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玻璃在高压下的致密化

发布时间:2016/7/19

在高压和超高压的条件下,玻璃的结构和性质都将发生变化。当压力达到10X108Pa时,大 多数玻璃具有良好的塑性。若继续增加压力至(100〜200)X 108Pa,则因承受高压后玻璃的形变 不可逆而产生塑性流动,导致玻璃的密度增大,即产生致密化,表明玻璃网络结构的容积减小。 这种致密化现象可通过在玻璃转变温度附近的退火得到消除。例如,石英玻璃在200 X 108Pa的 压力作用下可发生明显的致密化,密度值从2。22g/cm3增加到2。 61g/cm3,并能在除去压力后于 室温下长久保持。但将玻璃加热至其转变温度附近,密度则 逐渐减小,直至恢复到初始密度值。

石英玻璃和B203玻璃在高压下发生致密 化的特点,从图中可以看出,石英玻璃在105atm (latm = 1.013X105Pa)的作用下开始出现致密化,且随着压力增 大,致密化程度、匕did也显著增加;B203玻璃则在更低 的压力下即开始致密化,其密度变化量(Ad/d)也随压力 增大而增大,但在达到6%左右时趋于恒定。XRD分析表 明,这种致密玻璃中的Si-O键和B-O键并未发生变化,玻 璃的致密可能与网络空隙的减少和网络骨架的变形有关。

在高压和超高压的条件下,玻璃的结构和性质都将发生变化。当压力达到10X108Pa时,大 多数玻璃具有良好的塑性。若继续增加压力至(100〜200)X 108Pa,则因承受高压后玻璃的形变 不可逆而产生塑性流动,导致玻璃的密度增大,即产生致密化,表明玻璃网络结构的容积减小。 这种致密化现象可通过在玻璃转变温度附近的退火得到消除。例如,石英玻璃在200 X 108Pa的 压力作用下可发生明显的致密化,密度值从2.22g/cm3增加到2。 61g/cm3,并能在除去压力后于 室温下长久保持。但将玻璃加热至其转变温度附近,密度则 逐渐减小,直至恢复到初始密度值。

石英玻璃和B203玻璃在高压下发生致密 化的特点,从图中可以看出,石英玻璃在105atm (latm = 1.013X105Pa)的作用下开始出现致密化,且随着压力增 大,致密化程度、匕did也显著增加;B203玻璃则在更低 的压力下即开始致密化,其密度变化量(Ad/d)也随压力 增大而增大,但在达到6%左右时趋于恒定。XRD分析表 明,这种致密玻璃中的Si-O键和B-O键并未发生变化,玻 璃的致密可能与网络空隙的减少和网络骨架的变形有关。

研究还发现,玻璃的致密化不仅与组成相关,还受组 成含量的影响。图25-4是处于不同温度的R20-Si02玻璃 在一定压力下的密度变化与R20含量的关系。从图中可 以看出,在30 kPa的压力作用

下,对于不同的实验温度, 玻璃的致密化都在R20含量约为10% (摩尔分数)的组 成范围出现极大值(在200°C时,随着R2〇含量从0增大

到10%,玻璃的致密化由2. 2%增至6.5%);当R20含 量大于10% (摩尔分数)后,致密化程度随之逐渐降低, R20~Si02玻璃的密度值甚至低于石英玻璃。这反映了玻 璃结构内部的移动性。当去除压力后,玻璃的致密化现象 并不消失,只有在退火后才能恢复原状。

研究者认为,这一现象与两种效应有关:在氏0含 量较低的玻璃结构中,网络空隙较大,加压时密度增加较 大,此时r2o含量的增加导致结构网络解体,硅氧四面 体结构单元的体积减小,结构的流动性增大,因而玻璃的 致密化程度趋于增加;而当组成中r2o含量较高时,碱 金属离子已填充了网络空隙中的自由体积,因此密度的变化较小。

由于玻璃的折射率与密度有关,因此,在不同压力下玻璃折射率的变化也可反映其密度的变 化。在室温条件下,加压至100X 108Pa时,硼酸盐玻璃的折射率增加1 %,石 英玻璃增加3.8%,锗酸盐玻璃的折射率增加最多,可达4.3%。

不仅是玻璃的密度在高压下发生变化,玻璃的电导率和析晶性能等也都会有相应的变化。这 些现象已越来越为人们所关注。


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