А.И.БОЛУТЕНКО
E-mail: bolutenko@mail.ru Физика стекла Главная
АННОТАЦИЯ
В настоящее время стёкла считаются и
жидкостями, и твёрдыми телами. Представление о переохлаждении как основном
способе получения стёкол широко распространено. Однако, в ряде работ показано,
что стёкла обладают признаками твёрдого тела.
Основным критерием для определения
агрегатного состояния тела может быть механизм разрыва химических связей под
нагрузкой. В упругом твёрдом теле не должно быть необратимого переключения
химических связей до момента разрушения. Если стекло обладает свойствами
твёрдого тела, то оно – не переохлажденная жидкость, а упругое твёрдое тело,
так как свойства тел являются отражением их структуры.
Если переход из одного агрегатного
состояния в другое для кристаллических веществ определяется характеристическими
значениями температуры и давления, то для стеклообразных веществ определение
агрегатного состояния представляет трудности. Стёкла в настоящее время
считаются и жидкостями, и твёрдыми телами.
Представление о переохлаждении как
основном способе получения стёкол широко распространено. Структура стекла при
этом отождествляется со структурой переохлаждённой жидкости, которая имеет
высокую вязкость [1-4]. В работе [5] проводится аналогия стекловидного
состояния с жидким состоянием и указывается, что при кристаллизации стёкол
происходит переход жидкой фазы в твёрдую. Хотя по общепринятым представлениям
из теоретических соображений стекло представляет собой жидкость, однако,
несоответствие этих представлений практике очевидно. Поэтому делаются различные
попытки примирить теоретические представления и факты.
Чтобы показать, что стекло – твёрдое тело,
а не переохлаждённая жидкость, специально ставились работы. Основываясь на том,
что время изменения решётки под действием внешних сил у жидкостей мало, а у
стёкол велико, в работе [6] поведение стекла по отношению к приложенным
нагрузкам отождествляется с твёрдым телом. В работе [7] указывается, что при
комнатной температуре стекло по многим свойствам близко к твёрдому
кристаллическому телу. Факт придания стеклу как переохлаждённой жидкости
механических свойств твёрдого кристаллического тела отражён в определении
стеклообразного состояния, которое доложила терминологическая комиссия на V Всесоюзном совещании по стеклообразному состоянию
[8].
На ошибочность представлений о стекле как
о жидкости указано в работе [9]. В ней агрегатное состояние стекла определяется
в зависимости от температуры. Показано, что ниже температуры трансформации
стёкла не имеют пластических деформаций. При комнатной температуре стекло
является твёрдым телом, повышение температуры приводит к проявлению
закономерностей жидкого состояния. При механических испытаниях стекло ведёт
себя как абсолютно упругое тело и гораздо ближе подходит к твёрдому телу, чем
металлы.
Дифференцированный подход к определению
агрегатного состояния стекла в зависимости от температуры является
промежуточным между представлениями о стекле как о жидкости и другим крайнем
случаем – представлениями о стекле как о твёрдом теле. Ещё Тамман указывал, что
в стеклообразном состоянии находятся твёрдые некристаллизующиеся вещества [1].
В работе [10] также показана некорректность отождествления аморфизации
кристаллического тела с жидким состоянием, получающееся аморфное тело может
быть твёрдым. Так как стеклообразное состояние вещества приравнивается к
аморфной форме, которая представляет твёрдые тела, то стекло относится к
твёрдым телам.
Твёрдость стеклообразного состояния
обусловливается, в первую очередь, наличием консервативных короткодействующих
сил связи [11]. В работе [12] стекло также считается твёрдым телом, атомная
структура которого зависит не только от химического состава, но и от
термической обработки. В твёрдом состоянии стекло обладает компактной
неупорядоченной структурой [13]. Стеклообразное состояние является одной из
форм твёрдого состояния вещества – некристаллическим твёрдым телом [4, 14].
Таким образом, одновременно сосуществуют
несколько представлений об агрегатном состоянии стекла. Стёкла считается
жидкостями с чрезмерно высокой вязкостью, жидкостями, обладающими свойствами
твёрдого тела и твёрдыми телами. То есть стеклу приписывается как жидкое
состояние, так и твёрдое.
Рассмотрим характерные признаки твёрдого
тела. Под твёрдыми телами понимаются вещества, которые обладают некоторой
жёсткостью по отношению к сдвигу [15]. Обычно твёрдые вещества имеют
кристаллическую структуру. Твёрдые тела в отличие от жидкостей имеют высокую
прочность химических связей. Это приводит к тому, что все атомы твёрдого тела
постоянно совершают тепловые колебания возле некоторых центров равновесия.
Только незначительная часть атомов может совершать переходы в иные положения равновесия в
результате тепловых флуктуаций. Жёсткостью химических связей обусловливается
сопротивление твёрдого тела внешним нагрузкам и обеспечивается его твёрдость.
В жидкостях благодаря малой прочности
химических связей в результате тепловых флуктуаций возможна перегруппировка
большого количества молекул. Действие даже малых внешних сил на жидкость
приводит к лёгкому разрыву химических связей. Жидкость не может сопротивляться
большим сдвиговым нагрузкам.
Таким образом, сопротивление тела
сдвиговым нагрузкам зависит от силы химических связей, то есть определяется
химическим составом. В свою очередь, при заданном составе сила химических
связей в теле определяется внешними параметрами. Такими параметрами являются
температура и давление. В зависимости от природы атомов, составляющих тело,
сопротивление сдвиговым нагрузкам при некоторых фиксированных температуре и
давлении будет разным. Какая величина напряжений на сдвиг должна быть границей
между твёрдым телом и жидкостью?
Несомненно, температура и давление могут
приводить к изменению агрегатного состояния вещества, поэтому следует
рассматривать тела в нормальных условиях. Подразделение тел на твёрдые и жидкие
не может быть сделано корректно по величине сдвигающих напряжений. Основным
критерием для определения агрегатного состояния тела может быть механизм
разрыва или трансформации химических связей под нагрузкой. Следует
рассматривать не только твёрдые и жидкие тела, а все возможные промежуточные
состояния. Твёрдое тело может быть упругим, упруго-пластичным, пластичным.
Жидкость представляет собой вязкое тело, при этом она может быть упруго-вязкой.
Истинно упругим твёрдым телом следует называть
такое тело, которое при действии нагрузки имеет только упругие деформации, то
есть в нём отсутствует механизм необратимого переключения химических связей до
момента разрушения.
К какому же агрегатному состоянию
относится стекло? О величине вязкости, достигаемой при отвердевании твёрдого
тела, нет единого мнения [3]. В работе [16] отмечается, что даже классические
жидкости при температурах, близких к температурам кристаллизации, можно
рассматривать как твёрдые тела. Это возможно в связи с тем, что различия между
жидкостью и твёрдым телом не столь глубокие.
Противоположное мнение в работе [17],
считается, что стекло ближе стоит к понятию твёрдого тела, чем кристаллы. У
силикатного стекла при растяжении не обнаруживается даже признаков пластичности.
Такое поведение стёкол связано с невозможностью развития в них дефектов типа
дислокаций, которые приводят к деформированию и разрушению металлов [18].
Представления о стекле как о жидкости
недостаточно убедительны [19]. Утверждение, что стекло является переохлаждённой
жидкостью, справедливо в такой же мере, как кристаллы – охлаждённые жидкости.
Как можно сомневаться в том,
что стекло – твёрдое тело, если прочность стекла на сжатие велика и составляет
до 200 кг/мм2 [20].
Хотя ряд авторов утверждает, что стекло –
переохлаждённая жидкость, но такой взгляд на стекло не соответствует истине
[21]. Научные представления о стекле как о жидкости не имеют под собой реальных
оснований. Факты свидетельствуют, что стекло нельзя считать вязкой жидкостью.
Если стекло обладает свойствами твёрдого тела, то оно – не переохлаждённая
жидкость, а твёрдое тело, так как свойства тел являются отражением их
структуры. Основываясь на отсутствии пластических деформаций при нормальных
условиях и высокой прочности на сжатие, стёкла следует считать упругими
твёрдыми телами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г.Тамман. Стеклообразное
состояние, 136. ОНТИ, Л.-М., 1935.
2. П.У.Макмиллан.
Стеклокерамика, 263. Мир, М., 1967.
3. А.А.Аппен. Химия стекла,
351. Химия, Л., 1970.
4. Г.М. Бартенев. Строение и
механические свойства неорганических стёкол, 7. Стройиздат, М., 1966.
5. А.Я.Кузнецов. ЖФХ, 1726,
33, № 8, 1959.
6. Ю.С.Балашов, В.Н.Макаров,
В.С.Постников. В кн.: Аналитические возможности метода внутреннего трения, 122.
Наука, 1973.
7. М.С.Гомельский. Тонкий
отжиг оптического стекла, 5. Машиностроение, Л., 1969.
8. Стеклообразное состояние,
392. Наука, Л., 1971.
9. П.П.Кобеко. Аморфные
вещества, 432. Изд. АН СССР, М., 1952.
10. Г.В.Куколев. Химия
кремния и физическая химия силикатов, 463. Высшая школа, М., 1966.
11. Р.Л.Мюллер. В кн.: Химия
твёрдого тела, 9. Изд. Ленингр. ун-та, Л., 1965.
12. Р.Чарльз. В кн.:
Современные материалы, 87. Мир, М., 1970.
13. А.Винтер. В сб.:
Стеклообразное состояние, 273. Наука, Л., 1971.
14. Г.М.Бартенев, Сверхпрочные
и высокопрочные неорганические стёкла, 37. Стройиздат, М., 1974.
15. Р.Пайерлс. Квантовая
теория твёрдых тел, 259. Изд. иностр лит., М., 1956.
16. Я.И.Френкель.
Кинетическая теория жидкостей, 423. Изд. АН СССР, М.-Л., 1945.
17. П.П.Кобеко. В кн.: Строение
стекла, 296. Изд. АН СССР, М.-Л., 1955.
18. В.П.Пух. Прочность и
разрушение стекла, 12. Наука, Л., 1973.
19. А.И.Болутенко. Научные гипотезы. Физика стекла, ст. 9, 1976.
20. Справочник по
производству стекла, т. I, 120. М.,
1963.
21. А.И.Болутенко. Научные гипотезы. Физика стекла, ст. 10, 1978.
24.12.1978
Публикация 16.12.2011