Стекло в России и в мире - glassfiles.ru. стекло архитектурное стекло автомобильное стекло производство стекла переработка стекла закаленное стекло прочность стекла качество стекла марки стекла книги по стеклу журнал по стеклу периодика по стеклу
Главная страница |  Контакты |  Дискуссионный клуб  
   
 Наши Glassfiles
Технологии
Рынки
Архитектурное стекло
Автомобильное стекло
Прочее стекло
Обеспечение качества
Проекты стандартов
Словарь терминов
Просто жизнь
 Конференции, выставки
Glass Processing Days
8-ая международная конференция GPD'03
История
Тематика, масштабы
Избранные доклады
Рассказы и репортажи
GlassTec
О выставке
Рассказы и репортажи
Другие события
Мировые
Российские
Календарь событий
 Новости
Новости компаний
Новости портала
 Базы данных
 Тематические издания
Российские
Периодика от "А" до "Я"
"Окна и Двери"
"Светопрозрачные конструкции"
Скло
Стекло и бизнес
Стекло мира
Книги, монографии
Зарубежные издания
Периодические издания
Книги
Избранные материалы
 Интерактивный раздел
Дискуссионный клуб
 Коллекция ссылок
Информационные ресурсы
Вся наша коллекция
  О портале
О проекте
Контакты
Редакционная политика
Чулан
  стекло архитектурное стекло автомобильное стекло производство стекла переработка стекла закаленное стекло многослойное моллированное гнутое стекло энергоэффективный стеклопакет низкоэмиссионное конференция по стеклу стекольная выставка прочность стекла качество стекла марки стекла флоат стекло с покрытием стекло для бытовой техники книги по стеклу журнал по стеклу периодика по стеклу ОАО "Институт стекла" (АО "ГИС")

Учет структурных особенностей в модели электропроводности и диффузии в стеклах

В.В. Самотейкин*, О.А. Гладушко**
* Московский вечерний металлургический институт
** ОАО "Институт Стекла"

Предлагается два подхода при учете влияния структуры щелочносиликатных стекол на их электрические свойства и коэффициент диффузии щелочного катиона: капельная модель описания неоднородной структуры щелочносиликатных стекол, способных к ликвации (в условиях отсутствия самой ликвации), и модель однородной структуры с равномерным распределением щелочных катионов.

В первом случае проводящая неоднородная среда представляется в виде однородной матрицы постоянного состава, в которой рассеяны сферические капли с другим содержанием щелочного оксида (рассеянная фаза). Все многообразие размеров этих капель и возможных расстояний между ними заменяется средним радиусом капли d и средним расстоянием между их центрами 2R. Тогда из центра каждой усредненной капли можно провести усредненную сферу радиуса R, поверхность которой будет удалена от центра ближайших капель на расстояние R. При этом очевидно. что электрические свойства среды зависят от электропроводности составляющих шар частей, и эффективная электропроводность шара будет совпадать с усредненной электропроводностью среды.

Задача об эффективном удельном сопротивлении неоднородного шара решена Д. Максвеллом [1, с.353], и это решение в терминах проводимости и в принятых нами обозначениях имеет вид:

(1)

уравнение (1)

где u = (d/R)3, p = s2/s1, а s, s1 и s2 - значения электропроводности: s - среды, s1 - внешней (d =< r =< R) и s2 - внутренней ( < d) частей шара. Таким образом, параметр u представляет собой объемную долю рассеянной фазы с электропроводностью s2.

Примем вслед за авторами [2, 3], что изменение валового (т.е., усредненного по объему) состава стекла сопровождается перераспределением долей объемов матрицы и рассеянной фазы без изменения состава самих фаз, т.е. величина u в определенном диапазоне составов может изменяться при неизменном значении параметра p. И таких участков для разных составов стекол одной и той же системы может быть несколько, в зависимости от количества фаз наиболее вероятного состава, которые реализуются в данной системе.

С достаточной точностью можно принять:

u = (c-c1)/(c2-c1),

где с и сi - весовые концентрации щелочного оксида: с - средняя по объему, с1 - в матрице, с2 - в рассеянной фазе. Поскольку принято результаты измерения электропроводности приводить в логарифмическом масштабе, то вместо (1) запишем:

(2)

lg s = lg s1  + lg f(u,p)

Случай р > 1 описывает систему с низкопроводящей матрицей и высокопроводящими включениями. Увеличение содержания щелочного оксида в стекле соответствует линейному росту u и более быстрому росту lg f(u).

В случае р < 1 повышенной проводимостью обладает матрица, и увеличение u сопровождается более или менее резким (в зависимости от значения параметра р) падением значения функции lg f(u). При этом рост u означает уменьшение с.

Поскольку связь между c и u в обоих случаях линейная, взаимное расположение высоко - и низкопроводящих фаз можно установить, анализируя сингулярные точки на кривой зависимости lg s от с. Если на ней обнаруживаются точки перелома, т.е. скачком меняется наклон кривой lg s(с), то их можно рассматривать как границы участков с разными значениями параметра р. А если на границе кроме того изменяется и знак кривизны (т.е. точка перелома является и точкой перегиба), то происходит смена взаимного расположения высоко - и низкопроводящей фаз.

Результаты применения этой модели к литиево - и натриевосиликатным стеклам приведены на рис. 1 и 2.

По характеру экспериментальной зависимости весь диапазон составов щелочносиликатных стекол можно разбить на три участка (на рисунках они разделены вертикальными штриховыми линиями). Вид зависимости lg s от концентрации Na2O позволяет предположить, что на первом участке для этого диапазона составов изолированной является низкопроводящая фаза. Для II и III участков низкопроводящая фаза образует матрицу, причем, для II участка эта фаза отвечает составу 20 мол.% щелочного оксида, а для III участка - дисиликату. В идеале при составах, отвечающих граничным значениям - 20 и 33.3 мол.%, структура стекла должна быть однородной.

рисунок 1

Рис. 1. Электропроводность и коэффициенты диффузии стекол Na2O-SiO2: lg s: 1 - t = 3000C; 2 - t = 1500C [4, c. 274]; lg d: 3 - t = 4150C; 2 - t = 3000C [5].

В таблице 1 представлены значения параметров, используемых при расчете электропроводности натриево- и литиевосиликатных стекол для рис. 1 и 2.

Из рисунков видно, что расчетные кривые удовлетворительно описывают экспериментальные закономерности, полученные даже разными авторами.

В работе [2] сравнивались электрические свойства литиевосиликатных стекол одних и тех же составов, но с разной термической предысторией: одни из них после варки быстро охлаждались (закалка), другие подвергались отжигу, причем практически все значения электропроводности отожженных образцов меньше чем у закаленных.

рисунок 2

Рис.2. Электропроводность стекол Li2O-SiO2 после разных режимов термообработки при t = 1500C [2]: 1 - закаленные; 2 - отожженные.

Данные этих измерений для составов, относящихся к III участку, допускают двойственную интерпретацию, что и отмечено на рисунке штриховой линией, а в таблице - цифрами в скобках.

Таблица 1

Na2O-SiO2 - О.А.Мазурин [4, с.274] Li2O-SiO2 - Леко [2]
границы
участков
мол. %
t, 0C lg s1, S/m р границы
участков
мол. %
t=1500C lg s1, S/m p
I 150 -4,45 10-4 I закал. -4,11 2,0 10-4
5 - 20 300 -2,36 10-3 8 - 20 отожж. -4,32 6,5 10-6
II 150 -4,45 24,5 II закал. -4.11 4,0
20 -33.3 300 -2,36 5,2 20 -33.3 отожж. -4,32 2,1
III 150 -3,06 13,2 III закал. -3,52 12,7
33,3-50 300 -1,34 8,7 33,3-50 отожж. -4,00
(-2,60)
26
(0,038)

Поскольку электропроводимость в щелочносиликатных стеклах определяется подвижностью щелочного катиона, а от последней зависит и диффузия соответствующего катиона, следует ожидать аналогичной зависимости коэффициента диффузии этого катиона от состава стекла. На рис.1 представлены зависимости lg d от состава при двух температурах [5], а в таблице 2 приведены значения параметров, используемых для расчетных кривых. Из рис. видно, что общий характер изменения lg d с составом стекла повторяет аналогичную. зависимость для lg s.

Таблица 2

границы участков t, 0C lg d1, м2/c p
I 300 -13,30 0,018
4 - 20 мол% 415 -12,23 0,030
II 300 -13,30 4,5
20 - 33,3 мол% 415 -12,23 4,0

Таким образом, результатом применения модели является вывод о том, что в рассмотренных стеклах состава меньше 20 мол.% щелочного оксида диспергированной является малощелочная фаза, а в стеклах с большим валовым содержанием щелочного оксида - высокощелочная.

Это не противоречит интерпретации [2, 3], т.к. речь идет об условиях, при которых ликвация в этих стеклах отсутствует.

Сравнивая значения электропроводности в стеклах, составы которых отвечают границам участков (см. таблицу 1), можно убедиться, что резкая зависимость электропроводности от состава остается и в однородных структурах и объясняется, по видимому, природой ближайшего окружения катиона в щелочносиликатных стеклах. Подтверждением тому служит зависимость электропроводности от состава у щелочносиликатных стекол, не склонных к ликвации и потому считающихся однородными: калиевых, рубидиевых и цезиевых.

Построив зависимость логарифма электропроводности этих стекол от среднего расстояния между катионами L (рис.3), мы видим, что она хорошо аппроксимируется выражением:

(3)

где sL и a не зависят от L, но изменяются с температурой.

Подобное выражение возникает в теории электронной проводимости в некристаллических веществах [6], когда проводимость связана с наличием примесных центров, расположенных в среднем на расстоянии L друг от друга. Поскольку проводимость в рассматриваемых стеклах чисто ионная, то экспоненциальный множитель в (3) можно, по видимому, рассматривать как показатель эффективности фононного взаимодействия центров, которые создают катионы щелочных оксидов. Результатом такого взаимодействия является активизация катиона для участия в процессах переноса - электропроводности или диффузии.

Рис. 3 Зависимость удельной электропроводности щелочно-силикатных стекол от среднего расстояния между катионами: Na2O - SiO2, 3000С: 1 - [7]; 2 - [4, с. 280]; К2O - SiO2, 1500С: 3 - [4, с. 330]; 4. - [4, с. 332]; 5. Rb2O - SiO2, 1000С, [4, с. 348]; 6. Cs2O - SiO2, 1000С, [4, с. 356]

Этой закономерности, по-видимому, подчиняются и стекла, способные к ликвации, если принимать во внимание только составы, в которых предполагается равномерное по объему распределение катионов. На рис. 3 для натриевосиликатных стекол она обозначена штриховой линией. Для малощелочных стекол (I участок на рис. 1) отклонение от линейной зависимости определяется преимущественным влиянием неоднородности структуры стекол этих составов, а для стекол средне - и высокощелочных роль неоднородности незначительна.

Поскольку электропроводность - активационный процесс, то температурную зависимость обычно представляют в виде:

,

где Е зависит от природы катиона и его концентрации в стекле, причем с учетом (3) зависимость от L должна быть линейной:

References:

  1.  Максвелл, Д. К.: Трактат об электричестве и магнетизме, т.1. М.: Наука, 1989, 416 с.
  2.  Леко, В.К.: Электрические свойства и структура литиевых, натриевых и калиевых силикатных стекол, Известия АН СССР, Неорг. материалы, 3 (1967) № 7 p. 1224-1229.
  3.  Charles, R. J.: Some structural and electrical properties of lithium silicate glasses, J. American ceramic Society, 46 (1963) № 5 p. 39-46.
  4.  Мазурин, О.А..; Стрельцина, М.В.; Швайко-Швайковская, Т.П :Свойства стекол и стеклообразующих расплавов: Справочник, т. 1, Л.: Наука, 1973, 444 с.
  5.  Евстропьев, К.К: Оптико-мех. пром. (1963) №5 38.
  6.  Мотт, Н.; Дэвис, Э.: Электронные процессы в некристаллических веществах, М.: Мир, 1982, в двух частях.
  7.  Мазурин О.А., Борисовский, Исследование нейтрализационного эффекта уменьшения электропроводности в натриево-силикатных стеклах, ЖТФ, 27 (1957), №2, 275 - 288.
 
ПОИСК: OK
[an error occurred while processing this directive]


Технологии | Рынки | Архитектурное стекло | Автомобильное стекло | Прочее стекло
Обеспечение качества | Проекты стандартов | Словарь терминов | Просто жизнь
Glass Processing Days | GlassTec
Новости компаний | События | Новости портала
Российские тематические издания | Зарубежные издания | Избранные материалы
Дискуссионный клуб | Оборудование | Резюме / вакансии | Доска объявлений
Контакты | Редакционная политика | Главная страница

© Создание BELTI , 2001

Поддержка ИТЕОН