42

ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ:

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТЕКЛА

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

С.В. Немилов

2008

Лабораторная работа №1

Измерение больших вязкостей ( от ~10¹²П и выше).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение особенностей измерений больших значений вязкости методом вдавливания инденторов.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: СТЕКЛА ОПТИЧЕСКИЕ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ В РАБОТЕ:

1. Получить понятие об особенностях измерений больших значений вязкости методом вдавливания инденторов.

2. Выработать практику рационального выбора диаметра индентора, нагрузки и шага отсчёта деформации при измерениях больших значений вязкости стеклообразующей жидкости.

3. Изучить особенности обработки экспериментальных данных по измерениям деформаций при измерениях вязкости в области 10¹² П.

4. Рассчитать величину вязкости из полученного набора сочетаний «время-величина деформации».

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

1. Обоснование необходимости знания вязкости стеклообразующей жидкости.

Времена структурной релаксации, определяющие реальные скорости процессов отжига и процессов, происходящих при варке стекла, из-за экспериментальных и теоретических трудностей могут быть найдены с чрезвычайно большим трудом. Однако благодаря взаимосвязи времени релаксации, мгновенного модуля сдвига (который не сильно меняется с температурой) и вязкости, которая даётся соотношением Максвелла (η = F_∞·τ_M), величины вязкости достаточно точно передают температурную зависимость времен релаксации в весьма широком интервале температур. Поэтому все технологические процессы привязывают к определенным значениям вязкости, а температуру стеклования принимают примерно соответствующей вязкости 10¹² Па·с (10¹³ дПа·с или 10¹³ П). Ниже для простоты мы будем величины вязкости выражать только в пуазах, (П). Эта единица соответствует измерению времени в с, длины в см, массы в г.

Измерения вязкости по этой причине имеют первостепенное значение для характеристики каждого состава стекла, важного для практики.

Указанные выше значения вязкости, соответствующие температуре стеклования, необходимы для построения температурно-временного режима отжига стекла. Верхнюю температуру отжига принимают соответствующей вязкости 10¹³П. При более низких температурах находится область ответственного охлаждения (тонкого отжига), для которой скорость охлаждения выбирают такой, чтобы в стекле успевал происходить процесс структурной релаксации и устанавливаться равновесный показатель преломления. Нижняя граница области температур тонкого отжига принята соответствующей вязкости 10¹⁶ П. Понятно, что необходимо знать характер температурной зависимости вязкости в указанных интервалах. Однако измерения больших значений вязкости (более 10¹⁴ П) чрезвычайно осложнены их продолжительностью. Поэтому необходимо наиболее точно измерить вязкость в доступной для измерений области. Нужно быть уверенным, что температурный закон изменения вязкости здесь установлен достаточно надёжно, чтобы производить экстраполяцию в область значений вязкости, недоступной для простых измерений.

2. Основные виды температурной зависимости вязкости.

Общий характер кривой зависимости вязкости от обратной температуры (в К) показан на рис. 1.1.

Вязкость стекломассы в широком интервале её значений (от 10¹³ до 10¹ П) приближенно описывается уравнением Таммана-Фогеля-Фульчера (ТФФ)

lgη = A + B/(T-T₀). (1)

Уравнение содержит три подбираемых постоянных: A, B и Т₀. Значение T₀ всегда ниже температуры стеклования. Однако ошибки, вносимые таким приближением, всегда знакопеременны. При высоких значениях вязкости в указанном интервале рассчитанные значения превышают измеренные, при средних значениях они ниже них, при малых значениях вязкости рассчитанные значения также превышают измеренные.

Причина таких несоответствий в том, что в области размягчения чаще всего экспериментально наблюдается прямолинейная зависимость «lgη – 1/T» с большим наклоном:

lgη = A^' + B^'/T. (2)

В области жидкого состояния чаще всего наблюдается аналогичная зависимость с существенно меньшим наклоном. Эти случаи явно не удовлетворяют уравнению ТФФ. Переход от одной экспоненциальной зависимости к другой может происходить в интервале 10⁹ – 10⁴ П, границы такого перехода размыты и зависят от состава стекла и его структуры.

По этой причине точность измерений вязкости в области температур размягчения и отжига должна быть максимально возможной.

Рис. 1.1. Общий тип зависимости вязкости от обратной температуры (схема). 1 – область состояния стекла, 2 – область размягченного состояния, 3 – область жидкого состояния.

Если в области размягчения и отжига прямолинейная зависимость «lgη – 1/T» не выполняется, то в этом случае используют также уравнение ТФФ, причём его справедливость, естественно, будет оправданной именно для области измеренных температур. Постоянные A, B и Т₀ ни в коем случае не могут быть использованы для оценки зависимости вязкости от температуры в области жидкого состояния.

Для расчёта верхней и нижней температур отжига, однако, оказывается, достаточно воспользоваться либо параметрами экспоненциальной зависимости (2) (если именно таковая лучше всего описывает кривую вязкости в области выше 10⁸ – 10⁹ П), либо параметрами уравнения ТФФ (1), если именно эта зависимость оказывается более точной.