Giriş
Bir malzeme olarak cam, günlük hayatımızda her yerde mevcuttur. İster pencere camı, okuma gözlüğü, şarap kadehi ister cep telefonlarımızın elektronik bileşenleri olsun - camın uygulama alanları çok yönlü ve çeşitlidir. Temel olarak camlar, atomik uzun menzilli yapısal düzene sahip olmayan amorf katılardır. En yaygın kullanılan camlar temel olarak silikon dioksit (SiO2) ve sodyum oksit (Na2O) gibi inorganik oksit bileşiklerinin yanı sıra diğer katkı maddelerinden oluşur [1]. Karışım oranları - veya bileşenlerin saflığı - özellikleri ve dolayısıyla uygulama aralığını belirler.
Kaynaşmış silika olarak da adlandırılan saf silikat cam, yüksek oranda saf silikon oksitten oluşan ve önemli bir safsızlık içermeyen özel bir cam türüdür. Diğer inorganik camlarla karşılaştırıldığında, yüksek sıcaklık direnci, düşük termal genleşme, kimyasal direnç ve biyouyumluluğun yanı sıra ultraviyole ile kızılötesi arasında değişen yüksek optik şeffaflık özelliklerine sahiptir [2]. Bu malzeme, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda görüntüleme camı olarak hizmet etmek, lazer sistemlerinde lens olarak işlev görmek, implantoloji prosedürlerini desteklemek ve dilatometreler gibi analitik cihazlarda kullanılmak da dahil olmak üzere çeşitli alanlarda uygulama alanı bulmaktadır.
Termomekanik Özelliklerinin ÖlçülmesiDMA Aracılığıyla Camlar
Dinamik-mekanik analiz (kısaca DMA), malzemelerin viskoelastik özelliklerini araştırmak için kullanılan deneysel bir yöntemdir. Bu, elastikiyet, viskozite ve sönümleme gibi özellikleri belirlemek için malzemenin periyodik mekanik yüklere verdiği tepkinin analiz edilmesini içerir. DMA 303 Eplexor®, 50 N'a kadar toplam kuvvet seviyelerine izin veren dinamik-mekanik bir masaüstü cihazıdır. Sistem, tezgah üstü cihazlar için benzersiz olan -170 ° C ila 800 ° C sıcaklık aralığına sahiptir. Bu özelliklere dayanarak, hem polimerler gibi düşük sıcaklık aralığındaki malzemeler hem de çelikler, seramikler veya camlar gibi oldukça sert malzemeler 800°C sıcaklığa kadar karakterize edilebilir.
Ölçüm Sonuçları
Şekil 1, ev pencerelerinde kullanılan geleneksel düz cam (mavi eğri) üzerindeki DMA ölçümünü 100°C ila 800°C arasındaki saf erimiş silika (kırmızı eğri) ile karşılaştırmaktadır. Ölçüm, 20 mm serbest bükme uzunluğu ve 1 Hz frekans ile 3 noktalı bükmede gerçekleştirilmiştir. Kübik numuneler 1 mm kalınlığa ve 10 mm genişliğe sahip olup numunelerin dış konturu düzleştirilmiştir.
Hem erimiş silika cam hem de saf silikat cam, 100°C'de 70 GPa'nın hemen altında bir Elastikiyet ve Elastikiyet ModülüKauçuk esnekliği veya entropi esnekliği, herhangi bir kauçuk veya elastomer sistemin dışarıdan uygulanan bir deformasyon veya gerilmeye karşı direncini tanımlar. depolama modülüne, E', sahiptir. Depolama modülü, E', malzemenin elastik özelliklerini; basit bir ifadeyle sertliğini tanımlar.
Artan sıcaklıkla birlikte, erimiş silika camın depolama modülü hafifçe azalır ve 500°C'ye kadar yaklaşık 60 GPa değerini alır. 566°C'de (ekstrapole edilmiş başlangıç), tan δ'da önemli bir artışla birlikte Elastikiyet ve Elastikiyet ModülüKauçuk esnekliği veya entropi esnekliği, herhangi bir kauçuk veya elastomer sistemin dışarıdan uygulanan bir deformasyon veya gerilmeye karşı direncini tanımlar. depolama modülünde, E', güçlü bir düşüş meydana gelir. Tan δ, bir malzemenin sönümleme özelliklerini veya enerji dağılımını temsil eder.
Bu, amorf katılar için camsı geçiş (Tg) özelliğidir. Tg'nin altındaki sıcaklıklarda malzemeler çoğunlukla katı ve muhtemelen kırılgandır. Cam geçişinde, yapılandırılmamış atomların kinetik enerjisi, ara bağların üstesinden gelmek için yeterince yüksek hale gelir. Bu noktada cam daha yumuşak ve şekillendirilebilir hale gelir. Bu nedenle, camın numune tutucusunda erimesini önlemek için bu noktaya ulaşıldığında ölçüme devam edilmez.
Buna karşılık, şekil 1'de gösterildiği gibi saf silikat cam, katılar için oldukça atipik bir davranış sergiler. Gözlemlenen sıcaklık aralığında malzemede yumuşama meydana gelmez. Bunun yerine, depolama modülü, E', artan sıcaklıkla birlikte hafifçe artar. Babcock ve diğerleri [3] farklı bağ kuvvetleri ve yoğunluklara sahip iki atomik kısa menzilli düzen yapısının bir arada var olduğunu varsaymaktadır. Artan sıcaklıkla birlikte, daha yüksek atomik bağ kuvvetlerine sahip yapı giderek daha fazla oluşur ve malzeme daha sert hale gelir.
Bu örnek, yüksek sıcaklık uygulamaları için saf silikat camın kullanımını göstermektedir. Saf silikat cam 600°C'nin üzerindeki sıcaklıklar için de kullanılabilirken, geleneksel erimiş silika cam artık yapısal kararlılığı garanti etmeyecektir. Ayrıca bu örnek, hem görsel hem de kimyasal olarak birbirine oldukça benzeyen malzemelerin ne kadar farklı davranışlar sergileyebileceğini ve dinamik-mekanik analizin bunun araştırılmasına nasıl yardımcı olabileceğini göstermektedir.
Özet
Dinamik-mekanik analiz tipik olarak amorf ve yarı-kristal polimerlerin camsı geçişini belirlemek için kullanılan bir yöntemdir. DMA 303 Eplexor®, malzemelerin 800°C'ye kadar analiz edilmesine olanak tanır - bu, tezgah üstü cihazlar arasında rakipsiz bir sıcaklık aralığıdır. Bu da metaller, seramikler veya camlar gibi medium- yüksek sıcaklık aralığında kullanılan malzemelerin bile karakterize edilmesine ve uygulamaları için değerlendirilmesine olanak tanır.