مقدمه:
 

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران هاي ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف
 

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.

تعاريف ديگر :
 

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار
 

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا است. ضريب انبساط حالت شيشه اي معمولا نزديک به ضريب انبساط جامد کريستالي است. اگر از سرعت هاي سرد کردن پايين تر استفاده شود، ميزان آسايش ساختار افزايش مي يابد. ومايع فوق سرد شده در دماي پايين تر تشکيل مي شود. و شيشه ي حاصله ممکن است دانسيته ي بالاتري بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 ديده مي شود)
فيزيک شيشه جنبه ي تردي آن را مورد بررسي قرار مي دهد. در واقع اين ويژگي يک ويژگي مايعات شيشه ساز در بالاي دماي Tgاست واندزه اي از استعکام پيوندهاي بين اتمي است. در ادامه ما درمورد شيشه ي نامحلول در آب يا بطري هاي شيشه اي آب صحبت مي کنيم. البته چيزي که آگاهي کمتري از آن است اين است که ما مي توانيم آب را با سريع سرد کردن در اتاق مايع به حالت شيشه اي در آوريم. ماده ي حاصله يک شيشه ترد است اما اين مسئله فهميده شده است که بيشتر آب موجود در جهان به همين شکل وجود دارد.
تاريخچه
شيشه ماده اي است که پيوندي عميق با تاريخچه ي انسان دارد. يکي از شواهد اين مسئله استفاده از ابسيديان (obsidian) يک شيشه ي طبيعي توسط بشر است. هيچ کس نمي داند که اولين جسم شيشه اي در چه زماني ساخته شده است. قديمي ترين يافته ها به 7000 سال پيش از ميلاد برمي گردد. (البته ممکن است يافته هايي پيش از اين تاريخ نيز وجود داشته باشد). درکاوش هاي باستان شناسي در بين النهرين روش هاي توليد شيشه کشف شده است . اين کارها 4500 سال پيش از ميلاد مسيح بوده است ومربوط به روش هاي توليد وسايل شيشه اي بوده است نه لعاب هاي مورد استفاده در وسايل سفالي. استفاده از شيشه در لعاب کاري سفال حتي به دوران هاي پيشين مي رسد.

تقريبا در 3000 سال پيش از ميلاد مسيح شيشه گران مصري شروع به توليد جواهر آلات شيشه اي و ظروف شيشه اي کوچک کردند. شيشه هم به عنوان يک جسم دکوري وهم به عنوان يک وسيله ي مورد استفاده در زندگي روزمره به شمار مي آمد. قطعاتي از جواهر آلات شيشه اي در کاوش هاي اطراف کوه هاي مصر پيدا شده است. مثالي از اين جواهرآلات شيشه ي فيزوزه اي آبي است که در شکل 2 ديده مي شود. تقر يبا 1500 سال پيش از ميلاد مسيح شيشه گران مصري ( در دوره ي touthmosis سوم ) روشي براي توليد قطعات تو خالي قابل استفاده، توسعه دادند. يک مثال قابل توجه از اين نوع ساختار يک شيشه ي توخالي است که شبيه به سرماهي است (شکل 3) اين ظرف بين سال هاي 1352 و 1336 قبل از ميلاد ساخته شده است واين نظريه وجود دارد که براي نگه داري روغن خوش بو استفاده مي شده است.

الگوي موجي اين ظرف بسيار خاص است. در واقع اين ظرف بوسيله ي کشيده شدن يک جسم تيز به شيشه ي خميري شده توليد شده است.
نويسنده ي روميPliny Fhe Elder (23-79 ميلادي) اختراع شيشه را به صورت زير توصيف مي کند:
روزي يک کشتي که متعلق به چند تاجر نيتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنوني توقف مي کند. هنگام پخت غذا به دليل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتي از کلوخ هاي نيترومي که در کشتي وجود داشته است. استفاده مي کنند تا بتوانند ديگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه هاي ساحلي واکنش داده و تشکيل شيشه ي مذاب مي دهد. اين اولين منشع پديد آمدن شيشه است.
نيتروم (Nitrum) يک نوع سديم کربنات (Soda) طبيعي است .اين ماده يکي از اجزاي مهم در شيشه هاي قديمي و مدرن است. خاکستر گياهان نيز يک منبع فقير از سديم براي شيشه گران فراهم مي کند. گياهان علف شوره (Saltwort) و رازيانه ي آبي (glass wort) از جمله گياهاني هستند که براي مهيا شدن سديم از آنها استفاده مي شده است.
يکي از معمولي ترين روش ها براي شکل دهي شيشه روش دمش هوا است. اگر چه اين تکنيک بيش از دوهزار سال پيش توسعه يافت، لوله هاي توليدي به روش دمش در طي زمان تغييري نکرده است. توسعه ي عمده که دراين زمينه انجام شده است، روش دمش اتوماتيک است که براي توليد شيشه هاي بطري و حباب هاي لامپ استفاده مي شود. دراين روش به قطعه اي شيشه در داخل قالب هوا دميده مي شود. و بدين شکل شيشه به شکل قالب در مي آيد. مهمترين مرحله ي رشد در تاريخ شيشه سازي مخصوصا درطي قرن بيستم مربوط به توسعه هاي اتفاق افتاده در زمينه ي تکنولوژي هاي توليد مي باشد. اين توسعه ها منجر به کاهش هزينه ي توليد محصولات شيشه اي مي شود.
منبع انگليسي مقاله : Ceramic Materials/by: C.Barry Carter.M.Grant Norton
ادامه دارد...