Szkła specjalne Wykład 6 Termiczne właściwości szkieł Część 1 - Wstęp i rozszerzalność termiczna

Transkrypt

1 Szkła specjalne Wykład 6 Termiczne właściwości szkieł Część 1 - Wstęp i rozszerzalność termiczna Ryszard J. Barczyński, 2018 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

2 Analiza termiczna Analiza termiczna to badania mające na celu określanie temperatury (lub zakresu temperatur) w których w ogrzewanych lub ochładzanych materiałach zachodzą przemiany chemiczne lub fizyczne. Mogą to być na przykład przemiany fazowe w rozmaitych materiałach lub zmiany stopnia usieciowania polimerów. Obserwowane są zmiany właściwości fizycznych materiału, ogrzewanego lub studzonego w zadany sposób, w kontrolowanym tempie.

3 Analiza termiczna Główne warianty metod analizy termicznej to Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) pomiar różnicy przepływu ciepła między próbką badaną i referencyjną. Analiza termograwimetryczna (TGA) - rejestracja zmian masy próbki materiału. Termiczna analiza różnicowa (DTA) pomiar różnicy temperatur. Dylatometryczna (termodylatometria, TD) pomiar zmian rozmiarów próbki ze zmianą temperatury. Stosuje się często techniki łączone, na przykład DSC TG MS.

4 Różnicowa kalorymetria skaningowa

5 Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)

6 Termiczna analiza różnicowa

7 Termiczna analiza różnicowa (DTA)

8 Termiczna analiza różnicowa (DTA) Representative differential thermal analysis (DTA) curves for common clay minerals and gibbsite (after Cook 1986).

9 Analiza termiczna

10 Dylatometria

11 Rozszerzalność termiczna szkieł

12 Rozszerzalność termiczna

13 Rozszerzalność termiczna

14 Rozszerzalność termiczna Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej: αt = 1 dl l dt 1 K 1 vol 1 1 V αt = αt = ( ) 3 3 V T p Przy małej zmianie temperatury, wartość średnia: 1 Δ l 1 Δ l 1 l l 0 αt = = lav Δ T l 0 Δ T l0 Δ T

15 Rozszerzalność termiczna w rejonie przejścia szklistego Wykres przedstawia typową krzywą rozszerzalności termicznej szkła. Współczynnik rozszerzalności termicznej jest nachyleniem krzywej. Zmienia się on znacząco w okolicy temperatury przejścia szklistego Tg, można go zatem używać do oceny tej temperatury Td to dylatometryczna temperatura mięknięcia.

16 Rozszerzalność termiczna w rejonie przejścia szklistego Szkło powstałe w wyniku szubkiego chłodzenia ma mniejszą gęstość niż powstałe przy wolnym chłodzeniu. Przy powolnym ogrzewaniu w pewnej temperaturze zajdzie jego kurczenie się jako rezultat relaksacji strukturalnych.

17 Rozszerzalność termiczna szkieł

18 Rozszerzalność termiczna szkieł

19 Rozszerzalność termiczna szkieł

20 Rozszerzalność termiczna szkieł

21 Szkła specjalne o małej rozszerzalności termicznej Duże znaczenie praktyczne mają szkła specjalne o małej rozszerzalności termicznej. Najczęściej stosuje się materiały należące do jednej z trzech grup: Szkło krzemionkowe SiO2, modyfikowane Szkło krzemionkowo tytanianowe Dewitryfikaty

22 Szkła specjalne o małej rozszerzalności termicznej

23 Szkła specjalne o małej rozszerzalności termicznej

24 Szkła specjalne o małej rozszerzalności termicznej

25 Dewitryfikaty Szkła krystalizowane β-spodumenit (Li2O-Al2O3-4SiO2) β-eukryptyt (Li-Al-SiO4) kordieryt (2MgO.2Al2O3.5SiO2)

26 Dewitryfikaty Szkło ceramika Zerodur 57.2% SiO2, 25.3% Al2O3, 6.5% P2O5, 3.4% Li2O, 1.0% MgO, 1.4% ZnO, 0.2% Na2O, 0.4% K2O, 0.5% As2O3, 2.3 TiO2, 1.8% ZrO2

27 Dewitryfikaty Szkło ceramika Zerodur Średnia współczynnika rozszerzalności termicznej w przedziale 0-50 st.c o dwa rzędy wielkości mniej niż szkle kwarcowym. Jednorodność Twardość pozwalająca na łatwe szlifowanie Łatwy w nanoszeniu pokryć z aluminium Stabilność chemiczna jak w szkle kwarcowym

28 Dewitryfikaty Szkło-ceramika niskiej rozszerzalności termicznej musi zawierać bardzo dużo, bardzo małych krystalitów. Wynika z tego, że w czasie ceramizacji szkła wymagana jest duża gęstość nukleacji oraz homogeniczna krystalizacja Jednakże amorficzna osnowa musi być odporna na dewitryfikację. Dlatego szkła takie zawierają dużą liczbę różnych tlenków SiO2.BPO4 glass crystallization by rearranging of the parent amorphous structure components and BPO4 crystals formation, HREM image

29 Dewitryfikaty

30 Dewitryfikaty

31 Dewitryfikaty