Inledning
Glas är ett material som är allestädes närvarande i vårt dagliga liv. Vare sig det gäller fönsterrutor, läsglas, vinglas eller elektroniska komponenter i våra mobiltelefoner - användningsområdena för glas är mångsidiga och varierande. I grund och botten är glas amorfa fasta ämnen som inte har någon atomär strukturell ordning med lång räckvidd. De mest använda glasen består främst av oorganiska oxidföreningar som kiseldioxid (SiO2) och natriumoxid (Na2O) samt andra tillsatser [1]. Blandningsförhållandena - eller renheten hos komponenterna - bestämmer egenskaperna och därmed användningsområdet.
Rent silikatglas, även kallat smält kiseldioxid, är en speciell typ av glas som består av mycket ren kiseloxid och inte innehåller några betydande föroreningar. Jämfört med andra oorganiska glas har det hög temperaturbeständighet, låg termisk expansion, kemisk beständighet och biokompatibilitet samt hög optisk transparens - från ultraviolett till infrarött [2]. Materialet används inom en rad olika områden, bland annat som glasögon i högtemperaturmiljöer, som linser i lasersystem, vid implantatbehandlingar och i analysinstrument som dilatometrar.
Mätning av de termomekaniska egenskaperna hosGlas med hjälp av DMA
Dynamisk-mekanisk analys (förkortat DMA) är en experimentell metod för att undersöka materialens viskoelastiska egenskaper. Detta innebär att man analyserar materialets respons på periodiska mekaniska belastningar för att fastställa egenskaper som elasticitet, viskositet och dämpning. DMA 303 Eplexor® är ett dynamiskt-mekaniskt bordsinstrument som möjliggör totala kraftnivåer på upp till 50 N. Systemet har ett temperaturområde på -170°C till 800°C, vilket är unikt för bordsinstrument. Baserat på dessa egenskaper kan både material i lågtemperaturområdet, t.ex. polymerer, och mycket styva material, t.ex. stål, keramik eller glas, karakteriseras vid temperaturer upp till 800°C.
Resultat av mätning
I figur 1 jämförs DMA-mätningen på ett konventionellt floatglas (blå kurva), som används i husfönster, med mätningen på ren smält kiseldioxid (röd kurva) från 100°C till 800°C. Mätningen utfördes i 3-punktsböjning med en fri böjlängd på 20 mm och en frekvens på 1 Hz. De kubiska proverna har en tjocklek på 1 mm och en bredd på 10 mm och provernas ytterkontur har jämnats ut.
Både smält kiseldioxidglas och rent silikatglas har en lagringsmodul, E', på strax under 70 GPa vid 100°C. Lagringsmodulen, E', beskriver materialets elastiska egenskaper, enkelt uttryckt dess styvhet.
Med ökande temperatur sjunker lagringsmodulen för smält kiseldioxidglas något och får ett värde på ca 60 GPa vid 500°C. Vid 566°C (extrapolerad startpunkt) sker en kraftig minskning av lagringsmodulen, E', tillsammans med en betydande ökning av tan δ. Tan δ representerar materialets dämpningsegenskaper eller dess energidissipation.
Detta är glasövergångstemperaturen (Tg) som är karakteristisk för amorfa fasta ämnen. Vid temperaturer under Tg är materialen mestadels fasta och eventuellt spröda. Vid glasövergången blir de ostrukturerade atomernas kinetiska energi tillräckligt hög för att övervinna mellanliggande bindningar. Vid denna punkt blir glaset mjukare och formbart. Av denna anledning fortsätter inte mätningen när denna punkt har nåtts, för att undvika att glaset smälter vid provhållaren.
Däremot uppvisar rent silikatglas, som visas i figur 1, ett beteende som är ganska atypiskt för fasta ämnen. Inom det observerade temperaturområdet sker ingen mjukgörning av materialet. Istället ökar lagringsmodulen, E', något med stigande temperatur. Babcock et al [3] antar att det finns två atomära strukturer med kort avståndsordning som har olika bindningskrafter och densiteter. Med ökande temperatur bildas strukturen med högre atomära bindningskrafter i allt högre grad och materialet blir styvare.
Exemplet visar användningen av rent silikatglas för högtemperaturtillämpningar. Även om rent silikatglas också kan användas för temperaturer över 600°C, skulle konventionellt smält kiseldioxidglas inte längre garantera strukturell stabilitet. Dessutom illustrerar exemplet hur olika beteenden kan uppträda hos material som är ganska lika både visuellt och kemiskt, och hur dynamisk-mekanisk analys kan hjälpa till att undersöka detta.
Sammanfattning
Dynamisk-mekanisk analys är en metod som vanligtvis används för att bestämma glasövergången hos amorfa och halvkristallina polymerer. Med DMA 303 Eplexor® kan material analyseras upp till 800°C - ett temperaturområde som är oöverträffat bland bänkinstrument. Detta gör att även material som används i medium- till högtemperaturområdet, t.ex. metaller, keramik eller glas, kan karakteriseras och utvärderas för sina användningsområden.