دانلود پایان نامه

باستانی‌، علم شیشه بسیار جوان است‌. طی هزاران سال شناخت شیشه و روش ساخت وخواص آن عمدتا بر تجربیات استاد کاران استوار بود که از نسلی به نسلی دیگر منتقل شده وبه کندی تکامل می‌یافت‌. اما حرکت شتابان تکنولوژی به ویژه ازآغاز قرن حاضر میلادی باعث شتاب گرفتن سیر تکاملی تکنلووژی و علم شیشه گردید‌. شاید آغاز قرن بیستم میلادی را بشود آغاز پایه گزاری علم نوین شیشه دانست‌، اما بیشترین پیشرفتها در این علم از دهه شصت میلادی به بعد انجام گرفته است (به طوری که دهه شصت را دهه طلایی علم شیشه نامیده اند)‌. طی این چند دهه پیشرفتهای بسیار شگرفی در زمینه شناخت شیشه‌، ساختار آن‌، قوانین حاکم بر آن و خواص مختلف فیزیکی و شیمیایی آن حاصل شده است‌. همگام با این پیشرفت‌، تکنولوژی شیشه نیز ازنظر تکامل روش‌‌های تولید و به بازار آوردن محصولات نوین با کاربردهای بسیار متنوع و گسترده نیز پیشرفت زیادی نموده است‌. علم شیشه در ایران کمتر شناخته شده است وپژوهش وآموزش آن بسیار دیرتر از صنعت آن در ایران رواج و گسترش یافته است.

2-6-2- تعریف شیشه
مسئله یافتن تعریفی جامع و کامل برای شیشه از دهها سال پیش مطرح بوده است اما شاید هنوز هم چنین تعریفی که مورد قبول همگان باشد یافت نشده است‌. یکی از تعاریف بسیار معروف که از سوی انجمن آزمون مواد آمریکا (ASTM) در سال 1945 میلادی پیشنهاد شد شیشه را به صورت زیر تعریف می‌کند:
شیشه ماده ای غیر آلی است که ازحالت مذاب طوری سرد شده است که بدون آن که تبلور یابد به صورت صلب درآمده است‌.
یکی از اشکالات تعریف بالا این است که همان گونه که در سال‌‌های اخیر ثابت شده است‌، شیشه را می‌توان از طرق بسیار متنوع دیگری به جز سرد کردن ازحالت مذاب تهیه کرد‌.مثلا روش‌‌های سرد کردن از حالت بخار‌، رسوب دادن شیمیایی از فاز بخار، روش هیدرولیز شعله‌ای3، بمباران نوترونی4، سل- ژل5، وغیره‌. مسئله دیگر این است که بسیاری از مواد شیشه ای شناخته شده دارای منشاء آلی هستند. تنوع مواد شیشه ساز و روش‌‌های ساخت شیشه از ‌یک سو و الزام منطقی برای تعریف موادی با ساختار وخواص یکسان‌، صرف نظر از روش ساخت آنها با یک نام واحد‌، در سالهای اخیر این تمایل را به وجود آورده است که تعریف بسیار عام و وسیع زیر برای شیشه بکار گرفته شود.
“شیشه یک جامد آمرف است‌.” ماده ای را آمرف گویند که ازنظر ساختاری دارای نظم پر دامنه نباشد. یعنی اجزاء تشکیل دهنده آن ( اتم‌، یون یا مولکول) درمقیاس چند برابر اندازه خود ازنظر چیده شدن در فضا دارای تناوب ونظم وترتیب نباشند. مطابق این تعریف ماده آمرف و شیشه دارای معنایی یکسان هستند. این تعریف بسیار عام‌، با وجود سادگی خود مورد قبول برخی دانشمندان علم شیشه نیست‌. آکادمی‌ملی علوم آمریکا تعریف دقیق تری برای شیشه پیشنهاد کرده است : ” شیشه ماده ای است که ازنظر آزمایش با اشعه X آمرف( بی شکل‌، غیر بلوری) باشد و ازخود رفتار ویژه انتقال به حالت شیشه ای بروز دهد. انتقال به حالت شیشه ای‌، پدیده ای است که یک فاز آمرف جامد هنگام حرارت دادن به نمایش می‌گذارد وآن عبارت است از تغییرات کم و بیش ناگهانی برخی از خواص مانند ظرفیت گرمایی و ضریب انبساط حرارتی ( که مشتقات توابع ترمودینامیکی هستند) ازمقادیری که خاص جامدات بلوری است به مقادیری که ویژه مایعات است‌. دمای این تغییرات ناگهانی به دمای انتقال به شیشه یا6 موسوم است‌. همان گونه که ملاحظه شد‌، طبق تعریف بالا‌، وجود پدیده انتقال به شیشه یکی از الزامات وجود حالت شیشه‌ای است‌.
امروزه هم تعریف بسیار عام شیشه به صورت جامد آمرف یا غیر بلوری وهم تعریف دقیق تری که علاوه برآمرف بودن بروز پدیده انتقال به شیشه را نیز ازالزامات تعریف حالت شیشه ای می‌شمارد در بین دانشمندان و پژوهشگران علم شیشه طرفدارانی دارد‌.

2-6-3-ساختار شیشه‌ها
متخصصان فیزیک و کریستالوگرافی که به آرایش منظم اتم‌ها در بلورها عادت دارند ساختار شیشه‌ها را پر از هرج و مرج و در و درهم و برهم و تا حدودی اسرارآمیز می‌شمارند.
با اینکه هنوز نمی‌توان ساختار شیشه‌ها را با دقت و صحت زیادی که در مورد بلورها انجام می‌شود توضیح داده، درباره‌ی ساختار بسیاری از شیشه‌ها خیلی چیزها می‌دانیم اما امروزه یکی از کلیدهایی که ممکن است ما را در شناخت ساختار شیشه‌ها یاری کند تشخیص و شناخت گروه‌های مختلف مواد تشکیل دهنده‌ی آن‌ها است. ساختار شیشه‌های حاصله از مواد مختلف می‌تواند کاملاً متفاوت باشد. بنابراین لازم است که آن‌ها را بطور جداگانه مورد بررسی قرار دهیم. نوعی طبقه‌بندی وجود دارد که مواد تشکیل دهنده‌ی شیشه‌ها را از نظر نوع اتصال آن‌ها از یکدیگر جدا می‌سازد. جدول 1-3 این طبقه‌بندی را نشان می‌دهد.

(جدول 2-4) طبقه‌بندی مواد شیشه‌ساز برحسب نوع اتصال آن‌ها
مثال
نوع اتصال
اکسیدها (سیلیکات‌ها، بورات‌ها، فسفات‌ها، ژرمانات‌ها و غیره)
کووالانت
هالایدها، نیترات‌ها، کربنات‌ها، سولفات‌ها
یونی
محلول‌های مائی نمک‌ها
یونی هیدراته
مایعات آلی
مولکولی
آلیاژ‌های مختلف فلزی
فلزی

در سال‌های اخیر به تدریج مشخص شده است که ساختار شیشه‌ها در هر یک از این گروه‌ها ممکن است کاملاً با دیگری متفاوت باشد و جز بی‌نظمی ساختاری (فقدان نظم در برد بلند) هیچ نقطه اشتراکی بین آن‌ها وجود نداشته باشد. به عبارت دیگر همانگونه که مو
اد بلوری همگی از نظر دارا بودن نظم بلوری با یکدیگر تفاوت دارند مواد شیشه‌ای نیز از نظر جزئیات ساختاری (نوع بی‌نظمی) کاملاً می‌توانند با یکدیگر اختلاف داشته باشند.

2-6-4-خواص نوری شیشه‌ها
یکی از مهم‌ترین خواص شیشه‌ها، خواص نوری آن‌ها است. شیشه از زمان‌های قدیم به عنوان ماده‌ای با توانایی عبور نور مورد توجه بشر بوده و در زمینه‌های مختلف زندگی وارد شده است. اما امروزه کاربردهای نوری شیشه بسیار گسترده‌تر شده است. علاوه بر کاربردهای معمولی مانند شیشه‌های ساختمانی و اتومبیل و حباب لامپ و شیشه عینک و دوربین‌ها و میکروسکوپ‌ها، شیشه، پایه‌ی اساسی تمام سیستم‌های نوری نوین محسوب می‌شود. استفاده از الیاف شیشه‌ای در سیستم‌های مخابراتی یکی از آخرین کاربردهای مهم شیشه‌ها به عنوان حامل نور (یا امواج الکترومغناطیسی) محسوب می‌شود که انقلابی در زمینه مخابرات بوجود آورده است.

2-6-5-ویژگی‌های مهم نوری شیشه‌ها (ضریب شکست و پاشندگی)
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های شیشه‌ها که بر خواص نوری آن تأثیر به سزایی دارد ضریب شکست است. ضریب شکست هر ماده عبارت است از نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در ماده مورد نظر این نسبت را می‌تون با استفاده از قانون سل اندازه‌گیری نمود. طبق این قانون که در اینجا ضریب شکست و و به ترتیب زاویه تابش و زاویه شکست می‌باشد. (یعنی زوایایی که نورهای ورودی و خروجی با خط عمود بر سطح تابش می‌سازند). پدیده شکست تنها باعث می‌شود که مسیر نور هنگام ورود از محیطی به محیطی دیگر تغییر کند. (به علت تغییر سرعت نور در دو محیط) و تأثیری بر شدت نور ندارد. ضریب شکست هر شیشه در واقع عدد ثابتی نیست و با طول موج نور عبوری تغییر می‌کند. ضریب شکست استاندارد معمولاً نسبت به نور زرد سدیم (با طول موج nm 3/589) بیان می‌شود که با نشان داده می‌شود اما نور زرد هلیم (با طول موج nm 6/587) نیز کاربرد دارد. () (یعنی نورهای زردی که با طول موج‌های مشخص فوق به هنگام تهییج‌ اتم‌های سدیم یا هلیم ساطع می‌گردند).
چون این دو طول موج بسیار نزدیک به یکدیگر هستند ضریب شکست‌های اندازه‌گیری شده با این دو تفاوت چندانی با یکدیگر نخواهند داشت.

ضریب شکست را می‌توان با روش‌های دیگری چون استفاده از پدیده انعکاس سطحی، اندازه‌گیری زاویه بحرانی برای وقوع پدیده انعکاس کلی (زاویه بروستر) و استفاده از خط بکه نیز اندازه‌گیری کرد که جزئیات این روش‌ها را می‌توان در کتاب‌های مربوط به خواص اپتیکی مطالعه کرد.
اما از نقطه نظر علم مواد که کوشش می‌کند خواص مواد را با جزئیات ساختاری مرتبط سازد می‌توان گفت که پدیده شکست نتیجه‌ی بر هم کنش امواج اکترومغناطیسی و الکترون‌های اتم‌های تشکیل دهنده‌ی ماده است. افزایش چگالی الکترونی یا قابلیت قطبش (پلاریزاسیون) اتم‌ها (یا یون‌ها) باعث افزایش ضریب شکست می‌گردد. در نتیجه شیشه‌هایی که دارای یون‌هایی با عدد اتمی کوچک هستند (هم چگالی‌های الکترونی کمتر و هم قابلیت قطبش کوچکتر) معمولاً دارای ضرایب شکست کوچکتری هستند.
چون اکثریت یون‌ها موجود در شیشه‌ها را معمولاً آنیون‌ها تشکیل می‌دهند نقش آنیون‌ها در ضریب شکست نیز بسیار مهم است.

2-6-6-انعکاس
بخشی از انرژی نورانی که پس از برخورد به سطح شیشه منعکس می‌گردد (که نوعی تلفات است) با R نشان داده شده و برای تابش عمودی از رابطه زیر قابل محاسبه است:

چون هر دو سطح یک تیغه شیشه‌ای بخشی از نور را منعکس می‌کنند، انعکاس کل تقریباً‌ دو برابر مقدار محاسبه شده از رابطه بالا خواهد بود. برای شیشه‌های بی‌رنگ معمولی که ضریب شکست آن‌ها حدود 5/1 است، تلفات انعکاسی برای هر سطح حدود 04/0 و کل انعکاس حدود 08/0 است. بنابراین 8% انرژی نوری بدین ترتیب تلف شده و 92% می‌تواند عبور نماید (البته اگر از جذب انرژی نوری توسط تیغه شیشه‌ای صرف‌نظر گردد) عامل R، قابلیت انعکاس نامیده شده و برای برخوردهای مایل (تا حدود 20 درجه) نیز از رابطه بالا قابل محاسبه است.

2-6-7-جذب نور توسط شیشه
شیشه بخشی از نور برخوردی را جذب می‌کند. ضریب جذب را بصورت زیر تعریف می‌کنند: که در اینجا ضریب جذب، ضخامت تیغه شیشه‌ای، و و به ترتیب شدت نور ورودی و خروجی به تیغه می‌باشد. ضریب جذب، بستگی به طول موج نور عبوری، دما، جنس شیشه و تاریخچه حرارتی آن دارد.

2-6-8-موارد استفاده از واکنش‌های احیا – اکسیدی در شیشه
2-6-8-1-بی‌رنگ‌سازی و رنگین کردن شیشه‌ها
2-6-8-1-1-بی‌رنگ سازی شیشه‌ها
حضور با عدد همسایگی شش (محاصره شده با شش اکسیژن) در شیشه باعث ایجاد باند جذبی نسبتاً ضعیفی در عدد موج حدود 9000 (طول موج 1) می‌گردد که دنباله‌ی آن به داخل محدوده‌ی رنگ قرمز کشیده می‌شود. (شکل 5-6). در نتیجه حضور مقدار اندکی (حتی در حد %04/0 – 02/0) که عمدتاً از طریق ناخالصی‌های مواد اولیه (به ویژه سیلیس) وارد ترکیب شیشه می‌گردد باعث ایجاد رنگ آبی – سبز ناخواسته‌ای در شیشه‌ها می‌گردد.
از سوی دیگر دارای باند بسیار نیرومندی (از نوع انتقال بار الکتریکی) در منطقه فرابنفش (UV) می‌باشد که دنباله‌ی آن به منطقه‌ مرئی طیف می‌رسد. در نتیجه شیشه‌ای که حاوی یون آهن در حالت اکسیدی () است، دارای رنگ زرد (به رنگ کاه) خواهد بود که مکمل رنگ است. بنابراین در صورت وجود نسبت مناسب ، شیشه بی‌رنگ به نظر خواهد رسید.

(شکل 2-10) طیف جذبی، و و شیشه کهربی کربن – گوگرد.

معمولاً اکسید کننده‌ها (مانند 25/0% یا به علاوه % 5/0 ) علاوه بر ایفای نقش حباب‌زدایی در شیشه (که در بخش بعد مورد بحث قرار خواهد گرفت) ی‌توانند با اکسید کردن بخشی از به و ایجاد نسبت مناسب بین این دو منجر به بی‌رنگ‌سازی شیشه گردند. مثلاً ( + ( + )
در سال‌های اخیر به علت مسائل زیست محیطی استفاده از دیگر توصیه نمی‌گردد و معمولاً از اکسید‌کننده‌های دیگری مانند اکسید سریوم استفاده می‌نمایند که با انجام واکنش
( + + )
باعث بی‌رنگ کردن شیشه می‌شود ( بی‌رنگ است). علاوه بر بی‌رنگ کردن شیمیایی، که در بالا مورد بحث قرار گرفت، گاه بی‌رنگ کردن فیزیکی نیز به عنوان مکمل بی‌رنگ‌سازی شیشمایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش برخی ترکیباب به شیشه افزوده می‌شود که رنگ حاصله از آن‌ها مکمل رنگ یون‌های آهن می‌باشد. بطور مثال Se (به شکل عنصری یا ترکیباتی از آن) رنگی ایجاد می‌کند که مکمل رنگ است و رنگی ایجاد می‌کند که مکمل رنگ زرد می‌باشد. (دو رنگی را مکمل گویند که اثر توام آن‌ها برای چشم بی‌رنگ به نظر آید).
با انتخاب مقادیر مناسبی از بی‌رنگ‌کننده‌های فیزیکی و شیمیایی که انتخاب آن‌ها بستگی به شرایط کاری نیز دارد (مقدار ناخالصی آهن در مواد اولیه، نوع کوره، آتمسفر و دما…) می‌توان شیشه‌های کاملاً بی‌رنگ تولید نمود.

در زمان‌های قدیم برای بی‌رنگ کردن شیشه‌ها از ترکیبات منگنز استفاده می‌نمودند که با واکنش زیر
( + + )

باعث اکسیداسیون و بی‌رنگی شیشه می‌گردید. اما شیشه‌های فوق در صورتی که زمان‌های طولانی در معرض تابش نور خورشید قرار می‌گرفتند ه اصطلاح دچار آفتاب‌زدگی گردیده و به رنگ بنفش پررنگ در می‌آمدند.
علت این امر را اینگونه می‌توان توضیح داد که اشعه فرابنفش نور خورشید باعث برگشت واکنش بالا از سمت راست به چپ می‌گردید که نتیجه آن و بود.
(لازم به یادآوری است که بی‌رنگ و بنفش رنگ می‌باشد.) امروزه دیگر از ترکیبات منگنز برای بی‌رنگ‌سازی استفاده نمی‌گردد. البته در مورد زوج‌های یونی Mn-As، Fe-As یا چندین زوج حاوی سریوم نیز پدیده آفتاب‌زدگی مشاهده گردیده است. “آفتاب‌زدگی” شیشه‌های جدید معمولاً منجر به ایجاد‌‌هاله‌ای قهوه‌ای رنگ در آن می‌گردد.

2-7- اکسید سریم
سریم‌، عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ce و عدد اتمی‌58 می‌باشد. سریم‌، عنصر فلزی خاکستری رنگی است که به گروه لانتانیدها تعلق دارد. این عنصر در برخی از آلیاژهای غیر متداول در طبیعت بکار می‌رود و شکل اکسید شده آن در صنعت شیشه مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نظر رنگ و درخشش شبیه آهن است، اما هم نرم بوده و هم چکش‌خوار و انعطاف پذیر است.
به‌علت نزدیکی نسبی 4f و اوربیتالهای مدار بیرونی در سریم‌، این عنصر خواص شیمیایی جالب توجهی از خود نشان می‌دهد، مثلا” فشردن این عنصر وقتیکه در حال سرد شدن است، حالت اکسیداسیون آنرا از تقریبا” 3 به 4 تغییر می‌دهد سریم در حالت اکسیداسیون 3+، Cerous و در حالت اکسیداسیون 4+، Ceric نامیده می‌شود. نمکهای سریم (IV) نارنجی‌، قرمز یا زردفام هستند، درحالیکه نمکهای سریم (III) معمولا” سفیدند.اکسید سریم(شکل 2-10) معمولا به صورت پودر زرد رنگ ظاهر می‌شود. اکسید سریم در آب قابل حل شدن نیست و در اسیدهای معدنی قوی حل می‌شود. از نظر فیزیکی این اکسید می‌تواند به صورت پودر، ذرات درشت، ذرات شکری‌، قرص و حتی پودر نانو باشد. خواص فیزیکی اکسید سریم در جدول 2-4 بیان شده است.

(جدول 2-5) خواص فیزیکی اکسید سریم
172.1142
وزن مولکولی
g/cm3 as a

دیدگاهتان را بنویسید