در ادامه به بيان خواص شيشه ها مي پردازيم:

ويسکوزيته ( η )
 

ويسکوزيته يک ويژگي کليدي شيشه هاست.ما نياز داريم تا درمورد ويسکوزيته ي شيشه در دماهاي مختلف اطلاع داشته باشيم. و بتوانيم دماي مورد نياز برا ي شکل دهي وآنيلينگ آن را تشخيص دهيم. ويسکوزيته يک ويژگي مکانيکي است. فرمول ويسکوزيتد به صورت زير است:

دراين فرمول:
η : ويسکوزيته، F: نيروي مورد نياز براي کشيدن يکي از صفحات موازي که در ميان آنها مايع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ي صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ويسکوزيته در واقع پاسخ يک مايع دربرابر تنش برشي است. مايعات داراي ويسکوزيته اي هستند که با واحد سانتي پوآز (CP) اندازه گيري مي شود. واحد اندازه گيري ويسکوزيته ي گازها ميکروپوآز(mp) است.

جدول 1 ليستي از اعداد ويسکوزيته اي است که براي فرآيندهاي شيشه سازي مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نيز براي تعريف ويژگي هاي برجسته ي شيشه (با تأکيد بر روي فرآيند) آورده شده است. بسياري از اعداد آورده شده درجدول ويسکوزيته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 يک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگي شيشه بوسيله ي آن تعيين مي شود.
محاسبه ي نقطه ي نرم شدگي شيشه بوسيله ي اندازه گيري دمايي که در آن يک فيبر شيشه اي استوانه اي با قطر طول بوسيله ي وزن خودش تغيير طول مي دهد. نرخ تغيير طول يک ميلي متر بردقيقه است . در اين روش 100 ميلي متر از بخش بالايي فيبر بوسيله ي کوره ي خاصي با سرعت گرم شدن گرم مي شود.

ويسکوزيته ي برخي ازمايعات عمومي در جدول 2 آورده شده است. توجه کنيد که در دماي کارپذيري شيشه ويسکوزيته اي شبيه به عسل در دماي اتاق دارد. به طور نمونه براي يک شيشه ي سيليکاتي سودالايم اين ويسکوزيته در دماي بدست مي آيد. اين جدول همچنين نشان مي دهد که يک جامد داراي ويسکوزيته اي بيش از دسي پو آز است. ويسکوزيته ي به طور نمايي با تغيير دما ، تغيير مي کند ( همانگونه که در شکل 1 براي انواع شيشه ي سيليکاتي ديده مي شود.) دماي فيکتيو (fictive temperature) دمايي است که در آن ساختار مايع به حالت شيشه اي تبديل مي شود. اين دما بوسيله ي تقاطع منحني هاي برونيابي شده در حالت دما بالا و دما پايين در نمودار ويسکوزيته – دما بدست مي آيد. دماي فيکتيو (Tf) مانند Tg به تبديلات ساختاري شيشه بستگي دارد. البته Tg اندکي کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگي ويسکوزيته به دما را براي اکسيدهاي شيشه ساز نشان مي دهد. شما بايد توجه کنيد که بوسيله ي شيب اين خطوط مي توان انرژي اکتيواسيون جريان ويسکوز (EV) را بدست آوريم.

جدول 3 اعداد ويسکوزيته وسرعت هاي کريستاليزاسيون (v) برخي شيشه ها را نشان مي دهد. سرعت کريستاليزاسيون مربوط مي شود به سرعت تبادل مايع/جامد. V بسيار کم بيان کننده ي قابليت شيشه سازي استثنايي ماده است.البته کريستاليزاسيون مذاب جامد شده ي سيليس بسيار مشکل است.

روش هاي متعددي براي اندازه گيري ويسکوزيته وجود دارد. اين روش ها با توجه به ميزان ويسکوزيته انتخاب مي شود.

شماتيک دو روش اول اندازه گيري ويسکوزيته در شکل 3 نشان داده شده است:

شيشه ( خلاصه اي از خواص )
 

شيشه ماده اي خنثي است. اين مسئله به محيط بستگي دارد. اگر شيشه يک ماده ي سيليکاتي باشد، اين مسئله درست است . البته همه ي شيشه ها خنثي نيستند. مثلا بيوگلاس (bioglass)
شيشه يک ماده ي هموژن است. اين مسئله نيز به نحوه ي شکل دهي و ترکيب شيميايي شيشه بستگي دارد. ما مي توانيم با استفاده از فرآيندهاي خاص شيشه را به صورت غير هموژن در آوريم.
شيشه مي تواند تغيير شکل دهد. اين مسئله عموماً درست مي باشد و دليلي است براي قابليت بازيافت شيشه ها. برخي از شيشه ها به نحوه اي ساخته مي شوند که بوسيله ي نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغيير ماهيت مي دهد.
شيشه داراي ضريب انبساط کوچک است. البته همه ي شيشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهاي حرارتي مانند ظروف پيرکس نيستند.
شيشه ها شفاف اند (trans Parent) اين خاصيت براي الياف نوري ضروري است. البته ما مي توانيم با انجام عمليات هاي خاص شيشه به صورت اپک يا مات در آوريم.
بسياري از شيشه هاي اوليه شفافيت کامل نداشتند زيرا در ساختار آنها ناخالصي وحباب هوا وجود داشت.
شيشه ارزان است. البته اين مسئله براي شيشه هاي پنجره صحيح است. اما درمورد فيلم هاي نازک شيشه اي اين مسئله صحيح نمي باشد. برخي از شيشه هاي قرمز رنگ بوسيله ي دپينگ (doping) طلا در آنها توليد مي شود. که قيمت برخي از ظروف توليدي از آن به پيش از 50 دلار مي رسد.
شيشه يک ماده ي بالک است مگر در حالتي که آن را به صورت يک فيلم نازک ، يک فيلم انيتر گرانولار (IGF) يا يک سراميک کريستالي رشد دهيم.

برخي از خواص مکانيکي شيشه
 

استحکام تئوريک شيشه ي سيليکاتي درحدود 10GPa است. البته با حضور عيوب سطحي (ترک ها وجوانه ها ) اين استحکام کاهش مي يابد. شيشه ها موادي الاستيک هستند اما تحت کشش مي شکنند. مي توان استحکام اين مواد را بوسيله ي ايجاد لايه هاي سطحي فشرده و يا بوسيله ي از بين بردن ترک هاي سطحي (با اسيد شوئي يا پديد آوردن پوشش محافظ) افزايش داد. مثالي از اين روش ها پديد آوردن ترک هاي اضافي در ساختار قطعات شيشه اي تزئيني به منظور بهبود خواص مکانيکي آنهاست. در اين روش از سرد کردن شيشه ي مذاب در آب جهت ايجاد تنش هاي اضافه بهره برده مي شود . در اين حالت سطح قطعه ي شيشه اي مذاب زودتر از مرکز آن سرد مي شود و بنابراين تنش هاي اضافي پديد مي آيد. قطعات جامد شده به اين شيوه را مي توان با چکش و بدون اينکه بشکنند چکش کاري کرد.

برخي از ويژگي هاي الکتريکي شيشه
 

شيشه معمولا داراي مقاومت الکتريکي بالايي است. که علت آن تفاوت زياد ميان باندهاي انرژي (گپ بزرگ) در اين ماده است. در مواردي که شيشه رساناست . بار بوسيله ي يون ها منتقل مي شود.(در اين مورد يون هاي قليايي مانند داراي سرعت انتقال بار بالايي هستند). در واقع به همين دليل است که با افزايش دما رسانايي به شدت افزايش مي يابد. رسانايي درشيشه هاي مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ي اين شيشه هاست. در شيشه هايي که داراي بيش از يک يون قليايي هستند. پديده ي جالبي رخ مي دهد. رسانايي توليدي در اين نوع شيشه ها به طور مشخصي از شيشه هاي داراي يک يون کمتر است. اين نوع شيشه ها در کاربردهاي مختلف مانند لامپ هاي با توان بالا استفاده مي شوند. ثابت دي الکتريک شيشه واقعاً بالاست اما نه به حدي که بتوان از آن در کاربردهاي حافظه اي پيشرفته مانند حافظه ي با دستيابي ديناميک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفيت الکتريکي يک ماده ميزان بار ذخيره شده در داخل ماده است. اين خاصيت به ضخامت دي الکتريک بستگي دارد. همانطور که ضخامت دي الکتريک کمتر مي شود، ظرفيت الکتريکي افزايش مي يابد. اما کم کردن ضخامت نيز مشکلاتي به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دي الکتريک بيشتر مي شود. شيشه ي سيليسي داراي مقاومت دي الکتريک بالاتري نسبت به ساير شيشه هاست. اما مقاومت اين دي الکتريک نيز در حد دي الکتريک هاي پليمري مانند رزين فنوليک نيست.

برخي از خواص اپتيکي شيشه
 

شفافيت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئي و فرو سرخ به چندين فاکتور بستگي دارد. يکي از اين فاکتورها طول موج تفرق است که بوسيله ي ناخالصي ها تغيير مي کند. لبه ي فرو سرخ (IRedge) و لبه ي فرا بنفش ((uv edge اعدادي هستند که نشان دهنده ي فرکانس قطع شدن عبور اين موج ها هستند. يک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگيري مي کند و اين در حالي است که يک عبور دهنده ي لبه يUV (UV edge tran Smitter) اجازه ي عبور نور UV را مي دهد.

عيوب در شيشه ها
 

اگر چه شيشه يک ماده ي آمورف است ولي مانند مواد کريستالي داراي عيوب و رسوبات است. و همچنين دچار جدايش فاز مي شود. شيشه را مي توان براي حبس کردن عناصر راديو اکتيو استفاده کرد .در اين عناصر مانند عيوب نقطه اي يا فاز ثانويه تشکيل مي شوند. همچنين سرعت نفوذ اين عناصر از ميان شيشه بر روي ميزان آن ها در شيشه تأثير دارند. اين مسئله استفاده مي شود تا بتوان مواد راديو اکتيو يا ساير مواد را کنترل کرد.

شيشه ي غير هموژن
 

به دليل آنکه شيشه يک مايع فوق سرد شده است. نمي توان گفت که اين ماده حتما بايد هموژن باشد. شيشه هاي خاص مي توانند بدون نياز به فرآيند کريستاليزاسيون به دو فاز تبديل شوند. هنگامي که اين دو فاز شيشه اي باشند اين مسأله باعث مي شود که سدي در برابر جدايش فازي پديد نيايد. در مورد فرآيند جدايش فازي مايع – مايع ممکن است مرحله اي براي جوانه زني وجود داشته باشد. البته در اين نوع تبديلات ممکن است استعاله ي اسپينودال (Spinodal) نيز رخ مي دهد. که هر دوي اين استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانين امتزاج ناپذيري در شيشه ها بسيار مهم است. اين مسئله مخصوصاً در شيشه هاي توليد شده با تکنولوژي روز نمود دارد. براي مثال امتزاج ناپذيري در شکل دهي شيشه – سراميک ها ، توليد شيشه ي وايکور (Vycor) و شيشه هاي اپتيکي و تشکيل رسوب در شيشه ها مهم مي باشد. بسياري از اکسيدهاي دوتايي و سه تايي در کنار سيليس از خود مشکلات امتزاج پذيري نشان مي دهند.
در دياگرام فازي ناحيه اي وجود دارد که يک مايع به دو مايع با ترکيب شيميايي متفاوت تبديل مي شود. اين ناحيه گپ امتزاج پذيري (imisciblity gap) ناميده مي شود. در زير برخي از سيستم هايي که مشکل امتزاج پذيري دارند را نام برده ايم:

شکل 4 دياگرام فازي را نشان مي دهد. در دماي پايين و در گوشه ي غني از سيليس دياگرام ، فاز مايع به دو بخش مايع با ترکيب شيميايي متفاوت تبديل مي شود. اين دو مايع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تيره نشان دهنده ي خط تقريبي ناحيه ي امتزاج ناپذيري است. مشکلي که در اندازه گيري اين خط وجود دارد. اين است که اين پديده در دماي پايين رخ مي دهد و از اين رو سرعت آن پايين است . و از اين رو اندازه گيري آن مشکل است. دراين وضعيت ميل جدايش فازي بيشتر از ميل به کريستاليزاسيون است . البته کريستاليزاسيون مساعد تر از جدايش فازي است اما به دليل آنکه جدايش فازي نيازي به باز آرايي اتم ها ندارد، اين پديده رخ مي دهد. به عنوان يک قانون کلي براي سيليس بايد گفت که امتزاج ناپذيري با افزودن افزايش مي يابد اما با افزودن کم مي شود. در شيشه هاي وايکور از قوانين جدايش فازي استفاده مي شود. در فرآيند توليد شيشه وايکور، شيشه اي پديد مي آيد که داراي و 4 درصد تخلخل است.اين نوع شيشه به عنوان فيلتر وبيومواد مخصوصا در جاهايي که تخلخل مهم مي باشد، استفاده مي شود. در فرآيند توليد وايکور، شيشه اي توليد مي شود که پس از فرآيند شکل دهي دنس مي گردد و شيشه اي با سيليس خالص پديد مي آيد که در دماي پايين تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهي گشته است.
منبع انگليسي مقاله : Ceramic Materials/by:C.Barry Carter.M.Grant Norton
ادامه دارد...