析晶性能是玻璃形成的重要因素之一,同时与玻璃的熔化、成型、热处理、微晶化等过程也有着密切的关系。因此,玻璃的析晶性能是一项重要的物理性能。
实验原理
根据热力学观点,介稳玻璃相的自由焓高于稳定晶相的自由焓。因此,当玻璃熔体冷却到液相温度或更低温度时,倾向于析出晶体。但是,玻璃的析晶又是一个动力学过程,即和晶核形成速率、晶体生长速率以及黏度有关,它们与温度的关系如图8.1所示。
U——晶体生长速率,μm/min;I——晶核形成速率,晶核数/分钟单位体积;lg(η)——黏度(泊,符号P)对数;ΔT——过冷度,℃;Tm——熔点。
由此可见,当晶核形成速率很大时,晶体生长速率很小,黏度很大;而当晶体生长速度很大时,晶核形成速率很小,黏度较小。这两种情况均不利于析晶。只有上述三者为适当大小,处于一定的温度范围内,才能形成晶核,长成晶体。
化学组成是决定玻璃析晶倾向大小的主要因素,因为不同组成的玻璃具有不同的析晶性能。此外,玻璃是否析晶、析晶程度大小还与某些外界条件有关,如过冷度、冷却速度、表面组成挥发、玻璃中或表面是否存在杂质、气氛和压力等。
研究玻璃析晶性能的方法大致有以下三种。
1.淬冷法:玻璃碎块放在铂皿中,在一定温度的炉子里保持一段时间,淬冷后测定玻璃中生成晶体的类别和大小。
2.批量析晶法:在一定温度的炉内,放入大量的不同组成的玻璃碎块,保持一段时间,然后研究玻璃的析晶。
3.梯温法(又称强迫析晶法):玻璃试样放在一定温度梯度的炉内,保持一段时间,随后在空气中冷却,测定析晶程度、析晶温度范围。从高温端开始,由无析晶过渡到有析晶的临界温度称为析晶温度上限(在理论上为熔点或液相温度),再从有析晶过渡到无析晶的临界温度称为析晶温度下限(理论上为晶体生长速率U=0的温度点)。析晶温度范围随保温时间的长短而变化,保温时间可根据析晶倾向而定。一般玻璃的析晶范围为10 4 ~10 6 P。