Εισαγωγή
Το γυαλί ως υλικό είναι πανταχού παρόν στην καθημερινή μας ζωή. Είτε πρόκειται για τζάμια παραθύρων, είτε για γυαλιά ανάγνωσης, είτε για ποτήρια κρασιού, είτε για τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα των κινητών μας τηλεφώνων - οι τομείς εφαρμογής του γυαλιού είναι πολύπλευροι και πολλαπλοί. Βασικά, τα γυαλιά είναι άμορφα στερεά που δεν έχουν ατομική δομική τάξη μεγάλης εμβέλειας. Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα γυαλιά αποτελούνται κατά κύριο λόγο από ανόργανες ενώσεις οξειδίων, όπως διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και οξείδιο του νατρίου (Na2O), καθώς και άλλα πρόσμικτα [1]. Οι αναλογίες ανάμιξης - ή η καθαρότητα των συστατικών - καθορίζουν τις ιδιότητες και, συνεπώς, το εύρος εφαρμογής.
Το καθαρό πυριτικό γυαλί, που ονομάζεται επίσης λιωμένο πυρίτιο, είναι ένας ειδικός τύπος γυαλιού που αποτελείται από εξαιρετικά καθαρό οξείδιο του πυριτίου και δεν περιέχει σημαντικές προσμίξεις. Σε σύγκριση με άλλα ανόργανα γυαλιά, διαθέτει αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, χαμηλή θερμική διαστολή, χημική αντοχή και βιοσυμβατότητα, καθώς και υψηλή οπτική διαφάνεια - που κυμαίνεται από την υπεριώδη έως την υπέρυθρη ακτινοβολία [2]. Το υλικό αυτό βρίσκει εφαρμογές σε διάφορους τομείς, μεταξύ άλλων ως γυαλιά προβολής σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, λειτουργώντας ως φακοί σε συστήματα λέιζερ, υποστηρίζοντας διαδικασίες εμφυτευματολογίας και αξιοποιούμενο σε αναλυτικά όργανα όπως τα διαστομόμετρα.
Μέτρηση των θερμομηχανικών ιδιοτήτων τωνΥάλων με DMA
Η δυναμική-μηχανική ανάλυση (DMA για συντομία) είναι μια πειραματική μέθοδος για τη διερεύνηση των ιξωδοελαστικών ιδιοτήτων των υλικών. Περιλαμβάνει την ανάλυση της απόκρισης του υλικού σε περιοδικές μηχανικές φορτίσεις προκειμένου να προσδιοριστούν ιδιότητες όπως η ελαστικότητα, το ιξώδες και η απόσβεση. Το DMA 303 Eplexor® είναι ένα δυναμικό-μηχανικό επιτραπέζιο όργανο που επιτρέπει επίπεδα συνολικής δύναμης έως και 50 N. Το σύστημα διαθέτει εύρος θερμοκρασίας από -170°C έως 800°C, το οποίο είναι μοναδικό για επιτραπέζια όργανα. Με βάση αυτές τις ιδιότητες, μπορούν να χαρακτηριστούν τόσο υλικά στην περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών, όπως πολυμερή, όσο και υλικά υψηλής ακαμψίας, όπως χάλυβες, κεραμικά ή γυαλιά, σε θερμοκρασίες 800°C.
Αποτελέσματα μέτρησης
Στο Σχήμα 1 συγκρίνεται η μέτρηση DMA σε ένα συμβατικό γυαλί float (μπλε καμπύλη), όπως χρησιμοποιείται στα παράθυρα σπιτιών, με εκείνη του καθαρού λιωμένου διοξειδίου του πυριτίου (κόκκινη καμπύλη) από τους 100°C έως τους 800°C. Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε σε κάμψη 3 σημείων με ελεύθερο μήκος κάμψης 20 mm και συχνότητα 1 Hz. Τα κυβικά δοκίμια έχουν πάχος 1 mm και πλάτος 10 mm, ενώ το εξωτερικό περίγραμμα των δοκιμίων έχει εξομαλυνθεί.
Τόσο το γυαλί πυριτίας όσο και το καθαρό πυριτικό γυαλί έχουν μέτρο αποθήκευσης, E', λίγο κάτω από 70 GPa στους 100°C. Το μέτρο αποθήκευσης, E', περιγράφει τις ελαστικές ιδιότητες του υλικού- με απλά λόγια, τη δυσκαμψία του.
Με την αύξηση της θερμοκρασίας, το μέτρο αποθήκευσης του γυαλιού πυριτίου μειώνεται ελαφρώς και παίρνει μια τιμή περίπου 60 GPa στους 500°C. Στους 566°C (προεκτιμώμενη έναρξη), παρατηρείται έντονη μείωση του μέτρου αποθήκευσης, E', μαζί με σημαντική αύξηση του tan δ. Το tan δ αντιπροσωπεύει τις ιδιότητες απόσβεσης ενός υλικού ή τη διάχυση της ενέργειάς του.
Πρόκειται για το χαρακτηριστικό της υαλώδους μετάβασης (Tg) για τα άμορφα στερεά. Σε θερμοκρασίες κάτω από την Tg, τα υλικά είναι κυρίως στερεά και ενδεχομένως εύθραυστα. Κατά τη υαλώδη μετάβαση, η κινητική ενέργεια των αδόμητων ατόμων γίνεται αρκετά υψηλή ώστε να ξεπεραστεί ο ενδιάμεσος δεσμός. Σε αυτό το σημείο, το γυαλί γίνεται πιο μαλακό και είναι διαμορφώσιμο. Για το λόγο αυτό, η μέτρηση δεν συνεχίζεται με την επίτευξη αυτού του σημείου, προκειμένου να αποφευχθεί η τήξη του γυαλιού στον υποδοχέα του δείγματος.
Αντίθετα, το καθαρό πυριτικό γυαλί, όπως φαίνεται στο σχήμα 1, παρουσιάζει συμπεριφορά μάλλον άτυπη για τα στερεά. Εντός του εύρους θερμοκρασιών που παρατηρείται, δεν παρατηρείται μαλάκυνση του υλικού. Αντίθετα, το μέτρο αποθήκευσης, E', αυξάνεται ελαφρά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Οι Babcock et al. [3] υποθέτουν τη συνύπαρξη δύο ατομικών δομών τάξης μικρής εμβέλειας οι οποίες έχουν διαφορετικές δυνάμεις σύνδεσης και πυκνότητες. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, σχηματίζεται όλο και περισσότερο η δομή με τις υψηλότερες ατομικές δυνάμεις δεσμού και το υλικό γίνεται πιο δύσκαμπτο.
Το παράδειγμα καταδεικνύει τη χρήση καθαρού πυριτικού γυαλιού για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Ενώ το καθαρό πυριτικό γυαλί μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για θερμοκρασίες άνω των 600°C, το συμβατικό γυαλί από λιωμένο πυρίτιο δεν θα μπορούσε πλέον να εγγυηθεί τη δομική σταθερότητα. Επιπλέον, το παράδειγμα αυτό δείχνει ποια διαφορετική συμπεριφορά μπορεί να παρουσιάσουν υλικά που είναι αρκετά παρόμοια τόσο οπτικά όσο και χημικά, και πώς η δυναμική-μηχανική ανάλυση μπορεί να βοηθήσει στη διερεύνηση αυτού του γεγονότος.
Περίληψη
Η δυναμομηχανική ανάλυση είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται συνήθως για τον προσδιορισμό της υαλώδους μετάβασης άμορφων και ημικρυσταλλικών πολυμερών. Το DMA 303 Eplexor® επιτρέπει την ανάλυση υλικών στους 800°C - ένα εύρος θερμοκρασιών που είναι ασυναγώνιστο μεταξύ των οργάνων πάγκου. Αυτό επιτρέπει ακόμη και υλικά που χρησιμοποιούνται στην περιοχή medium- έως υψηλών θερμοκρασιών, όπως μέταλλα, κεραμικά ή γυαλιά, να χαρακτηρίζονται και να αξιολογούνται για την εφαρμογή τους.