Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

2. Стеклообразное состояние и основные свойства стекол

2.2 Основные физико – химические свойства стекол.

2.2.1. Вязкость.

          Вязкость – это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Согласно постулату Ньютона сила F, необходимая для поддержания постоянной разницы скоростей между двумя движущимися параллельно слоями жидкости, равна

                                                       (2.1),

где η – динамическая вязкость, S – поверхность раздела,  - градиент скорости, т.е. изменение скорости на единицу расстояния. Кроме динамической вязкости существует понятие кинематической вязкости, которая записывается как

                                                         (2.2),

где -плотность.

          Скорость течения жидкостей, подчиняющихся закону Ньютона (ньютоновские или нормальные жидкости), пропорциональна давлению, и при ламинарном потоке pt=const, т.е. вязкость ньютоновских жидкостей не зависит от давления, оказываемого на жидкость. Для коллоидных растворов и суспензий ή уменьшается с  ростом давления, что обусловлено связями между дисперсными частицами.

          Изменения вязкости жидкости нормальных жидкостей от температуры выражается уравнением Френкеля – Андраде:

                                           (2.3),

где - энергия активации процесса течения, R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31´103 дж/(кмоль×град)=1,987 ккал/(моль×град). Величина энергии активации отражает силу взаимодействия между атомами и определяется работой, которую надо затратить атому, чтобы перейти из одного положения в другое. В отличие от кристаллических тел в стеклах энергия активации не является постоянной величиной, а изменяется с изменением температуры стекла, как это видно из таблицы 2.2.

Таблица 2.2 Изменение энергии активации кварцевого и боратного стекол.

B2O3

SiO2

Температура, 0С

Энергия активации, ккал/моль

Температура, 0С

Энергия активации, ккал/моль

260

83

1300-1450

170±8

315

64

1720-2000

151±10

450

40

1925-2060

134±9

500

38

1935-2320

89±21

600

30

   

          Согласно теории Мюллера факт изменения энергии активации от температуры для стекол объясняется тем, что  при течении вязких расплавов происходит не разрыв ковалентной связи (например, Si-O, B-O), а их переключение (трансляция), т.е. они имеют как бы шарнирный характер.

В узком интервале температур зависимость вязкости от температуры обычно записывают как:

                                                  (2.4),

где А и В – некие постоянные величины для каждого стекла. Отжиг заготовок происходит вблизи Тg, (где lgh=13,3 пз), а вытяжка волокна в области Tf (где lgh=7,6 пз). Вязкость стекла значительно зависит от его состава. Для примера, на рис. приведены зависимости температуры размягчения кварцевого стекла при его легировании рядом примесей, которые наиболее широко используются при изготовлении кварцевых ОВ.

Рис. 2.7. Зависимости температуры размягчения легированного кварцевого стекла в зависимости от его состава и концентрации легирующих компонентов: 1 – SiO2*GeO2, 2 – SiO2*P2O5, 3 – SiO2*B2o3

Из рис. 2.7 видно, что при увеличении концентрации примесей во всех случаях наблюдается уменьшение температуры размягчения (т.е. вязкости стекла), причем легирование P2O5 или B2O3 влияет на вязкость стекла сильнее, чем GeO2.

Это объясняется тем, что при легировании GeO2 он встраивается в решетку SiO2, а при легировании Р2О5 и B2О3, связи нарушаются, ослабевают и вязкость падает.

2.2.2. Поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение расплавов и твердых тел определяет действие межмолекулярных сил на частицы поверхности слоя среды. Мерой поверхностного натяжения в (Дж/м2 или Н/м) является работа А, которую необходимо затратить на образование единицы поверхности среды S, т.е.

s= А/S                                                       (2.6).

Действие поверхностного натяжения направлено на уменьшение площади поверхности. Для промышленных стекол s = 0,159 0,470 Н/м, а для кварцевого стекла составляет ~ 0,4 Н/м. Поверхностное натяжение мало зависит от температуры.

2.2.3. Показатель преломления

Способность стекла преломлять падающий на него свет принято характеризовать посредством показателя преломления (ПП) для прямого луча, испускаемого либо парами натрия (λ=5893А), либо светящимся в гейслеровой трубке гелием (l=5875 А). Как было показано выше (уравнение 1.12), ПП характеризует также скорость распространения света в материале по отношению к скорости света в вакууме. Для чистого кварцевого стекла принято считать ПП в ближней ИК-области при комнатной температуре равным n=1,458.

2.2.4. Термическое расширение.

Термическое расширение оценивается коэффициентами линейного термического расширения (КЛТР), которые рассчитываются по формуле:

 или  (1/град)

КЛТР сильно зависят от состава стекла. Поэтому при выборе конструкции ОВ необходимо учитывать КЛТР оболочки и сердцевины с тем, чтобы не допустить сильных напряжений на границе между ними, ибо эти напряжения могут привести к разрушению ОВ.



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.