovaných polohách. Vzdálenost mezi válečky lze tedy volit v krocích po 5 mm, což umožňuje, aby tříbodové ohýbací podpěry byly od sebe vzdáleny od 10 do 35 mm. Třetí safírový váleček je umístěn uprostřed na horní straně vzorku jako lisovací matrice (obrázek 2, vpravo). Válečky jsou dlouhé 15 mm a mají průměr 4 mm. Ložisko válečků zabraňuje výraznému tahovému zatížení při vychýlení, zatímco kardanové ložisko v pístu vždy zajišťuje liniový kontakt mezi pístem a vzorkem.
Při použití T štítu a "kardanového válečkového ložiska" (obr. 3) nedochází k samodestrukci ani při zkušebním zatížení (Fstst = 0,25 N, Fdyn = 0,15 N). To platí i pro vícenásobné spuštění (ohřev/chlazení) přechodu α/β.
Za těchto experimentálních podmínek lze na křemenných vahadlech úspěšně provádět teplotní rozsahy pokrývající teplotní rozsah přechodu α/β. Po ukončení měření lze vzorek bez poškození vyjmout.
Výsledky měření
Fázový přechod a/ß křemenných krystalů lze poprvé spolehlivě mechanicky detekovat pomocí vysokoteplotního DMA ve formě teplotního sweepu (obr. 4). Určení teploty přechodu lze provést na základě teplotní závislosti Youngova modulu |E*| a/nebo tlumení (tan δ). Je tedy známa i teplota převládající v místě vzorku a lze ji použít jako kalibrační standard.
V těchto pracích jsme se zaměřili na záznam chování v blízkosti přechodu α/β. Za tímto účelem je třeba použít nízká zkušební zatížení (zde Fstatic = 0,25 N, Fdynamic = ± 0,15 N) a nízké rychlosti ohřevu (2 K/min).
HT Eplexor® je velmi vhodný pro provádění takovýchto dynamicko-mechanických zkoušek díky své schopnosti select zatěžovacích článků s vhodným jmenovitým zatížením pro specifické požadavky na případy.
Souhrn
Zatížení přizpůsobené chování materiálu v teplotním rozsahu kolem 550 °C brání dostatečně dobrému spojení vzorku s ohybovou podložkou při nižších teplotách. Výsledkem je podhodnocený Youngův modul |E*| v oblasti RT. Dobré spojení vyžaduje při rozměrech vzorku 1,03 mm x 10,81 mm x 35 mm statické síly alespoň 5 N a oddělená měření. Pokud by tato zatížení byla použita v teplotním rozsahu přechodu α/β, nevyhnutelně by došlo k destrukci vzorku. Proto zde bylo provedeno snížení zatížení při vyšších teplotách.