Хрупкость (физика стекла)

Эта статья о свойстве стеклообразующих жидкостей. Чтобы узнать о других значениях, см. «Хрупкость» .

при температуре стеклования T _g График Аррениуса хрупкости стеклообразующих жидкостей указывает на различное поведение прочных и хрупких жидкостей. Это представление хрупкости известно как «сюжет Энджелла».

В науках о стекле хрупкость или «кинетическая хрупкость» — это концепция, предложенная австралийско-американским физико-химиком К. Остином Энджеллом . Хрупкость характеризует, насколько быстро вязкость стеклообразующей жидкости приближается к очень большому значению примерно 10 ¹² Па с во время охлаждения. При этой вязкости жидкость «замораживается» в твердое вещество, и соответствующая температура известна как температура стеклования T _g . Материалы с более высокой хрупкостью имеют более быстрый рост вязкости при приближении к Tg, а материалы с более низкой хрупкостью имеют более медленный рост вязкости. Хрупкость — одно из наиболее важных понятий для понимания вязких жидкостей и стекол. Хрупкость может быть связана с наличием динамической неоднородности в стеклообразующих жидкостях, а также с нарушением обычной зависимости Стокса–Эйнштейна между вязкостью и диффузией. Хрупкость не имеет прямого отношения к разговорному значению слова «хрупкость», которое более тесно связано с хрупкостью материала.

Определение

Формально хрупкость отражает степень отклонения температурной зависимости вязкости (или времени релаксации) от аррениусовского поведения . Эта классификация была первоначально предложена Остином Энджеллом . Наиболее распространенным определением хрупкости является «кинетический индекс хрупкости» m , который характеризует наклон зависимости вязкости (или времени релаксации) материала от температуры при приближении сверху к температуре стеклования:

${m}:=\left({\partial {\log _{10}\eta } \over \partial \left(T_{g}/T\right)}\right)_{T=Tg}={\frac {1}{\ln 10}}\left({\partial {\ln \eta } \over \partial \left(T_{g}/T\right)}\right)_{T=Tg}={\frac {T_{g}}{\ln 10}}\left({-\partial {\ln \eta } \over \partial T}\right)_{T=Tg}$

где $\eta$ — вязкость, T _g — температура стеклования, m — хрупкость, T — температура. Стеклообразователи, обладающие высокой хрупкостью, называются «хрупкими»; те, у кого низкая хрупкость, называются «сильными». Например, кремнезем имеет относительно низкую хрупкость и называется «прочным», тогда как некоторые полимеры обладают относительно высокой хрупкостью. и называются «хрупкими».

Для характеристики хрупкости жидкостей было введено несколько параметров хрупкости, в том числе параметр Брюнинга-Саттона, Аврамов и параметры хрупкости Доремуса. Параметр хрупкости Брюнинга-Саттона m зависит от кривизны или наклона кривых вязкости. Параметр хрупкости Аврамова α основан на формуле вязкости типа Кольрауша, полученной для стекол: сильные жидкости имеют α ≈ 1, тогда как жидкости с более высокими значениями α становятся более хрупкими. Доремус указал, что практически все расплавы отклоняются от поведения Аррениуса, например, энергия активации вязкости изменяется от высокого Q _H при низкой температуре до низкого Q _L при высокой температуре. Однако асимптотически как при низких, так и при высоких температурах энергия активации вязкости становится постоянной, например, независимой от температуры. Изменения, происходящие в энергии активации, однозначно характеризуются соотношением двух значений энергии активации при низких и высоких температурах, которое, по предположению Дормуса, можно использовать в качестве критерия хрупкости: R _D =Q _H /Q _L . Чем выше R _D , тем более хрупкими являются жидкости, коэффициенты хрупкости Доремуса колеблются от 1,33 для германия до 7,26 для расплавов диопсидов.

Критерий хрупкости Доремуса можно выразить через термодинамические параметры дефектов, обеспечивающих вязкое течение в оксидных расплавах: R _D =1+H _d /H _m , где H _d — энтальпия образования, H _m — энтальпия образования. движения таких дефектов. Таким образом, хрупкость оксидных расплавов является внутренним термодинамическим параметром расплавов, который можно однозначно определить экспериментально.

Хрупкость также может быть выражена аналитически через физические параметры, связанные с потенциалом межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Он задается как функция параметра, измеряющего крутизну межатомного или межмолекулярного отталкивания, и как функция коэффициента теплового расширения жидкости, который вместо этого связан с притягивающей частью межатомного или межмолекулярного потенциала. Анализ различных систем (от модельных жидкостей Леннарда-Джонса до металлических сплавов) показал, что более крутое межатомное отталкивание приводит к более хрупким жидкостям или, наоборот, к тому, что мягкие атомы образуют прочные жидкости .

Недавние лучей синхротронного излучения эксперименты по дифракции рентгеновских показали четкую связь между эволюцией структуры переохлажденной жидкости при охлаждении, например усилением пиков Ni-P и Cu-P в функции радиального распределения, близкой к стеклованию, и хрупкостью жидкости. .

Физические последствия

Физическая природа неаррениусовского поведения хрупких стеклообразователей является областью активных исследований в физике стекла. Достижения последнего десятилетия связали это явление с наличием локально неоднородной динамики в хрупких стеклообразователях; т.е. наличие отдельных (хотя и временных) медленных и быстрых областей внутри материала. Этот эффект также был связан с нарушением соотношения Стокса-Эйнштейна между диффузией и вязкостью в хрупких жидкостях.