Introducere
Sticla ca material este omniprezentă în viața noastră de zi cu zi. Fie că este vorba despre geamuri, pahare de citit, pahare de vin sau componente electronice ale telefoanelor noastre mobile - domeniile de aplicare ale sticlei sunt versatile și multiple. În principiu, sticlele sunt solide amorfe care nu au o ordine structurală atomică de lungă durată. Paharele cele mai utilizate constau în principal din compuși de oxid anorganic, cum ar fi dioxidul de siliciu (SiO2) și oxidul de sodiu (Na2O), precum și din alte adaosuri [1]. Raporturile de amestec - sau puritatea componentelor - determină proprietățile și, prin urmare, domeniul de aplicare.
Sticla silicată pură, denumită și silice topită, este un tip special de sticlă care constă din oxid de siliciu foarte pur și nu conține impurități semnificative. În comparație cu alte vetre anorganice, se caracterizează prin rezistență la temperaturi ridicate, dilatare termică redusă, rezistență chimică și biocompatibilitate, precum și prin transparență optică ridicată - de la ultraviolete la infraroșii [2]. Acest material își găsește aplicații în diverse domenii, inclusiv ca ochelari de vedere în medii cu temperaturi ridicate, ca lentile în sistemele cu laser, ca suport pentru procedurile implantologice și în instrumente analitice precum dilatometrele.
Măsurarea proprietăților termomecanice aleSticlelor cu ajutorul DMA
Analiza dinamico-mecanică (DMA pe scurt) este o metodă experimentală de investigare a proprietăților vâscoelastice ale materialelor. Aceasta implică analizarea răspunsului materialului la sarcini mecanice periodice pentru a determina proprietăți precum elasticitatea, vâscozitatea și amortizarea. DMA 303 Eplexor® este un instrument dinamico-mecanic de birou care permite niveluri de forță totală de până la 50 N. Sistemul are un interval de temperatură de la -170°C la 800°C, ceea ce este unic pentru instrumentele de birou. Pe baza acestor proprietăți, atât materialele la temperaturi scăzute, cum ar fi polimerii, cât și materialele foarte rigide, cum ar fi oțelurile, ceramica sau sticla, pot fi caracterizate la temperaturi de 800°C.
Rezultatele măsurătorilor
Figura 1 compară măsurarea DMA pe o sticlă flotată convențională (curba albastră), utilizată la ferestrele casnice, cu cea a siliciului topit pur (curba roșie) de la 100°C la 800°C. Măsurarea a fost efectuată prin îndoire în 3 puncte cu o lungime de îndoire liberă de 20 mm și o frecvență de 1 Hz. Probele cubice au o grosime de 1 mm și o lățime de 10 mm, conturul exterior al probelor fiind netezit.
Atât sticla de silice topită, cât și sticla de silicat pură au un modul de stocare, E', de puțin sub 70 GPa la 100°C. Modulul de stocare, E', descrie proprietățile elastice ale materialului; în termeni simpli, rigiditatea acestuia.
Odată cu creșterea temperaturii, Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare al sticlei de silice topită scade ușor și capătă o valoare de aproximativ 60 GPa la 500°C. La 566°C (începutul extrapolării), apare o scădere puternică a modulului de stocare, E', împreună cu o creștere semnificativă a tan δ. Tan δ reprezintă proprietățile de amortizare ale unui material sau disiparea energiei acestuia.
Aceasta este caracteristica tranziției vitroase (Tg) pentru solidele amorfe. La temperaturi sub Tg, materialele sunt în cea mai mare parte solide și eventual fragile. În tranziția vitroasă, energia cinetică a atomilor nestructurați devine suficient de mare pentru a depăși legăturile intermediare. În acest moment, sticla devine mai moale și este modelabilă. Din acest motiv, măsurarea nu este continuată la atingerea acestui punct, pentru a evita topirea sticlei la nivelul suportului de probă.
În schimb, sticla silicată pură, așa cum se arată în figura 1, prezintă un comportament mai degrabă atipic pentru solide. În intervalul de temperatură observat, nu are loc o înmuiere a materialului. În schimb, Elasticitate și modul de elasticitateElasticitatea cauciucului sau elasticitatea entropică descrie rezistența oricărui sistem de cauciuc sau elastomer la o deformare sau tensiune aplicată din exterior. modulul de stocare, E', crește ușor odată cu creșterea temperaturii. Babcock și colab. [3] presupun coexistența a două structuri atomice de ordine de scurtă distanță care au forțe de legătură și densități diferite. Odată cu creșterea temperaturii, structura cu forțe de legătură atomică mai mari se formează din ce în ce mai mult și materialul devine mai rigid.
Exemplul demonstrează utilizarea sticlei de silicat pur pentru aplicații la temperaturi ridicate. Deși sticla silicată pură poate fi utilizată și pentru temperaturi de peste 600°C, sticla de silice topită convențională nu ar mai garanta stabilitatea structurală. În plus, acest exemplu ilustrează comportamentele diferite pe care le pot prezenta materiale destul de asemănătoare atât din punct de vedere vizual, cât și chimic și modul în care analiza dinamico-mecanică poate ajuta la investigarea acestora.
Rezumat
Analiza dinamico-mecanică este o metodă utilizată de obicei pentru a determina tranziția vitroasă a polimerilor amorfi și semicristalini. DMA 303 Eplexor® permite analizarea materialelor până la 800°C - o gamă de temperaturi care nu are rival în rândul instrumentelor de banc. Acest lucru permite chiar și materialelor utilizate în intervalul medium- până la temperaturi ridicate, cum ar fi metalele, ceramica sau sticla, să fie caracterizate și evaluate pentru aplicarea lor.