2.2.1. Вязкость

2.2.2. Поверхностное натяжение

2.2.3. Показатель преломления

2.2.4. Термическое расширение

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.

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 Т_g, (где lgh=13,3 пз), а вытяжка волокна в области T_f (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.