Johdanto
Lasi on materiaalina kaikkialla läsnä jokapäiväisessä elämässämme. Olipa kyse sitten ikkunalaseista, lukulaseista, viinilaseista tai matkapuhelimien elektroniikkakomponenteista - lasin käyttöalueet ovat monipuolisia ja moninaisia. Periaatteessa lasit ovat amorfisia kiinteitä aineita, joilla ei ole atomien pitkäkestoista rakenteellista järjestystä. Yleisimmin käytetyt lasit koostuvat pääasiassa epäorgaanisista oksidiyhdisteistä, kuten piidioksidista (SiO2) ja natriumoksidista (Na2O), sekä muista lisäaineista [1]. Sekoitussuhteet - tai komponenttien puhtaus - määräävät ominaisuudet ja siten käyttöalueen.
Puhdas silikaattilasi, jota kutsutaan myös sulatetuksi piidioksidiksi, on erityinen lasityyppi, joka koostuu erittäin puhtaasta piioksidista eikä sisällä merkittäviä epäpuhtauksia. Muihin epäorgaanisiin laseihin verrattuna sillä on korkea lämmönkestävyys, alhainen lämpölaajeneminen, kemiallinen kestävyys ja bioyhteensopivuus sekä suuri optinen läpinäkyvyys - ultraviolettilaseista infrapunaan [2]. Tätä materiaalia käytetään useilla eri aloilla, muun muassa katselulaseina korkean lämpötilan ympäristöissä, linsseinä laserjärjestelmissä, implantologisten toimenpiteiden tukena ja analyysilaitteissa, kuten dilatometreissä.
Lämpömekaanisten ominaisuuksien mittaaminenLasien lämpöteknisten ominaisuuksien mittaaminen DMA:n avulla
Dynaamis-mekaaninen analyysi (lyhyesti DMA) on kokeellinen menetelmä materiaalien viskoelastisten ominaisuuksien tutkimiseen. Siinä analysoidaan materiaalin vastetta jaksottaisiin mekaanisiin kuormituksiin, jotta voidaan määrittää ominaisuudet, kuten kimmoisuus, viskositeetti ja vaimennus. DMA 303 Eplexor® on dynaamis-mekaaninen pöytälaite, joka mahdollistaa jopa 50 N:n kokonaisvoimatasot. Järjestelmän lämpötila-alue on -170 °C:sta 800 °C:seen, mikä on ainutlaatuista pöytälaitteille. Näiden ominaisuuksien perusteella sekä matalalämpötila-alueella olevia materiaaleja, kuten polymeerejä, että erittäin jäykkiä materiaaleja, kuten teräksiä, keramiikkaa tai lasia, voidaan karakterisoida 800 °C:n lämpötiloihin asti.
Mittaustulokset
Kuvassa 1 verrataan tavanomaisen float-lasin (sininen käyrä), jota käytetään talon ikkunoissa, DMA-mittausta ja puhtaan sulatetun piidioksidin (punainen käyrä) DMA-mittausta 100 °C:sta 800 °C:seen. Mittaus suoritettiin 3-pistetaivutuksessa, kun vapaan taivutuksen pituus oli 20 mm ja taajuus 1 Hz. Kuutionmuotoisten näytteiden paksuus on 1 mm ja leveys 10 mm, ja näytteiden ulkokontuuri on tasoitettu.
Sekä sulatetun piilasilasin että puhtaan silikaattilasin varastointimoduuli E' on hieman alle 70 GPa 100 °C:ssa. Varastointimoduuli E' kuvaa materiaalin kimmoisuutta, yksinkertaistaen sen jäykkyyttä.
Lämpötilan noustessa sulatetun kvartsilasin varastointimoduuli laskee hieman ja saavuttaa 500 °C:ssa noin 60 GPa:n arvon. Kun lämpötila on 566 °C (ekstrapoloitu alkamispiste), varastointimoduuli E' laskee voimakkaasti ja tan δ kasvaa merkittävästi. Tan δ kuvaa materiaalin vaimennusominaisuuksia tai sen energian häviämistä.
Tämä on amorfisille kiinteille aineille ominainen lasisiirtymä (Tg). Tg:n alapuolella olevissa lämpötiloissa materiaalit ovat enimmäkseen kiinteitä ja mahdollisesti hauraita. Lasisiirtymässä jäsentymättömien atomien liike-energia kasvaa riittävän suureksi, jotta ne pystyvät voittamaan välilliset sidokset. Tässä vaiheessa lasista tulee pehmeämpää ja se on muokattavissa. Tästä syystä mittausta ei jatketa, kun tämä piste on saavutettu, jotta vältettäisiin lasin Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen näytteenpitimeen.
Sen sijaan puhdas silikaattilasi, kuten kuvassa 1 on esitetty, käyttäytyy melko epätyypillisesti kiinteille aineille. Havaitulla lämpötila-alueella materiaalin pehmenemistä ei tapahdu. Sen sijaan varastointimoduuli E' kasvaa hieman lämpötilan noustessa. Babcock et al. [3] olettavat, että rinnakkain esiintyy kaksi atomien lyhyen kantaman järjestysrakennetta, joilla on erilaiset sidosvoimat ja tiheydet. Lämpötilan noustessa muodostuu yhä enemmän rakenne, jolla on suuremmat atomiset sidosvoimat, ja materiaalista tulee jäykempi.
Esimerkki osoittaa puhtaan silikaattilasin käyttöä korkean lämpötilan sovelluksissa. Vaikka puhdasta silikaattilasia voidaan käyttää myös yli 600 °C:n lämpötiloissa, tavanomainen sulatettu piidioksidilasi ei enää takaa rakenteellista vakautta. Lisäksi tämä esimerkki havainnollistaa, miten eri tavoin visuaalisesti ja kemiallisesti melko samanlaiset materiaalit voivat käyttäytyä ja miten dynaamis-mekaaninen analyysi voi auttaa tämän tutkimisessa.
Yhteenveto
Dynaamis-mekaaninen analyysi on menetelmä, jota käytetään yleensä amorfisten ja puolikiteisten polymeerien lasittumisen määrittämiseen. DMA 303 Eplexor® -laitteella voidaan analysoida materiaaleja 800 °C:n lämpötiloihin asti, mikä on vertaansa vailla oleva lämpötila-alue penkkilaitteiden joukossa. Tämän ansiosta myös medium- ja korkeissa lämpötiloissa käytettävät materiaalit, kuten metallit, keramiikka tai lasit, voidaan karakterisoida ja arvioida niiden käyttöä varten.