Кварцевое стекло. Его свойства, производство и применение - Глаголев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
Во всех интересующих нас случаях основным внешним условием, определяющим устойчивость того или иного аллотропического состояния, а следовательно и переход из одного состояния в другое, является температура, и, говоря об области устойчивости аллотропического состояния, мы будем понимать температурную область.
Аллотропические модификации кремнезема весьма многочисленны. ?> большинстве случаев они сходны между собой по своим свойствам, отличаясь друг от друга лишь кристаллическим строением. Мы остановимся лишь на главных, имеющих то или иное значение в процессах производства, обработки и применения плавленого кремнезема.
Кремнезем образует три основных группы модификаций: 1) группа гппРЦ3' раСпадаюЩаяся на а-кварц и р-кварц; 2) группа тридимита, содержащая а-тридимит, р-тридимит и у-тридимит, и 3) группа кристо-оалита, дающая начало а-кристобалиту и р-кристобалиту.
за
Основанием для подобного разделения модификаций кремнезема на три основных группы служит их ярко выраженное индивидуальное лицо. Взаимные переходы одной группы в другую, даже в том случае, когда какая-либо из них находится в области неустойчивости, совершаются настолько медленно, что в течение одного и того же времени позволяют наблюдать специфические особенности каждой группы.
В противоположность этому превращения внутри отдельной группы совершаются немедленно по достижении температуры перехода. Иногда можно наблюдать некоторое непостоянство этой температуры, но важно то, что процесс превращения никогда не растягивается на продолжительное время, совершаясь почти мгновенно.
Основные группы модификаций кремнезема во многих случаях независимо от того, в какой области они находятся — устойчивости или неустойчивости, — практически являются устойчивыми (мета-стабильное состояние). Здесь мы имеем весьма близкую аналогию с явлением переохлаждения, о котором говорилось в предыдущей главе. Эта аналогия тем глубже, что явление метастабильности бывает тем ярче выражено, чем ниже температура. При низких температурах (приблизительно до 500°) практически не происходит никакого превращения между всеми тремя группами. Здесь они имеют как бы совершенно равноправное существование. Характерно то, что метаста-бильность группы, задержка ее превращения в другую группу, совершенно не отзывается на скоростях внутригруппового превращения. Некоторые внутригрупповые модификации устойчивы как раз только при тех температурах, при которых сама группа неустойчива (а- и ^-тридимит, а-кристсбалит).
При низких и умеренно высоких температурах кремнезем устой-; чив в форме кварца, в которой он и встречается главным образом ¦ в природе.
а - кварц, устойчивый при температурах до 573°, имеет плотность 2,650 и кристаллизуется в гексагональных призмах с гексагональной пирамидой наверху, а-кварц наблюдается на земной поверхности либо в виде отдельных или сросшихся ясно выраженных кристаллов и тогда носит название горного хрусталя, либо в виде минерала—кварцита, имеющего явно выраженное кристаллическое строение, либо наконец в форме кварцевого песка.'Кроме того он входит как примесь в разнообразнейшие горные породы и глины, а - кварц является исходным продуктом для производства плавленого кремнезема, откуда и пошло название плавленый кварц и кварцевое стекло.
При температуре 573 ±0,2° (Bates и Phelps26, 1921) а-кварц , нацело и без всякой задержки переходит в 0-кварц, отличаю-j щийся как формой кристаллов, так и плотностью равной 2,60 — на ! 2% меньше, чем плотность а - кварца.
Превращение из а-модификации в (J- модификацию благодаря /связанному с этим превращением внезапному увеличению объема имеет громадные практические следствия. Можно смело сказать, что именно благодаря этому превращению возникает большая часть трудностей, стоящих на пути изготовления прозрачного плавленого кварца. | Резкое изменение объема при температуре в 573° не позволяет нагреть [ и расплавить кристаллы кварца, без того чтобы они не растрескались I и чтобы в образовавшиеся трещины не проник воздух. Именно благо-\ даря этому кварц, полученный плавлением кристаллов горного хру-i сталя, соде жит по "всему своему объему пузырьки воздуха, делающие
его мутным и выгнать которые, как мы увидим ниже, представляет большие затруднения. Однако это же превращение облегчает размельчение кварцевых минералов, которые для этой цели нагревают до тем-.... пературы 573°, при которой они растрескиваются.
Итак, можно сказать, что в - кварц устойчив до температуры 573°, выше которой устойчив ($- кварц. При превращении а-кварц—> —^?-кварц наблюдается поглощение энергии, что указывает на больший уровень энергии ? - модификации. По измерениям White ?7 (1909) теплота превращения равна 4,3+1 ка„1г. Эта цифра согласуется с более поздними измерениями Cohn 28 (1924).
?- кварц остается устойчивым до температуры, равной приблизительно 870°. Выше этой температуры равновесие между внутренней энергией и внешними условиями нарушается, благодаря чему наблюдается тенденция, правда весьма слабая, к превращению ?-кварца в у - тридимит или ? - кристобалит.
