ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ДВУЩЕЛОЧНЫХ СТЁКОЛ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИЩЕЛОЧНОГО ЭФФЕКТА

Полищелочной эффект

 

А.И.БОЛУТЕНКО

 

E-mail: bolutenko@mail.ru                 Физика стекла               Главная

 

 

АННОТАЦИЯ

 

     Приведены взгляды на структуру двущелочных стёкол, вытекающие из факта полищелочного эффекта. Показано, что представления о структуре двущелочных стёкол неоднозначны и противоречивы. Отсутствие теории полищелочного эффекта не даёт возможности объективно судить о структуре полищелочных стёкол.

 

 

     Значительное изменение проводимости полищелочных стёкол дало повод предполагать об отличии их структуры от однощелочных. Различные структурные изменения стёкол легли в основу объяснения повышения электросопротивления при введении второго щелочного окисла в ряде гипотез полищелочного эффекта. Одновременное исследование наряду с электрическими других свойств полищелочных стёкол позволило сделать предположения об их строении. В работе [30] указывается на невозможность построения гипотезы полищелочного эффекта без учёта реальных структурных отличий однощелочных и двущелочных стёкол.

     Исходя из полищелочного эффекта в боратных стёклах, их структура предполагалась состоящей из ассоциированных полярных группировок, дифференцированных по типу катионов [19]. Близкий ход электропроводности однощелочных и двущелочных боратных стёкол свидетельствует о сохранении в двущелочных стёклах структуры однощелочных, представленной группировками однородных составных частей. Это приводит к неоднородному строению стекла по составу [20].Факт совпадения экспериментального значения электропроводности двущелочных стёкол с расчётными по принципу суперпозиции свидетельствует, что стёкла построены из однородных полярных структурных узлов, дифференцированных по типу катиона [23].

     По работе [18] структура двущелочных стёкол микронеоднородна и состоит из полярных и неполярных областей, причём наиболее вероятна единая полярная составляющая, включающая ионы обоих типов. Сложные двущелочные боросиликатные стёкла состоят из ионогенных полярных структурных единиц, включающих щёлочи, и неполярных структурных единиц стеклообразователя [24]. Ассоциированные полярные структурные группировки с различными щелочными ионами в стекле представляют преимущественно непрерывную структуру – тяжи [13]. При низком содержании щёлочей в стекле происходит диспергирование тяжей и блокирование полярных структурных группировок неполярными группами стеклообразователя, что приводит к снижению проводимости.

     Исследование диэлектрических потерь двущелочных силикатных стёкол показало [15], что в малощелочных стёклах отсутствуют замкнутые полярные микрогруппировки и распределение щелочных катионов в них более равномерное. В работе [22] указывается на статистический характер дифференцирования полярных структурных узлов, т.е. наряду с дифференцированными полярными группировками в некоторой мере образуются смешанные группировки. Структура двущелочных силикатных стёкол микронеоднородна [30], но, в отличие от взглядов работы [22], области, содержащие различные катионы, являются не побочным явлением, а преобладающей чертой строения. Структуру этих стёкол нельзя свести к простой суперпозиции структур двух стёкол.

     Данные по кинетике выщелачивания ионов находятся в явном противоречии с представлениями о дифференциации ассоциированных полярных группировок в стекле по типу катиона [31]. Наличие одного максимума на температурных кривых диэлектрических потерь двущелочных стёкол свидетельствует, что щелочные ионы разных размеров входят в состав одной фазы, образуя смешанные группировки [7]. В работе [26] на основании представлений о причинах полищелочного эффекта при определённых соотношениях щелочных окислов предполагается о наличии кристаллов в структуре стекла.

     Увеличение электросопротивления двущелочных стёкол ряд авторов рассматривает как результат их уплотнения. Структура двущелочных стёкол энергетически более благоприятна при наличии ионов различного размера [37], упаковка структурной сетки при этом становится более компактной [27].

     Полищелочной эффект в стёклах тесно связан со строением стекла, два различных щелочных иона размещаются в непосредственной близости друг от друга, взаимодействуя с одними и теми же вершинами тетраэдра, при этом получается более компактное заполнение пространства [14]. Увеличение плотности упаковки в двущелочных стёклах происходит благодаря набору катионов разного размера [28]. В работе [3] причиной уплотнения структуры в литиево-цезиевых силикатных стёклах считается сильное поляризующее действие ионов лития на структурные элементы стекла.

     Повышения плотности упаковки в структуре двущелочных стёкол по данным работ [9, 21, 23] не существует, что подтверждено расчётами объёмных атомных концентраций [11].

     На попарное расположение различных щелочных окислов в стекле впервые указывалось в [14]. В дальнейшем такой взгляд на элементы структуры двущелочных стёкол нашёл поддержку других авторов. Попарное расположение немостиковых ионов кислорода в сложных кремнекислородных анионах приводит к попарному расположению щелочных катионов. В двущелочных стёклах попарно могут располагаться как щелочные ионы одного типа, так и разных типов [25], но преимущественно образуются смешанные пары, состоящие из двух разных ионов [6]. Предположение о присутствии в двущелочных стёклах катионов в виде спаренного иона высказывается в работах [33, 36]. Данные по электропроводности двущелочных стёкол свидетельствуют, что щелочные ионы в них располагаются в непосредственной близости друг от друга [10, 11].

     Строение двущелочных стёкол определяется щелочными катионами, которые соответственно своему ионному радиусу находятся в малых или больших промежутках структуры стеклообразователя [32]. В работе [8] полагают, что строение двущелочных силикатных расплавов при постоянном содержании кремнезёма определяется тем катионом, радиус которого больше.

     При наличии в составе борного стекла количества щелочных окислов, вызывающих полищелочной эффект, значительная часть атомов бора переходит в тетраэдрическую координацию, и возникают более крупные ячейки структуры [12]. На различную координацию кислородных ионов вокруг щелочных ионов разного размера указывается в работе [17]. Это приводит к уменьшению полостей и повышению плотности стекла. Замена окиси натрия на окись калия в силикатном стекле ведёт к координационным преобразованиям катионов и появлению новых структурных элементов [4]. Наличие большого количества структурных элементов делает структуру более неупорядоченной, стёкла при этом становятся однородными.

     Частичная замена одного щелочного иона другим во время охлаждения расплавов силикатных, боросиликатных и боратных стёкол приводит к выделению метастабильной фазы [34]. В работе [29], исходя из характера инфракрасных спектров отражения силикатных стёкол, установлено, что в однощелочных стёклах степень полимеризации кремнекислородных тетраэдров невысока. Введение второй щёлочи приводит к перестройке атомных группировок, структура приобретает более высокую степень полимеризации тетраэдров. Представления о разделении структуры стёкол при изменении соотношения щелочных окислов на области, обогащённые щелочами, и области, обогащённые кремнезёмом, не дают объяснения изменения электросопротивления [1], по-видимому, происходят более тонкие структурные изменения в областях, ответственных за проводимость.

     Исследование температурно-частотных зависимостей диэлектрических потерь малощелочных стёкол показало, что в стёклах отсутствуют замкнутые микрогруппировки, при совместном присутствии щелочные катионы распределены более однородно, чем в однощелочных стёклах [16]. Введение в стекло небольшого количества второго щелочного окисла ведёт к значительному изменению структуры и свойств стёкол за счёт перераспределения связи кремний – кислород в кремнекислородных тетраэдрах щелочными катионами. В работе [35] предполагается, что в стёклах при замене одного щелочного иона другим происходит структурная перестройка ближнего порядка, выражающаяся в изменении силы и длины связи. Изменение соотношения щелочных окислов в стёклах практически не сказывается на размере микронеоднородностей [2], что подтверждает более тонкую структурную перестройку.

     Работ, в которых высказываются предположения о структуре полищелочных стёкол в связи с феноменальным снижением их проводимости не так много. Предположения о строении полищелочных стёкол касаются различных аспектов их структуры: принадлежности щелочных ионов структурным группам и вида этих групп, распределения щелочных ионов и их расположения относительно друг друга, влияния щелочных ионов на координацию стеклообразователя и строение каркаса стекла, влияния на перераспределение связей кремнекислородного скелета и перестройку ближнего порядка. Эти умозрительные представления о некоторых элементах структуры полищелочных стёкол противоречат друг другу и не вносят вклад в общую картину их строения.

     Попытка построить модель строения полищелочных стёкол, исходя из факта значительного изменения их электрического сопротивления при частичной замене одного щелочного окисла другим, привела к исключающим друг друга представлениям об их структуре. Это является отражением различных взглядов авторов на природу полищелочного эффекта [5]. Выводы о структуре стекла из исследования свойств различных двущелочных стёкол также неоднозначны и противоречивы, как и сами гипотезы полищелочного эффекта.

     В настоящее время отсутствует приемлемое объяснение причины полищелочного эффекта, и нет общей теории стеклообразного состояния, т.е. неизвестна структура стекла. Поэтому выводы о структуре стекла на основе полищелочного эффекта, равно, как и на основе микроструктуры о причинах полищелочного эффекта, являются преждевременными и неубедительными.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Алейников Ф.К., Вайткус Ю.П., Житкявичюте И.И. Тр. АН ЛитСР, 1967, Б, № 2 (49)

2. Алейников Ф.К. В кн.: Стеклообразное состояние. Ереван, изд. АН АрмСР, 1970.

3. Алексеева З.Д., Полозок Н.В. Неорг. материалы, 1972, т.8, № 1.

4. Баринов Ю.Д., Еськов А.С., Смакота Н.Ф. В кн.: Стеклообразное состояние. Л., Наука, 1971.

5. Болутенко А.И. Научные гипотезы. Физика стекла, 1975, ст. 1.

6. Бреховских С.М., Сидоров Т.А., Гречишкин В.С., Златогорский Л.М. Неорг материалы, 1971, т.7, № 9.

7. Дгебуадзе Т.П., Мазурин О.В. Неорг. материалы, 1968, т.4, № 9.

8. Дертев Н.К., Головин Е.П., Ахлестин Е.С. В кн.: Стеклообразное состояние. Л., Наука, 1971.

9. Евстропьев К.К. Диффузионные процессы в стекле. Л. Стройиздат, 1970.

10. Иванов А.О. Физ. тв. тела, 1963, т.5, № 9.

11. Иванов А.О. В кн.: Стеклообразное состояние. М.-Л., Наука, 1965.

12. Иоффе В.А. Ж. техн. физики, 1956, т. 26, № 3.

13. Ипатьева В.В., Молчанов В.С., Борисова З.У. Ж. прикл. химии, 1968, т. 41, № 10.

14. Кобеко П.П. Аморфные вещества. М., изд. АН СССР, 1952.

15. Леко В.К. В кн.: Стеклообразное состояние. М.-Л., Наука, 1965.

16. Леко В.К. Неорг. материалы, 1967, т. 3, № 10.

17. Мазурин О.В., Борисовский Е.С. Ж. техн. физики, 1957, т. 27, № 2.

18. Мазурин О.В. Электрические свойства стекла. Л.,Ленгосхимиздат, 1962.

19. Мюллер Р.Л. Бюлл. ВХО им. Д.И.Менделеева, 1939, № 6.

20. Мюллер Р.Л. Изв. АН СССР, сер. физич., 1940, т. 4, № 4.

21. Мюллер Р.Л. В кн.: Стеклообразное состояние. М.-Л., изд. АН СССР, 1960.

22. Мюллер Р.Л. В кн.: Физика диэлектриков. М., изд. АН СССР, 1960.

23. Мюллер Р.Л. Физ. тв. тела, 1960, т, 2, № 6.

24. Мюллер Р.Л., Пронкин А.А. В кн.: Химия твёрдого тела. Л., изд. Ленингр. ун-та, 1965.

25. Сидоров Т.А. Неорг. материалы, 1968, т. 4, № 6.

26. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. М.-Л., ГИТТЛ, 1949.

27. Стевелс Д. Электрические свойства стекла. М., изд. иностр. лит., 1961.

28. Третьякова Н.И., Мазурин О.В. Неорг. материалы, 1969, т. 5, № 10.

29. Чеботарёва Т.Е. В кн.: Стеклообразное состояние. М.-Л., Наука, 1965.

30. Чеботарёва Т.Е., Пронкин А.А., Молчанов В.С. Ж. прикл. спектроскопии, 1966, т. 5, № 2.

31. Ястребова Л.С., Антонова Н.И. Неорг. материалы, 1967, т. 3, № 2.

32. Ainsworth L. J. Soc. Glass Technol., 1954, v.38, № 185.

33. van Ass H.M.J.M., Stevels J.M. J. Non-Cryst. Sol., 1974, v, 16, № 1.

34. Charles R.J. J. Amer. Ceram. Soc., 1965, v. 48, № 8.

35.  Doremus R. H. J. Amer. Ceram. Soc., 1974, v. 57, № 11.

36. Дзюндзи С., Кадзуо О. Toshiba Rev., 1968, v.23, № 7.

37. Stevels J.M. Varres et Refr., 1951, v. 5, № 1.

 

10.10. 1975

 

Публикация 9.11.2011

 

 

 

Hosted by uCoz