Bevezetés
Az üveg mint anyag mindenütt jelen van mindennapi életünkben. Legyen szó ablaküvegről, olvasószemüvegről, borospohárról vagy mobiltelefonunk elektronikus alkatrészeiről - az üveg felhasználási területei sokoldalúak és sokrétűek. Az üvegek alapvetően amorf szilárd anyagok, amelyek nem rendelkeznek atomi hosszú távú szerkezeti renddel. A legelterjedtebb üvegek elsősorban szervetlen oxidvegyületekből, például szilícium-dioxidból (SiO2) és nátrium-oxidból (Na2O), valamint egyéb adalékanyagokból állnak [1]. A keverési arányok - vagy az összetevők tisztasága - határozzák meg a tulajdonságokat és ezáltal az alkalmazási területet.
A tiszta szilikátüveg, más néven olvasztott szilícium-dioxid egy speciális üvegtípus, amely nagy tisztaságú szilícium-oxidból áll, és nem tartalmaz jelentős szennyeződéseket. Más szervetlen üvegekhez képest magas hőmérsékletállósággal, alacsony hőtágulással, vegyi ellenállással és biokompatibilitással, valamint nagy optikai átlátszósággal - az ultraibolyától az infravörösig [2] - rendelkezik. Ezt az anyagot számos területen alkalmazzák, többek között magas hőmérsékletű környezetben látószemüvegként, lézerrendszerekben lencseként, implantológiai eljárások támogatására, valamint analitikai műszerekben, például dilatométerekben.
A termomechanikai tulajdonságok mérése aÜvegek DMA segítségével
A dinamikai-mechanikai analízis (röviden DMA) az anyagok viszkoelasztikus tulajdonságainak vizsgálatára szolgáló kísérleti módszer. Ennek során elemzik az anyag periodikus mechanikai terhelésre adott válaszát, hogy meghatározzák az olyan tulajdonságokat, mint a rugalmasság, a viszkozitás és a csillapítás. A DMA 303 Eplexor® egy dinamikus-mechanikai asztali műszer, amely akár 50 N teljes erőszintet is lehetővé tesz. A rendszer -170°C és 800°C közötti hőmérséklet-tartományt kínál, ami egyedülálló a padon elhelyezett műszerek között. E tulajdonságok alapján mind az alacsony hőmérséklet-tartományban lévő anyagok, mint például a polimerek, mind a nagy merevségű anyagok, mint például acélok, kerámiák vagy üvegek, 800°C-os hőmérsékletig jellemezhetők.
Mérési eredmények
Az 1. ábra összehasonlítja a hagyományos úsztatott üveg (kék görbe) DMA-méréseit, ahogyan azt a házi ablakokban használják, a tiszta olvasztott szilícium-dioxid (piros görbe) DMA-méréseivel 100°C és 800°C között. A mérést 3 pontos hajlítással végeztük, 20 mm szabad hajlítási hosszal és 1 Hz frekvenciával. A kocka alakú minták vastagsága 1 mm, szélessége 10 mm, a minták külső kontúrját simítottuk.
Mind az olvasztott szilikátüveg, mind a tiszta szilikátüveg tárolási modulusa (E') 100°C-on alig 70 GPa alatt van. Az E' tárolási modulus az anyag rugalmas tulajdonságait írja le, egyszerűbben fogalmazva a merevségét.
A hőmérséklet növekedésével a szilícium-dioxid olvasztott üveg tárolási modulusa enyhén csökken, és 500°C-on kb. 60 GPa értéket vesz fel. 566°C-on (extrapolált kezdeti érték) a tárolási modulus, E', erőteljes csökkenése a tan δ jelentős növekedése mellett következik be. A tan δ az anyag csillapítási tulajdonságait vagy energiaeloszlását jelöli.
Ez az amorf szilárd anyagokra jellemző üvegesedési átmenet (Tg). A Tg alatti hőmérsékleten az anyagok többnyire szilárdak és esetleg ridegek. Az üvegátmenetben a strukturálatlan atomok kinetikus energiája elég nagy lesz ahhoz, hogy legyőzzék a köztes kötéseket. Ekkor az üveg lágyabbá és alakíthatóvá válik. Emiatt a mérést e pont elérésekor nem folytatják, hogy elkerüljék az üveg megolvadását a mintatartónál.
Ezzel szemben a tiszta szilikátüveg, ahogy az 1. ábrán látható, a szilárd testekre meglehetősen atipikus viselkedést mutat. A BurgermodellA Burgers-modell egy viszkoelasztikus anyag általános modellje, amelyet általában a classic kúszás-visszanyerési mérés leírására használnak.megfigyelt hőmérséklet-tartományban az anyag lágyulása nem következik be. Ehelyett a tárolási modulus, E', a hőmérséklet emelkedésével enyhén növekszik. Babcock és munkatársai [3] két, eltérő kötőerőkkel és sűrűséggel rendelkező atomi rövidtávú rendezettségi struktúra együttes létezését feltételezik. A hőmérséklet növekedésével egyre inkább a nagyobb atomi kötőerőkkel rendelkező szerkezet alakul ki, és az anyag merevebbé válik.
A példa a tiszta szilikátüveg magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz való felhasználását mutatja be. Bár a tiszta szilikátüveg 600 °C feletti hőmérsékleten is alkalmazható, a hagyományos olvasztott szilikátüveg már nem garantálná a szerkezeti stabilitást. Ez a példa továbbá azt is szemlélteti, hogy vizuálisan és kémiailag meglehetősen hasonló anyagok milyen eltérő viselkedést mutathatnak, és hogy a dinamikai-mechanikai elemzés hogyan segíthet ennek vizsgálatában.
Összefoglaló
A dinamikai-mechanikai analízis az amorf és félkristályos polimerek üvegesedési átmenetének meghatározására jellemzően alkalmazott módszer. A DMA 303 Eplexor® lehetővé teszi az anyagok elemzését 800 °C-ig - ez a hőmérséklet-tartomány páratlan a padon elhelyezett műszerek között. Ez lehetővé teszi, hogy még a medium-tól a magas hőmérsékleti tartományban alkalmazott anyagok, például fémek, kerámiák vagy üvegek is jellemezhetők és értékelhetők alkalmazásuk szempontjából.