Структура неорганического стекла

Стёкла принадлежат к классу неорганических материалов, находящихся в состоянии, промежуточном между жидким и твёрдым. Стёкла нельзя рассматривать, как переохлаждённую жидкость. В жидкости ближайшие соседи какой-либо частицы (первая координационная сфера) распределены беспорядочно, а в стекле – регулярным образом, хотя атомы во второй и более далёких сферах расположены беспорядочно. Основной структурной единицей силикатных стёкол является тетраэдр SiO₄. В вершинах тетраэдра находятся атомы кислорода, внутри тетраэдра – небольшой по размерам атом кремния. Каждый атом кислорода, в свою очередь, связан с другим атомом кремния. Такая структура стекла сохраняется и при температуре выше температуры размягчения. При очень медленном охлаждении стекло может закристаллизоваться, т.е. приобрести строго упорядоченную структуру. Этому процессу препятствует, как указывалось в разделе 2.4.1., кинетические особенности кристаллизации SiO_2, а именно – расположение на температурной шкале максимумов скоростей образования зародышей кристаллизации и роста кристаллов. Расчёты, проведенные в конце 70-х годов прошлого столетия, показали, что даже при создании особых условий доля закристаллизованного стекла за 1000 лет не превысит 0,0001%. В реальных же условиях для этого потребуется от 10⁶ до 10¹⁷ лет. Свидетельством тому являются вулканические стёкла (обсидиан), пролежавшие в земле порой миллионы лет и оставшиеся аморфными, при этом никакого течения (деформации) под нагрузкой у них не наблюдалось.

Вместе с тем, из этого не следует, что SiO₂ не может быть получен в кристаллическом состоянии. Это, как правило, достигается введением специальных веществ, являющихся искусственными зародышами кристаллизации. Такие материалы называются ситаллами. В зависимости от технологии доля кристаллической фазы может составлять от 30% до 90%. Схема строения стекла и кварца представлена на рис. 37.

Рис. 37. Схема строения двухмерной

кристаллической решётки (а) и двух-

мерной стеклообразной для SiO₂.

В природе встречаются прозрачные монокристаллы кварца, называемые горным хрусталём, который используется в пьезотехнике. Запасы природного кварца ограничены, поэтому разработаны методы искусственного выращивания крупных монокристаллов. Их получают гидротермиальным методом. Кристаллизация происходит из водно-щелочных растворов при 350 – 400⁰С и давлениях порядка 10⁸ Па. Процесс длится несколько месяцев.

Часть 2.