Εισαγωγή
Ο χαλαζίας, που ονομάζεται επίσης χαλαζίας χαμηλής θερμοκρασίας ή α-quarz, είναι ένα ορυκτό με χημική σύσταση SiO2 και τριγωνική συμμετρία. Στην επιφάνεια της Γης, είναι η σταθερή μορφή του διοξειδίου του πυριτίου και ένα από τα πιο κοινά ορυκτά του ηπειρωτικού φλοιού. Εμφανίζεται ως βραχοσχηματίζον υλικό τόσο στον μανδύα όσο και στον φλοιό της Γης. [1]
Τα χαλαζιακά υλικά του υπεδάφους επηρεάζουν την τεκτονική συμπεριφορά καθώς μεταφέρουν σεισμικά κύματα ανάλογα με τις δυναμικές μηχανικές και θερμικές τους ιδιότητες [2].
Στους 573°C και υπό κανονική πίεση, η τροποποίηση χαμηλής θερμοκρασίας αλλάζει από τριγωνική σε εξαγωνική (τροποποίηση υψηλής θερμοκρασίας). Αυτή η αλλαγή της τροποποίησης είναι εκτοπιστική, πολύ γρήγορη και αντιστρεπτή. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, οι φυσικές ιδιότητες (όγκος, θερμική αγωγιμότητα, δυναμομηχανικές παράμετροι κ.λπ.) μεταβάλλονται σημαντικά, επιτρέποντας τη χρήση αυτής της θερμοκρασίας μετατροπής για τη θερμοκρασία calibration. [3]
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του χαλαζία είναι η αντοχή του στο οξυγόνο μέχρι υψηλές θερμοκρασίες. Πρόκειται για μια ιδιότητα που εκτιμάται και απλοποιεί τον χειρισμό στην πράξη. Δεν απαιτούνται αέρια καθαρισμού. [4]
Οι φυσικοί κρύσταλλοι χαλαζία αποτελούνται από Si και O2, τα οποία σχηματίζουν δεσμούς τετραέδρων [SiO4]4. Άλλα στοιχεία είναι παρόντα μόνο σε ίχνη στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Οι μονοκρύσταλλοι χαλαζία διαθέτουν χαρακτηριστική ανισοτροπία στις οπτικές και μηχανικές ελαστικές ιδιότητες, μεταξύ άλλων. Εάν, ωστόσο, ένα υλικό αποτελείται από μια ποικιλία διαφορετικά προσανατολισμένων μεμονωμένων κρυστάλλων, η ανισοτροπία εξασθενεί σημαντικά με λιγότερο έντονο προτιμώμενο προσανατολισμό των μεμονωμένων κρυσταλλιτών. Πολλές μεταβατικές μορφές εμφανίζονται μεταξύ μακροσκοπικά ισοτροπικών πολυκρυστάλλων χαλαζία και ισχυρά ανισότροπων συνθετικών μονοκρυστάλλων. Το φάσμα κυμαίνεται, για παράδειγμα, από το άμορφο πυριτικό γυαλί (= γυαλί χαλαζία) έως τον ψαμμίτη [περιεκτικότητα σε χαλαζία άνω του 50% και χαλαζίτες που ΔΕΝ έχουν δεσμευτεί με πυροσυσσωμάτωση (πετρώματα με υψηλή περιεκτικότητα σε χαλαζία ≈98%+, αλλά πυροσυσσωματωμένους κρυστάλλους χαλαζία)], και από τον ορυκτό κρύσταλλο ως φυσική εκδοχή του μονοκρυστάλλου έως τον συνθετικό μονοκρύσταλλο χαλαζία, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως.
Για παράδειγμα, οι μονοκρύσταλλοι χαλαζία χρησιμοποιούνται εδώ και πολύ καιρό ως κρύσταλλοι ταλάντωσης (χρονόμετρα) ή αναφλεκτήρες λόγω των πιεζοηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων τους. Στη μικροηλεκτρονική, οι κρύσταλλοι χαλαζία έχουν εφαρμοστεί ως διηλεκτρικά στρώματα σε τρανζίστορ, πυκνωτές και σκληρές μάσκες στη φωτολιθογραφία και επιπλέον ως μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) για βιομηχανικές και βιοϊατρικές εφαρμογές. [5]
Για τη χρήση ισχυρά ανισότροπων μονοκρυστάλλων χαλαζία για τη θερμοκρασία calibration στο DMA υψηλής θερμοκρασίας (HT Eplexor®), απαιτούνται ορισμένες προφυλάξεις λόγω της ευδιάκριτης ανισοτροπίας. Η φυσικά αυξανόμενη θερμική διαστολή κατά τη διάρκεια μιας σάρωσης θερμοκρασίας (π.χ. ράμπα θερμοκρασίας με 10 K/min) οδηγεί σε εσωτερικές μηχανικές τάσεις στον χαλαζία. Εάν το δείγμα χαλαζία εκτεθεί επιπλέον σε βαθμίδα θερμοκρασίας εντός του θαλάμου μέτρησης (κλίβανος HT), αυτές οι εσωτερικές τάσεις θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε ρωγμές ή θραύση του δείγματος. Επομένως, είναι απαραίτητο να διατηρηθεί η κλίση θερμοκρασίας στον κλίβανο όσο το δυνατόν χαμηλότερα με τη λήψη κατάλληλων μέτρων.
Ο κλίβανος HT Eplexor®, εξοπλισμένος με χωριστό θάλαμο δείγματος και πρόσθετη ασπίδα θερμοκρασίας, πληροί αυτές τις απαιτήσεις. Έτσι, ο μετασχηματισμός φάσης στους 573°C μπορεί να εκτελεστεί ακόμη και πολλές φορές στο ίδιο δείγμα χωρίς να καταστραφεί το δείγμα λόγω της βαθμίδας θερμοκρασίας. Ένα από τα εποικοδομητικά μέτρα είναι η απομάκρυνσηarcμιας περιοχής στο θάλαμο του κλιβάνου με μια καλά θερμικά αγώγιμη κυλινδρική προστατευτική ασπίδα γύρω από το δείγμα.
Πειραματικό
Χωρίς αυτά τα πρόσθετα μέτρα για τη μείωση των θερμικών κλίσεων, η αυτοκαταστροφή του δείγματος χαλαζία πραγματοποιείται τακτικά ακόμη και χωρίς εφαρμοζόμενο φορτίο δοκιμής (σχήμα 1). Αυτό προκαλείται από θερμοκρασιακές κλίσεις που είναι πολύ large στην περιοχή του δείγματος.
Για την ομογενοποίηση της κατανομής της θερμοκρασίας και για τη μείωση της θερμοκρασιακής κλίσης στο δείγμα, χρησιμοποιείται κυλινδρική ασπίδα θερμοκρασίας από χαλκό (σχήμα 2, αριστερά), η οποία περικλείει τη θήκη κάμψης από ζαφείρι (αριστερά) και το έμβολο που ενεργεί ακονιστικά στο δείγμα (σχήμα 2, δεξιά) στο μισό ύψος. Οι άξονες δύναμης που είναι ενσωματωμένοι στο HT Eplexor® αποτελούνται από πολυκρυσταλλικό Al2O3.
Οι άξονες δύναμης είναι σχεδιασμένοι ως κάτοχοι κάμψης 3 σημείων (απόσταση έδρασης εδώ 20 mm). Ως σύστημα στήριξης του δείγματος χρησιμοποιείται ένας κυβοειδής φορέας από ζαφείρι με πλάτος 15 mm, ύψος 7 mm και μήκος περίπου 50 mm. Στην επάνω πλευρά του φορέα, δύο κύλινδροι από ζαφείρι στηρίζουν τα δείγματα σε προκαθορισμένες θέσεις είναι πολύ κατάλληλοι. Η απόσταση μεταξύ των κυλίνδρων μπορεί έτσι να selectσε βήματα των 5 mm, επιτρέποντας την απόσταση μεταξύ των στηρίξεων κάμψης 3 σημείων από 10 έως 35 mm. Ο τρίτος κύλινδρος από ζαφείρι τοποθετείται κεντρικά στην επάνω πλευρά του δείγματος ως μήτρα συμπίεσης (σχήμα 2, δεξιά). Οι κύλινδροι έχουν μήκος 15 mm και διάμετρο 4 mm. Το ρουλεμάν των κυλίνδρων αποτρέπει σημαντικά εφελκυστικά φορτία κατά την εκτροπή, ενώ το ρουλεμάν του εμβόλου εξασφαλίζει πάντοτε επαφή γραμμής μεταξύ εμβόλου και δείγματος.
Με τη χρήση ασπίδας Τ και του "ρουλεμάν κυλίνδρων ακροβάθρου" (σχήμα 3), δεν παρατηρείται αυτοκαταστροφή, ακόμη και υπό φορτίο δοκιμής (Fstst = 0,25 N, Fdyn = 0,15 N). Αυτό ισχύει επίσης για πολλαπλές εκτελέσεις (θέρμανση/ψύξη) της μετάβασης α/β.
Υπό αυτές τις πειραματικές συνθήκες, οι σαρώσεις θερμοκρασίας που καλύπτουν το θερμοκρασιακό εύρος της μετάβασης α/β μπορούν να πραγματοποιηθούν με επιτυχία σε κυματιστές χαλαζία. Μετά την ολοκλήρωση των μετρήσεων, το δείγμα μπορεί να αφαιρεθεί χωρίς ζημία.
Αποτελέσματα μέτρησης
Η μετάβαση φάσης α/ß των κρυστάλλων χαλαζία μπορεί, για πρώτη φορά, να ανιχνευθεί αξιόπιστα μηχανικά με τη βοήθεια της DMA υψηλής θερμοκρασίας με τη μορφή σάρωσης θερμοκρασίας (σχήμα 4). Ο προσδιορισμός της θερμοκρασίας μετάβασης μπορεί να γίνει με βάση τη θερμοκρασιακή εξάρτηση του μέτρου Young |E*| ή/και της απόσβεσης (tan δ). Έτσι, η θερμοκρασία που επικρατεί στη θέση του δείγματος είναι επίσης γνωστή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο calibra.
Στις παρούσες έρευνες, η έμφαση δόθηκε στην καταγραφή της συμπεριφοράς κοντά στη μετάβαση α/β. Για το σκοπό αυτό, πρέπει να εφαρμόζονται χαμηλά φορτία δοκιμής (εδώ Fstatic = 0,25 N, Fdynamic = ± 0,15 N) και χαμηλοί ρυθμοί θέρμανσης (2 K/min).
Το HT Eplexor® είναι πολύ κατάλληλο για τη διεξαγωγή τέτοιων δυναμικών-μηχανικών ερευνών λόγω της ικανότητάς του να select κυψέλες φορτίου κατάλληλου ονομαστικού φορτίου για τις ειδικές απαιτήσεις των περιπτώσεων.
Περίληψη
Τα φορτία που προσαρμόζονται στη συμπεριφορά του υλικού στην περιοχή θερμοκρασιών γύρω στους 550°C εμποδίζουν την αρκετά καλή σύζευξη του δείγματος με το στήριγμα κάμψης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Το αποτέλεσμα είναι ένα υποεκτιμημένο μέτρο ελαστικότητας Young |E*| στην περιοχή RT. Η καλή σύζευξη απαιτεί, για διαστάσεις δείγματος 1,03 mm x 10,81 mm x 35 mm, στατικές δυνάμεις τουλάχιστον 5 N και ξεχωριστές μετρήσεις. Εάν τα φορτία αυτά εφαρμόζονταν στην περιοχή θερμοκρασιών της μετάβασης α/β, θα συνέβαινε αναπόφευκτα καταστροφή του δείγματος. Ως εκ τούτου, εδώ πραγματοποιήθηκε μείωση του φορτίου σε υψηλότερες θερμοκρασίες.