شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

شیشه ها

مقدمه:

دراین مقاله ها در مورد انواع مختلف شیشه و برخی از کاربردهای آنها صحبت می کنیم.
شیشه ها یکی از انواع مهم موادمهندسی محسوب می شوند. این مواد در پنجره ها، ساخت بطری، لیزرها، الیاف نوری، عایق ها، لعاب کاری (glazing) ومینا کاری (enamelihg)، چاقوی جراحی، وسایل هنری وتابلوهای راهنمایی - رانندگی استفاده می شوند.
شیشه ها معمولا بازیافت می شوند واز این رو دوستدار محیط زیست هستند.مصریان آثار شیشه ای متنوعی بر جای گذاشته اند ولی آنها اولین کسانی نبودند که از این ماده استفاده می کردند.در دوران های دیرینه سنگی (paleolithic Times) شیشه های اولیه و شیشه های طبیعی (Obsidian: نوعی شیشه ی مصنوعی بدست آمده از آتش فشان ها ) بسیاراهمیت داشتند به خاطر اهمیت زیاد این ماده می توان گفت که شیشه نقش مهمی در شکل دهی تمدن ما داشته است.
به هر حال تعریفات مختلفی برای شیشه ها بیان شده است. دراین مقاله سعی می کنیم بگوییم چرا واژه های شیشه ای (glassy)، زجاجی (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگی برای توصیف شیشه استفاده می شوند. همچنین سعی داریم جواب این سوال را بدهیم که: «شیشه چیست؟»
هنگام مطالعه ی این مقاله باید دو ذهنیت را داشته باشید:
1) ادعای Sturkey:"شیشه در دماهای بالا یک محلول شیمیایی است."
2) اگر شیشه که مایع فوق سرد شده است، پس جامد نیست وبنابراین یک ماده ی سرامیکی نیست (اما شیشه یک ماده ی سرامیکی است)

تعریف

تعریف کلاسیک شیشه براساس روش تاریخی تشکیل آن انجام شده است. البته این روش تعریف یک روش بسیار غیر معقولی برای تعریف هر ماده است. این مسئله باعث شده است تا امروز شیشه به چندین روش مختلف تعریف شود:
تعریف کلاسیک: شیشه یک مایع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراین تعریف این است که در برخی موارد می توان یک شیشه ی ویژه را به روشی تولید کرد که هیچگاه درحالت مایع قرار نداشته باشد.
ASTM شیشه را به صورت زیر تعریف کرده است:
"شیشه یک محصول غیر آلی از ترکیبی مذاب است که بدون آنکه کریستالی شود، سرد وصلب می گردد."
این تعریف نیز همان چیزی است که در تعریف کلاسیک آمده است. اما دراین تعریف شیشه ی پلیمری استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش تولید برای تعریف یک گروه از مواد ایده آل و مناسب نمی باشد.

تعاریف دیگر :

1)" شیشه یک ماده ی جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمی دهد."
نداشتن نظم دوربعد یعنی ساختار شیشه درفواصل یک، دو یا سه برابر فاصله ی اجزای سازنده، دارای نظم نیست. این تعریف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و... استوار است اما این تعریف نیز کمی قراردادی است زیرا به اندازه ی اجزاء تشکیل دهنده بستگی دارد.
2)" شیشه یک مایع است که قابلیت جاری شدن خود را از دست داده است."
این تعریف استوار است اما از تعریفی که بوسیله ی ASTM ارائه شده است فراگیرتر است .همچنین این تعریف از خاصیت مکانیکی برای تعریف شیشه استفاده می کند. درحقیقت این تعریف عملاً با دیدگاه فیزیک مدرن درباره ی شیشه مطابقت دارد.
اکثر شیشه هایی که ما در مورد آنها توضیح می دهیم، شیشه های با شبکه ی اکسیدی است . (مخصوصاً سیلیکات ها) تعریف ما از چنین شیشه هایی عبارتست از:
تجمعی جامد از تتراگونال هایی است که می توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته این مواد نظم دور بعد ندارند.
دراین مقاله ما تنها درمورد شیشه های سرامیکی بحث می کنیم اما باید بدانیم که علاوه بر شیشه های سرامیکی، شیشه های فلزی و پلیمری نیز وجود دارد. شیشه های فلزی ترکیبات پیچیده ای هستند که در آنها عمل کریستالیزاسیون انجام نشده است. این مسئله بوسیله ی سریع سرد کردن فلز مذاب بوجود می آید.(این فرآیند اسپلات کوئنچینگ نامیده می شود). درادامه به بیان ویژگی شیشه ها می پردازیم:

ساختار

شیشه ها در اصل جامد های غیر کریستالی (یا آمورفی) هستند که در اغلب موارد از فریز شدن یک مایع فوق سرد شده بدست می آیند. دراین موارد نظم دور برد در آرایش اتمی وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زیر 1nm) وجود دارد. این مواد دارای آرایش منظمی از سلولهای واحد نیستند.همانگونه که گفتیم شواهدی وجود دارد که ثابت می کند در شیشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.این نظم کوتاه برد به دلیل آرایش اتمی درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ی کوتاه) بدست می آید. تلاش های فراوانی برای توصیف شیشه ها انجام شده است. که به بیان علت تشکیل شدن یا نشدن شیشه ها بحث می کند. دراین زمینه ما ازدو دیدگاه به شیشه ها نگاه می کنیم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنیتیکی کریستالیزاسیون
درمورد اول ما به بیان هندسه ی اجزای تشکیل دهنده ی شیشه ها می پردازیم. همچنین دراین زمینه به بیان پیوندهای بین اتمی واستحکام پیوندها می پردازیم . درمورد دوم ما به بیان چگونگی دگرگونی های مایع به جامد در طی فرآیند سرد شدن می پردازیم.
دمای تبدیل شدن شیشه ای ( Tg )
درشکل 1 نموداری نشان داده شده است که در آن حجم ویژه به عنوان تابعی از دما رسم شده است.

این دیاگرام فرمی از دیاگرام استعاله ی دما – زمان (T.T.T) برای شیشه است. درهنگام سرد شدن مایع از دمای بالا دو پدید ه ممکن است در نقطه ی انجماد (Tm) اتفاق می افتد که عبارتند از :
1) اگر مایع کریستالیزه شود تغییرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کریستالیزاسیون اتفاق نیفتد، مایع به حالت فوق سرد شده تبدیل می شود و حجم در نزدیک دمای ذوب کاهش می یابد.
دردمای تبدیل شدن شیشه ای (Tg)، شیب نمودار کاهش می یابد و به شیب جامد کریستالی نزدیک می شود. این شکستگی بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ی گذرگاه مایع فوق سرد شده به شیشه است. زیر دمای Tgساختار شیشه درحالت آسایش نیست زیرا این مواد اکنون جامد هستند. دراین ناحیه از Tg ویسکوزیته تقریبا است. ضریب انبساط حالت شیشه ای معمولا نزدیک به ضریب انبساط جامد کریستالی است. اگر از سرعت های سرد کردن پایین تر استفاده شود، میزان آسایش ساختار افزایش می یابد. ومایع فوق سرد شده در دمای پایین تر تشکیل می شود. و شیشه ی حاصله ممکن است دانسیته ی بالاتری بدست آورند. (همانگونه که در شکل 1 دیده می شود)
فیزیک شیشه جنبه ی تردی آن را مورد بررسی قرار می دهد. در واقع این ویژگی یک ویژگی مایعات شیشه ساز در بالای دمای Tgاست واندزه ای از استعکام پیوندهای بین اتمی است. در ادامه ما درمورد شیشه ی نامحلول در آب یا بطری های شیشه ای آب صحبت می کنیم. البته چیزی که آگاهی کمتری از آن است این است که ما می توانیم آب را با سریع سرد کردن در اتاق مایع به حالت شیشه ای در آوریم. ماده ی حاصله یک شیشه ترد است اما این مسئله فهمیده شده است که بیشتر آب موجود در جهان به همین شکل وجود دارد.
تاریخچه
شیشه ماده ای است که پیوندی عمیق با تاریخچه ی انسان دارد. یکی از شواهد این مسئله استفاده از ابسیدیان (obsidian) یک شیشه ی طبیعی توسط بشر است. هیچ کس نمی داند که اولین جسم شیشه ای در چه زمانی ساخته شده است. قدیمی ترین یافته ها به 7000 سال پیش از میلاد برمی گردد. (البته ممکن است یافته هایی پیش از این تاریخ نیز وجود داشته باشد). درکاوش های باستان شناسی در بین النهرین روش های تولید شیشه کشف شده است . این کارها 4500 سال پیش از میلاد مسیح بوده است ومربوط به روش های تولید وسایل شیشه ای بوده است نه لعاب های مورد استفاده در وسایل سفالی. استفاده از شیشه در لعاب کاری سفال حتی به دوران های پیشین می رسد.

تقریبا در 3000 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری شروع به تولید جواهر آلات شیشه ای و ظروف شیشه ای کوچک کردند. شیشه هم به عنوان یک جسم دکوری وهم به عنوان یک وسیله ی مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می آمد. قطعاتی از جواهر آلات شیشه ای در کاوش های اطراف کوه های مصر پیدا شده است. مثالی از این جواهرآلات شیشه ی فیزوزه ای آبی است که در شکل 2 دیده می شود. تقر یبا 1500 سال پیش از میلاد مسیح شیشه گران مصری ( در دوره ی touthmosis سوم ) روشی برای تولید قطعات تو خالی قابل استفاده، توسعه دادند. یک مثال قابل توجه از این نوع ساختار یک شیشه ی توخالی است که شبیه به سرماهی است (شکل 3) این ظرف بین سال های 1352 و 1336 قبل از میلاد ساخته شده است واین نظریه وجود دارد که برای نگه داری روغن خوش بو استفاده می شده است.

الگوی موجی این ظرف بسیار خاص است. در واقع این ظرف بوسیله ی کشیده شدن یک جسم تیز به شیشه ی خمیری شده تولید شده است.
نویسنده ی رومیPliny Fhe Elder (23-79 میلادی) اختراع شیشه را به صورت زیر توصیف می کند:
روزی یک کشتی که متعلق به چند تاجر نیتروم (Nitrum) بود در کنار ساحل لبنان کنونی توقف می کند. هنگام پخت غذا به دلیل نبود سنگ در ساحل، خدمه کشتی از کلوخ های نیترومی که در کشتی وجود داشته است. استفاده می کنند تا بتوانند دیگ غذا را در مکان مناسب استقرار دهند. پس از آنکه آتش روش شد، کلوخه ها با ماسه های ساحلی واکنش داده و تشکیل شیشه ی مذاب می دهد. این اولین منشع پدید آمدن شیشه است.
نیتروم (Nitrum) یک نوع سدیم کربنات (Soda) طبیعی است .این ماده یکی از اجزای مهم در شیشه های قدیمی و مدرن است. خاکستر گیاهان نیز یک منبع فقیر از سدیم برای شیشه گران فراهم می کند. گیاهان علف شوره (Saltwort) و رازیانه ی آبی (glass wort) از جمله گیاهانی هستند که برای مهیا شدن سدیم از آنها استفاده می شده است.
یکی از معمولی ترین روش ها برای شکل دهی شیشه روش دمش هوا است. اگر چه این تکنیک بیش از دوهزار سال پیش توسعه یافت، لوله های تولیدی به روش دمش در طی زمان تغییری نکرده است. توسعه ی عمده که دراین زمینه انجام شده است، روش دمش اتوماتیک است که برای تولید شیشه های بطری و حباب های لامپ استفاده می شود. دراین روش به قطعه ای شیشه در داخل قالب هوا دمیده می شود. و بدین شکل شیشه به شکل قالب در می آید. مهمترین مرحله ی رشد در تاریخ شیشه سازی مخصوصا درطی قرن بیستم مربوط به توسعه های اتفاق افتاده در زمینه ی تکنولوژی های تولید می باشد. این توسعه ها منجر به کاهش هزینه ی تولید محصولات شیشه ای می شود

در ادامه به بیان خواص شیشه ها می پردازیم:

ویسکوزیته ( η )

ویسکوزیته یک ویژگی کلیدی شیشه هاست.ما نیاز داریم تا درمورد ویسکوزیته ی شیشه در دماهای مختلف اطلاع داشته باشیم. و بتوانیم دمای مورد نیاز برا ی شکل دهی وآنیلینگ آن را تشخیص دهیم. ویسکوزیته یک ویژگی مکانیکی است. فرمول ویسکوزیتد به صورت زیر است:

دراین فرمول:
η : ویسکوزیته، F: نیروی مورد نیاز برای کشیدن یکی از صفحات موازی که در میان آنها مایع مورد نظر قرار دارد: ،d: فاصله ی صفحات، A: مساحت صفحات، V: سرعت حرکت صفحه. ویسکوزیته در واقع پاسخ یک مایع دربرابر تنش برشی است. مایعات دارای ویسکوزیته ای هستند که با واحد سانتی پوآز (CP) اندازه گیری می شود. واحد اندازه گیری ویسکوزیته ی گازها میکروپوآز(mp) است.

جدول 1 لیستی از اعداد ویسکوزیته ای است که برای فرآیندهای شیشه سازی مهم هستند. اعداد داده شده در جدول 2 نیز برای تعریف ویژگی های برجسته ی شیشه (با تأکید بر روی فرآیند) آورده شده است. بسیاری از اعداد آورده شده درجدول ویسکوزیته ها استاندارد هستند مثلا (2003) ASTMC338-93 یک روش تست استاندارد است که نقطه نرم شدگی شیشه بوسیله ی آن تعیین می شود.
محاسبه ی نقطه ی نرم شدگی شیشه بوسیله ی اندازه گیری دمایی که در آن یک فیبر شیشه ای استوانه ای با قطر طول بوسیله ی وزن خودش تغییر طول می دهد. نرخ تغییر طول یک میلی متر بردقیقه است . در این روش 100 میلی متر از بخش بالایی فیبر بوسیله ی کوره ی خاصی با سرعت گرم شدن گرم می شود.

ویسکوزیته ی برخی ازمایعات عمومی در جدول 2 آورده شده است. توجه کنید که در دمای کارپذیری شیشه ویسکوزیته ای شبیه به عسل در دمای اتاق دارد. به طور نمونه برای یک شیشه ی سیلیکاتی سودالایم این ویسکوزیته در دمای بدست می آید. این جدول همچنین نشان می دهد که یک جامد دارای ویسکوزیته ای بیش از دسی پو آز است. ویسکوزیته ی به طور نمایی با تغییر دما ، تغییر می کند ( همانگونه که در شکل 1 برای انواع شیشه ی سیلیکاتی دیده می شود.) دمای فیکتیو (fictive temperature) دمایی است که در آن ساختار مایع به حالت شیشه ای تبدیل می شود. این دما بوسیله ی تقاطع منحنی های برونیابی شده در حالت دما بالا و دما پایین در نمودار ویسکوزیته – دما بدست می آید. دمای فیکتیو (Tf) مانند Tg به تبدیلات ساختاری شیشه بستگی دارد. البته Tg اندکی کمتر از Tf است.

شکل 2 وابستگی ویسکوزیته به دما را برای اکسیدهای شیشه ساز نشان می دهد. شما باید توجه کنید که بوسیله ی شیب این خطوط می توان انرژی اکتیواسیون جریان ویسکوز (EV) را بدست آوریم.

جدول 3 اعداد ویسکوزیته وسرعت های کریستالیزاسیون (v) برخی شیشه ها را نشان می دهد. سرعت کریستالیزاسیون مربوط می شود به سرعت تبادل مایع/جامد. V بسیار کم بیان کننده ی قابلیت شیشه سازی استثنایی ماده است.البته کریستالیزاسیون مذاب جامد شده ی سیلیس بسیار مشکل است.

روش های متعددی برای اندازه گیری ویسکوزیته وجود دارد. این روش ها با توجه به میزان ویسکوزیته انتخاب می شود.

شماتیک دو روش اول اندازه گیری ویسکوزیته در شکل 3 نشان داده شده است:

شیشه ( خلاصه ای از خواص )
 

شیشه ماده ای خنثی است. این مسئله به محیط بستگی دارد. اگر شیشه یک ماده ی سیلیکاتی باشد، این مسئله درست است . البته همه ی شیشه ها خنثی نیستند. مثلا بیوگلاس (bioglass)
شیشه یک ماده ی هموژن است. این مسئله نیز به نحوه ی شکل دهی و ترکیب شیمیایی شیشه بستگی دارد. ما می توانیم با استفاده از فرآیندهای خاص شیشه را به صورت غیر هموژن در آوریم.
شیشه می تواند تغییر شکل دهد. این مسئله عموماً درست می باشد و دلیلی است برای قابلیت بازیافت شیشه ها. برخی از شیشه ها به نحوه ای ساخته می شوند که بوسیله ی نور، انتشار نور در داخل آن وتابش نور و...تغییر ماهیت می دهد.
شیشه دارای ضریب انبساط کوچک است. البته همه ی شیشه ها مناسب استفاده شدن در کاربردهای حرارتی مانند ظروف پیرکس نیستند.
شیشه ها شفاف اند (trans Parent) این خاصیت برای الیاف نوری ضروری است. البته ما می توانیم با انجام عملیات های خاص شیشه به صورت اپک یا مات در آوریم.
بسیاری از شیشه های اولیه شفافیت کامل نداشتند زیرا در ساختار آنها ناخالصی وحباب هوا وجود داشت.
شیشه ارزان است. البته این مسئله برای شیشه های پنجره صحیح است. اما درمورد فیلم های نازک شیشه ای این مسئله صحیح نمی باشد. برخی از شیشه های قرمز رنگ بوسیله ی دپینگ (doping) طلا در آنها تولید می شود. که قیمت برخی از ظروف تولیدی از آن به پیش از 50 دلار می رسد.
شیشه یک ماده ی بالک است مگر در حالتی که آن را به صورت یک فیلم نازک ، یک فیلم انیتر گرانولار (IGF) یا یک سرامیک کریستالی رشد دهیم.

برخی از خواص مکانیکی شیشه

استحکام تئوریک شیشه ی سیلیکاتی درحدود 10GPa است. البته با حضور عیوب سطحی (ترک ها وجوانه ها ) این استحکام کاهش می یابد. شیشه ها موادی الاستیک هستند اما تحت کشش می شکنند. می توان استحکام این مواد را بوسیله ی ایجاد لایه های سطحی فشرده و یا بوسیله ی از بین بردن ترک های سطحی (با اسید شوئی یا پدید آوردن پوشش محافظ) افزایش داد. مثالی از این روش ها پدید آوردن ترک های اضافی در ساختار قطعات شیشه ای تزئینی به منظور بهبود خواص مکانیکی آنهاست. در این روش از سرد کردن شیشه ی مذاب در آب جهت ایجاد تنش های اضافه بهره برده می شود . در این حالت سطح قطعه ی شیشه ای مذاب زودتر از مرکز آن سرد می شود و بنابراین تنش های اضافی پدید می آید. قطعات جامد شده به این شیوه را می توان با چکش و بدون اینکه بشکنند چکش کاری کرد.

برخی از ویژگی های الکتریکی شیشه

شیشه معمولا دارای مقاومت الکتریکی بالایی است. که علت آن تفاوت زیاد میان باندهای انرژی (گپ بزرگ) در این ماده است. در مواردی که شیشه رساناست . بار بوسیله ی یون ها منتقل می شود.(در این مورد یون های قلیایی مانند دارای سرعت انتقال بار بالایی هستند). در واقع به همین دلیل است که با افزایش دما رسانایی به شدت افزایش می یابد. رسانایی درشیشه های مختلف، متفاوت است.علت آن متفاوت بودن نوع شبکه ی این شیشه هاست. در شیشه هایی که دارای بیش از یک یون قلیایی هستند. پدیده ی جالبی رخ می دهد. رسانایی تولیدی در این نوع شیشه ها به طور مشخصی از شیشه های دارای یک یون کمتر است. این نوع شیشه ها در کاربردهای مختلف مانند لامپ های با توان بالا استفاده می شوند. ثابت دی الکتریک شیشه واقعاً بالاست اما نه به حدی که بتوان از آن در کاربردهای حافظه ای پیشرفته مانند حافظه ی با دستیابی دینامیک و رندوم (DRAMS) استفاده کرد. ظرفیت الکتریکی یک ماده میزان بار ذخیره شده در داخل ماده است. این خاصیت به ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. همانطور که ضخامت دی الکتریک کمتر می شود، ظرفیت الکتریکی افزایش می یابد. اما کم کردن ضخامت نیز مشکلاتی به همراه دارد. مثلا با کاهش ضخامت احتمال شکست دی الکتریک بیشتر می شود. شیشه ی سیلیسی دارای مقاومت دی الکتریک بالاتری نسبت به سایر شیشه هاست. اما مقاومت این دی الکتریک نیز در حد دی الکتریک های پلیمری مانند رزین فنولیک نیست.

برخی از خواص اپتیکی شیشه

شفافیت دربرابر نور فرا بنفش ، مرئی و فرو سرخ به چندین فاکتور بستگی دارد. یکی از این فاکتورها طول موج تفرق است که بوسیله ی ناخالصی ها تغییر می کند. لبه ی فرو سرخ (IRedge) و لبه ی فرا بنفش ((uv edge اعدادی هستند که نشان دهنده ی فرکانس قطع شدن عبور این موج ها هستند. یک مانع لبه UV edge blocker)UV) از عبور UV جلوگیری می کند و این در حالی است که یک عبور دهنده ی لبه یUV (UV edge tran Smitter) اجازه ی عبور نور UV را می دهد.

عیوب در شیشه ها

اگر چه شیشه یک ماده ی آمورف است ولی مانند مواد کریستالی دارای عیوب و رسوبات است. و همچنین دچار جدایش فاز می شود. شیشه را می توان برای حبس کردن عناصر رادیو اکتیو استفاده کرد .در این عناصر مانند عیوب نقطه ای یا فاز ثانویه تشکیل می شوند. همچنین سرعت نفوذ این عناصر از میان شیشه بر روی میزان آن ها در شیشه تأثیر دارند. این مسئله استفاده می شود تا بتوان مواد رادیو اکتیو یا سایر مواد را کنترل کرد.

شیشه ی غیر هموژن

به دلیل آنکه شیشه یک مایع فوق سرد شده است. نمی توان گفت که این ماده حتما باید هموژن باشد. شیشه های خاص می توانند بدون نیاز به فرآیند کریستالیزاسیون به دو فاز تبدیل شوند. هنگامی که این دو فاز شیشه ای باشند این مسأله باعث می شود که سدی در برابر جدایش فازی پدید نیاید. در مورد فرآیند جدایش فازی مایع – مایع ممکن است مرحله ای برای جوانه زنی وجود داشته باشد. البته در این نوع تبدیلات ممکن است استعاله ی اسپینودال (Spinodal) نیز رخ می دهد. که هر دوی این استعاله ها به نفوذ وابسته اند.
قوانین امتزاج ناپذیری در شیشه ها بسیار مهم است. این مسئله مخصوصاً در شیشه های تولید شده با تکنولوژی روز نمود دارد. برای مثال امتزاج ناپذیری در شکل دهی شیشه – سرامیک ها ، تولید شیشه ی وایکور (Vycor) و شیشه های اپتیکی و تشکیل رسوب در شیشه ها مهم می باشد. بسیاری از اکسیدهای دوتایی و سه تایی در کنار سیلیس از خود مشکلات امتزاج پذیری نشان می دهند.
در دیاگرام فازی ناحیه ای وجود دارد که یک مایع به دو مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این ناحیه گپ امتزاج پذیری (imisciblity gap) نامیده می شود. در زیر برخی از سیستم هایی که مشکل امتزاج پذیری دارند را نام برده ایم:

شکل 4 دیاگرام فازی را نشان می دهد. در دمای پایین و در گوشه ی غنی از سیلیس دیاگرام ، فاز مایع به دو بخش مایع با ترکیب شیمیایی متفاوت تبدیل می شود. این دو مایع به صورت دو شکل گنبد مانند در شکل نشان داده شده اند. خط تیره نشان دهنده ی خط تقریبی ناحیه ی امتزاج ناپذیری است. مشکلی که در اندازه گیری این خط وجود دارد. این است که این پدیده در دمای پایین رخ می دهد و از این رو سرعت آن پایین است . و از این رو اندازه گیری آن مشکل است. دراین وضعیت میل جدایش فازی بیشتر از میل به کریستالیزاسیون است . البته کریستالیزاسیون مساعد تر از جدایش فازی است اما به دلیل آنکه جدایش فازی نیازی به باز آرایی اتم ها ندارد، این پدیده رخ می دهد. به عنوان یک قانون کلی برای سیلیس باید گفت که امتزاج ناپذیری با افزودن افزایش می یابد اما با افزودن کم می شود. در شیشه های وایکور از قوانین جدایش فازی استفاده می شود. در فرآیند تولید شیشه وایکور، شیشه ای پدید می آید که دارای و 4 درصد تخلخل است.این نوع شیشه به عنوان فیلتر وبیومواد مخصوصا در جاهایی که تخلخل مهم می باشد، استفاده می شود. در فرآیند تولید وایکور، شیشه ای تولید می شود که پس از فرآیند شکل دهی دنس می گردد و شیشه ای با سیلیس خالص پدید می آید که در دمای پایین تر نسبت به کوارتز خالص شکل دهی گشته است

شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی

شیشه های آلومینیوم –ایتریایی (YA) دارای درصد آلومینایی در گسترده ی تقریبی 75.6- 59.8 هستند. با این درصد آلومینایک شیشه ی دو فازی تشکیل می شود که در آن یک فاز قطره مانند در فاز دیگر تشکیل شده است. این شیشه به طور خود بخودی به صورت شیشه ی آلومینیوم – ایتریمی یا مخلوطی از تبدیل می شود. درشیشه های YA پدیده ای به نام پلی مورفیزم (Polymorphism) رخ می دهد

شیشه ی رنگی

اگر چه در بیشتر کاربردهای شیشه نیاز است تا این ماده بی رنگ باشد اما در برخی از کاربردها نیاز است شیشه رنگی باشد. هنگامی که پنجره های یک کلیسا رنگی باشد، تأثیر پذیری ازمحیط بیشتر می شود . درشیشه ها معمولا بوسیله ی افزودن اکسیدهای انتقالی و یا اکسیدهای عناصر خاک های کمیاب (rave –eavth) به بچ ماده ی اولیه ی آنها، رنگی می شوند. جدول 1 لیستی از رنگ های تولیدی بوسیله ی مواد رنگی کننده ی شیشه هاست . زرد کم رنگ، نارنجی و رنگ های قرمز بوسیله ی فلزات گران بها درحالت کلوئیدی تولید می شود. طلا (Au) رنگ قرمز، یا قوتی تولید می کند. (البته این شیشه ها گران قیمت هستند). سولفید کادمیم (cds) محصولاتی با رنگ زرد تولید می کند. اما هنگامی که علاوه بر se ، cds نیز استفاده شود. محصولاتی با رنگ قرمز یا قوتی با شدت رنگ بالا تولید می شود.

شیشه بوسیله ی افزودن دوپانت ها (dopants) رنگرزی می شوند. در واقع با افزودن این دو پانت ها در شیشه عیوب نقطه ای پدید می آوریم. رنگ شیشه به نوع دو پانت و حالت اکسیداسیون آن بستگی دارد.
دو پانت ها می توانند اثر بی رنگ کننده (decdorizo) ، پوشش دهنده (mask) یا اصلاح کننده (modify) داشته باشند. ما می توانیم اثرات رنگی آهن را بوسیله ی افزایش cr خنثی کنیم؛ البته اگر درصد زیاد باشد اضافی به صورت خارج می شود. اگر این شیشه به روش دمیدن شکل دهی شود، این پلیت لت های منظم گشته و شیشه ای اپک به نام آونتورین کرومی (chromium aventurine) تولید می کنند. مس (cu) برای تولید شیشه ی آبی مصری (Egyptian Blue glass) استفاده می شود.
CO (کبالت ) دربرخی از شیشه های پالایش یافته ی تولید در قرن دوازدهم استفاده می شده است. البته Co در تولید لعاب های پرسلانی مورد استفاده در چین ( در دوره ی سلسله ی منیگ وتانگ) استفاده می شده است. کبالت مورد استفاده در این لعاب ها رنگ آبی کبالتی تولید می کند.
با افزودن Se به شیشه های دپ شده با Cds باعث پدید آمدن رنگ یاقوتی سلینومی (Selenium Ruby) می شود. جزئیات پدید آمده ازهر کدام از این رنگ ها به ترکیب شیمیایی و شرایط پخت شیشه بستگی دارد.
شرکت کورینگ (Cornig) میکرو بارکدهایی با شیشه دپ شده با خاکهای کم یاب تولید کرده است. خاکهای کم یاب دارای باندهای نشر کم پهنا هستند و از میان 13 عنصر خاکهای قلیایی که مورد آزمایش قرار گرفته ، تنها 4 عنصر (Tm,Ce,Tb و Dy) می توانند در برابر تابش UV برانگیخته شوند. و لذا می توان از آنها در شناسایی بوسیله ی UV استفاده کرد. این نوع بارکدها همچنین مشکلات تداخل با سایر بارکدها را نیز ندارد. از این بارکدها در کاربردهای بیولوژیکی استفاده می شود زیرا سمی نیستند.(البته بر چسب زنی با کوانتوم دات ها خطرات کمتری دارد) و می توان از آنها در کاربردهای ژنتیکی استفاده کرد. با استفاده از چند عنصر خاکی کمیاب می توان ترکیب رنگی بیشتر پدید آورد.
شیشه های رنگی خاص شامل موارد زیر می شود :

شیشه ی یاقوتی یا کرانبری ( Cranberry )
 

شیشه ی یاقوتی با افزودن Au به شیشه سربی با حضور Sn پدید می آید. شیشه ی کرانبری که اولین بار در سال 1685 گزارش شده است، یک نوع شیشه ی بی رنگ (معمولاً صورتی کم رنگ ) است. علت پدید آمدن این رنگ در صد کم طلای موجود در آن است . راز تولید شیشه قرمز رنگ برای قرن ها ی زیادی گم شده بود و در قرن هفدهم دوباره کشف شد.

شیشه ی اورانیومی یا وازلینی

محصولات اورانیومی هنگامی که در شیشه ی با سرب بالا استفاده شود، رنگ قرمز تیره تولید می کند. البته شیشه های اورانیومی دیگری نیز وجود دارد که با صطلاح به آنها شیشه های وازلینی (Vaseline glass) می گویند. این نوع شیشه ها دارای رنگ سبز هستند. مسأله ای که این نوع شیشه ها را خاص کرده است این است که این نوع شیشه ها هنگام تابش اشعه ی UV به آنها ، خاصیت فلئورسانس پیدا می کنند. از سال 1940 تنها اورانیوم تهی شده (uranium depleted) به عنوان دو پانت استفاده می شود. علت استفاده از این نوع دو پانت، فراوانی آن است. اما از 100 سال گذشته به بعد اورانیوم طبیعی (natural uranium) استفاده می شود.

شکل 1 مثالی از یک شیشه ی وازلینی است.

لیزر شیشه ای

عناصر خاکهای کم یاب (rave – earth elements) مانند Nd در تولید شیشه های لیزر و سایر وسایل اپتیکی کاربرد دارند. (شکل 2) . لیزر شیشه ای دپ شده با Nd (Nd-doped glass laser) مانند یک لیزر یاقوتی (ruby laser) کار می کند . اگر چه نوع شیشه ای دارای تفاوت هایی است . میله ی لیزر قطری بین اینچ دارد و معمولا بوسیله ی یک لامپ حلزونی تخلیه می شود. علت استفاده از لامپ های حلزونی این است که طول غیر بار دار این نوع لامپ ها از لامپ های خطی طولانی تر است. لیزر شیشه ای دپ شده با Nd دارای بازدهی بیش از 2% است. این بازده 4 برابر بازده یک لیزر یاقوتی است. به دلیل آنکه رسانایی گرمایی شیشه پایین است بنابراین نیاز به زمان بیشتری برای خنک سازی است.

رسوبات در شیشه

وجود رسوبات در شیشه عموما اجتناب ناپذیر است. سوال این است که چه زمانی طول می کشد تا رسوبات تشکیل شود. (مخصوصا اگر جوانه زنی هموژن باشد). ما ممکن است عوامل هسته زا برای تسریع جوانه زنی به شیشه اضافه کنیم. جوانه زنی کریستال ها در شیشه از تئوری کلاسیک پیروی می کند. رسوبات تشکیل شده در شیشه می تواند موجب رنگی شدن شیشه شود.

شیشه به عنوان لعاب

لعاب ها مانند شیشه ها در همه جا دیده می شوند. لعاب کاری (glazing) استفاده از ویژگی های ویسکوز شیشه و تشکیل یک لایه ی یک پارچه و صاف بر روی یک زیر لایه ی سرامیکی است.
مینا کاری (enameling) تشکیل همان لایه بر روی یک زیر لایه ی فلزی است. چیزی که باید به آن توجه کرد این است که عموما لعاب ها قدمت زیادتری دارند. در ادامه به بیان برخی از اصطلاحات لعاب می پردازیم:

زیر لعاب ( underglaze )

هنگامی که یک بیسکوییت سرامیکی را می خواهیم مورد عملیات دکور قرار دهیم باید قبل از آن یک لعاب کاری بر روی آن انجام دهیم که این نوع لعاب را زیر لعاب گویند. این لایه به علت تشکیل بهتر دکور بر روی بدنه اعمال می شود. پس از آن که فرآیند دکوراسیون جسم سرامیکی انجام شود برروی آن یک لعاب دیگر اعمال می شود. البته این لعاب پیش از پخت دکور اعمال می شود.
عیب کراولینگ لعاب ( glaze craweling ) این عیب که در لعاب اتفاق می افتد بدین صورت است که لعاب از لایه ی سرامیکی زیرین جدا می گردد. این پدیده به دلیل عدم ترشوندگی بیسکوییت سرامیکی بالعاب در طی فرآیند پخت اتفاق می افتد.
لعاب ترک خورده ( crackle glaze )اگر انبساط گرمایی لعاب از سرامیک بستر بزرگ تر باشد، لعاب ممکن است در طی فرآیند سرد کردن (در طی پخت) بشکند. هنگامی که غلظت یون سدیم و پتاسیم در لعاب بیشتر باشد، ترک ها بیشتر پدید می آیند. هنگامی که سرعت سرد کردن بالا رود ترک های حاصل ریزتر می شوند.
لعابهای سلادون (celadon )، تنموکو (tenmoku)، راکو (raku) و کوپر ( copper) لعاب های ویژه ای هستند که در دنیای هنر سرامیک یافت می شوند.
لعاب های سلادوناین لعاب ها اولین بار در حدود 3500 سال پیش تولید شده اند. این لعاب ها دارای گستره ی رنگی از آبی کم رنگ تا سبز مایل به زرد هستند و می توانند رنگی کاملا تیره پدید آورند. رنگ تولیدی در این لعاب ها بوسیله ی آهن تولید می شود(3.o - o.5 در صد به لعاب افزوده می شود). ظروف لعاب خورده توسط این نوع لعاب سپس در دمای تقریباً پخت می گردند. ظروف تولید شده با این لعاب ها زیبایی خاصی داشته و در کاربردهای تزئینی استفاده می شوند. مثلا کوزه ی لعاب خورده با این لعاب که درکشور کره تولید شده است، درسال 1946 از سوی کشور کره به هاری ترومن رئیس جمهور آمریکا هدیه شد. امروزه این ظرف که 23cm ارتفاع دارد قیمتی برابر با 3 میلیون دلار دارد.
لعاب تنموکواین نوع لعاب در زمان سلسله ی سونگ (sung Dynasty) بوجود آمده است. و دارای رنگ قهوه ای تیره یا حتی سیاه است. برای ایجاد این رنگ میزان 8-5 درصد وزنی به لعاب افزوده می شود. تشکیل مناسب این نوع لعاب به شرایط اکسایش – کاهش اتمسفر پخت بستگی دارد. و در شرایط مختلف اکسایش و کاهش رنگ های متنوعی پدید می آید. در لعاب های کوپرنیز از کربنات مس به عنوان منبع Cuاستفاده می شود. البته در طی فرآیند پخت تجزیه گشته و Cuoباقی می ماند. Cuo تولید نیز با مونواکسیدکربن (CO) موجود در کوره واکنش داده تا ذرات مس در لعاب تشکیل شوند. این ذرات رنگ قرمز به لعاب می دهند.
لعاب های راکولعاب های راکو اغلباً لعاب هایی فلزی به نظر می رسند. (اگر بوسیله ی یک لایه از فلز Ti پوشش داده شده باشند)
یک روش پیشرفته در تولید لعاب های راکو بدین صورت است که ظروف سرامیکی به شیوه ی معمولی پخت می شوند سپس آنها را در داخل یک محیط کاهنده مانند خاک اره وارد می کنند و سپس آنها را قبل از آنکه بتوانند اکسید شوند، به سرعت سرد می کنند. این نوع لعاب ها اغلبا حالت استثنا داشته و می توانند با زمان تغییر کنند. این مسئله ساده است. زیرا آنها در طی فرآیندهای بعدی تولید اکسید می شوند. این نوع لعاب بر خلاف سایر لعاب ها خنثی نبوده و تنها برای دکوراسیون استفاده می شوند.
لعاب های کریستالی ( crystalline glaze )این نوع لعاب ها ، لعاب هایی دکوراسیونی هستند اما به طور مستقیم با تکنولوژی تشکیل شیشه – سرامیک در ارتباطند. کریستال ها بوسیله ی سرد کردن آهسته لعاب ایجاد می شوند. این سرد کردن آهسته به کریستال های لعاب اجازه ی رشد کردن می دهند. رشد این کریستال ها مد نظر است؛ زیرا لعاب ضخامت کمی داشته و از این رو کریستال ها باید به صورت پلیت لت (platelets) در آیند. برای آنکه عمل رشد کریستال ها بهتر انجام شود از جوانه زاهای تیتانیایی استفاده می شود. این نوع جوانه زاها در لعاب های باویسکوزیته ی پایین استفاده می شوند و در آنها تشکیل می شود. ترکیب شیمیایی این نوع لعاب ها بسیار مهم است. در آن و به میزان کم و Pbo به میزان 10-8 درصد وزنی استفاده می شود. رشد کریستال با اضافه شدن fe به لعاب افزایش می یابد. اما این اضافه شدن می تواند همچنین موجب پدید آمدن اثراتی بر سایر دو پانت های اضافه شده به لعاب شود.
سفالگران امروزی از به عنوان اصلاح کننده و تولید کننده ی کریستال های ویلمایت (Crystals Willemite) استفاده می کنند. (ویلمایت یک مینرال کمیاب از روی است). این تکنیک نیازمند مهارت ویژه است. زیرا افزودن مقادیر زیاد به لعاب باعث می شود ویسکوزیته ی آن حتی در دماهای پایین نیز کم باشد، بنابراین این مسئله باعث می شود که لعاب از روی سطح سفالی جریان پیدا کند. رشد اسفرولیتی (Spherulite growth) از جوانه زا در لعاب در شکل 3 نشان داده شده است. هر اسفرولیت در واقع توده ای از کریستال های شعاعی است که با توجه به مرکز اسفرولیت دورهم گرد آمده اند.

لعاب های اپک ( opaque glazes ) اگر به لعاب مذاب کریستال هایی افزوده شود، لعاب می تواند اپک شود. برای این کار می توان ازO_2 S_n یا زیر کن استفاده کرد. که زیر کن ارزان تر است . برای تولید رنگ سفید در لعاب های زیرکنی (Zircon glaze) استفاده می شود. برای اپک کردن کمتر از استفاده می شود زیرا کریستال های روتایل طلایی رنگ هستند. و بنابراین لعاب را به رنگ زرد در می آورند. ما همچنین می توانیم با تشکیل کریستال لعاب را اپک کنیم (مثلا ولاستونیت:. این کار بوسیله ی عملیات حرارتی مناسب، حبس کردن گاز (هوا یا ) ) و یا بوسیله ی جدایش فازی مایع – مایع انجام می شود. لعاب های مات (Matt glazes) بوسیله ی تشکیل کریستال های بسیار کوچک در لعاب بوجود می آیند (مثلا کریستال های ولاستونیت برای لعاب های مات – آهکی و وبلیمایت (:Willemite ) برای لعاب های مات – زینک). کریستال های ریز ولاستونیت بوسیله ی افزودن کلسیت به لعاب پایه سیلیس تشکیل می شود. یک روش دیگر برای این کار افزودن مقادیر زیادی از ماده ی کریستالی به لعاب است تا در طی فرآیند پخت درصدی از آن به صورت کریستالی باقی بماند

رنگ در لعاب و لعاب موضوعاتی هستند که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آنها به عمل آورده شده است. امروزه رنگ های جدیدی بوسیله ی افزودن نانو ذرات در لعاب پدید می آید. عموما نانو ذرات نقره و طلا رنگ طلایی بوجود می آورند. و نانو ذرات مس رنگ قرمز بوجود می آورند. توضیح در مورد نحوه ی پدید آمدن رنگ در لعاب واقعاً پیچیده تر از نحوه ی پدید آمدن رنگ در شیشه هاست. زیرا لعاب بر روی یک لایه اعمال می شود و از این سو نباید ترانسپارنت باشد. همچنین لعاب یک لایه ی نازک است و در اتمسفر مختلف (کاهنده – اکسید کننده) بوجود می آید از این دو بررسی عوامل موثر بر تشکیل یک لعاب مشکل است.

لعاب های رنگی ( Colored glazes )

در لعاب های رنگی باید از پیگمنت های سرامیکی با پایداری مناسب بهره برد. از اکسیدهای رنگ زای ارزان قیمت می توان برای ایجاد رنگ در محصولات متنوع سفالی بهره برد. البته بسیاری از مواد رنگ زا برای لعاب همانهایی هستند که ما برای رنگرزی شیشه از آنها استفاده می کنیم
اکسید کبالت یک اکسید سیاه رنگ است اما کمتر از یک درصد وزنی از آن در لعاب ایجاد رنگ آبی تیره می کند (اگر چه در بیشتر موارد از کربنات کبالت استفاده می شود).
به دلیل آنکه در این گونه لعاب ها بوجود می آید، ویسکوزیته ی لعاب تغییر می کند.
اکسید کروم که تا 3-2% وزنی نیز می تواند به لعاب افزوده شود به جای رنگ سبز، رنگهای زرد، صورتی یا قهوه ای بوجود می آورد (رنگ قرمز در حضور سرب در ترکیب لعاب اولیه پدید می آید. اگر Zn در لعاب اولیه وجود داشته باشد، رنگ لعاب قهوه ای می شود مگر آنکه سرب ها هم وجود داشته باشد. که در صورت وجود سرب و روی در لعاب اولیه رنگ زرد پدید می آید).
که به صورت کربنات به لعاب افزوده می شود، رنگ لعاب را به صورت قهوه ای در آورده البته این ماده می تواند رنگ قرمز، بنفش و حتی سیاه نیز تولید کند. که این تغییر رنگ به درصد سدیم موجود در لعاب اولیه بستگی دارد. افزودن Cuo به اندازه ی %2-1 وزنی به یک لعاب با سدیم بسیار کم سبب پدید آمدن رنگ فیروزه ای می شود. این درحالی است که افزودن بیش از 3% از این رنگ زا باعث پدید آمدن رنگ سبز یا آبی می شود. اگر درصد Cuo در لعاب افزایش یابد، لعاب ظاهری فلزی مانند مفرغ به خود می گیرد. اگر لعاب دارای 0.3– 2 درصد وزنی Cuo در اتمسفر کاهنده پخت شود، رنگ قرمز مسی پدید می آید. این رنگ به دلیل حضور ذرات کلوئیدی CU درلعاب بوجود می آید.
اگر یک لعاب رنگ زرد داشته باشد، این رنگ ممکن است بوسیله ی افزودن Cds یا Cdse بوجود آمده باشد. البته این نوع افزودنی های رنگ زا ممکن است رنگ های قرمز یا نارنجی را نیز پدید آورند. درصورت حضور سرب در این نوع لعاب ها ، Pds تشکیل می شود که باعث سیاه شدن لعاب می شود. زیرکن در صنعت برای کمک کردن به پایدار شدن این نوع رنگ ها (برپایه ی cd) استفاده می شود. درحقیقت (زیر کن وانادیومی آبی رنگ) و (pr,zr) (زیر کن پراسئودیومی زرد رنگ) مهم ترین تثبیت کننده های مورد استفاده در این رنگ هاست. هنگامی که اورانیوم به لعاب اضافه شود، به جای پدید آوردن رنگ زرد کم رنگ، رنگ قهوه ای تیره پدید می آید. (اورانیوم در شیشه های وازلینی تولید رنگ زرد کم رنگ می کند). البته بسته به ترکیب لعاب ، اورانیوم می تواند رنگ های قرمز یا نارنجی روشن نیز بدهد.

لعاب نمکی ( saltglaze )

دراین نوع فرآیند لعاب کاری سفال در کوره های با دمای بالا با نمک واکنش می دهد. در واقع سفالگر نمک را بر روی سفال اعمال می کند. این فرآیند هنگامی اتفاق می افتد که سفال در داخل کوره است. این فن بوسیله ی سفالگران ایرانی وانگلیسی در دهه ی 1700 ابداع گشته است. همچنین شما می توانید مثال های فراوانی از فرآیند رنگ آمیزی بوسیله ی اکسیدهای فلزی را در آلمان ببنید. در این نوع لعاب ها نمک با رس واکنش داده و تشکیل لایه ای شیشه ای بر روی سطح می دهد. این تکنیک دقیقاً فرآیند خوردگی خاک نسوز در دمای بالاست (بوسیله ی سود سوز آور).
واژه ی مینا (enamel) معمولا در هنگامی استفاده می شود که یک لایه ی لعابی بر روی فلز اعمال می شود. البته این واژه در هنگامی که یک لایه لعابی بر روی لعاب اولیه اعمال می شود نیز استفاده می شود. بازار مصرف مینا بسیار بزرگ است. این بازار از لوازم بهداشتی تا جواهر آلات گسترده است.

خوردگی شیشه و لعاب

این تصور وجود دارد که شیشه خنثی است اما باید بدانید که اسید سیتریک و اسید استیک موجود در غذاها و میوه ها می توانند بایون های موجود در شیشه واکنش دهند و ترکیبات کمپلکس پدید آورند. با خروج یون های قلیایی از داخل شیشه یون های هیدروژن مثبت جایگزین آنها می شود. هنگامی که بخواهیم استحکام سطح شیشه را افزایش دهیم باید یون های پتاسیم و سدیم مثبت را با لیتیم مثبت ( ) جایگزین کنیم. در شیشه ی آلایش یافته (Stain glass) می توان یون نقره ی مثبت و مس را جایگزین کرد.
همانند مواد کریستالی ، شیشه ها نیز دارای عیوب کریستالی اند. یکی از چالش هایی که ما با آنها روبرو هستیم محاسبه ی خواص بوجود آمده ازعیوب (مانند نفوذ) در شیشه هاست. زیرا در شیشه ها شبکه ی مرجع وجود ندارد.

انواع شیشه های سرامیکی

همه ی شیشه ها براساس تتراهدرال های سیلیسی ایجاد نمی شوند؛ واحدهای ساختاری این شیشه ها در جدول 1 آورده شده است. برخی از ترکیبات این شیشه ها نیز در جدول 2 آورده شده است.

شیشه ی سیلیکاتی ( سودالایم )

این شیشه ها بر پایه ی هستند. (معمولا این نوع شیشه ها علاوه بر این مواد دارای نیز هستند.) این نوع شیشه نستبا ارزان هستند و دارای دوام خوبی نیز هستند همچنین از این نوع شیشه به طور فراوان در صنعت بسته بندی و ساختمان استفاده می شود. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها ناچیز نیست. همچنین این نوع از شیشه ها عایق های خوبی نیستند. استفاده های عمده از این نوع شیشه در صفحات شیشه ای ،بطری ها ، وسایل غذا خوری و صنعت الکترونیک (حباب لامپ) است. شیشه های آلومینو سیلیکاتی قلیایی (= عنصر قلیایی) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی است. این نوع شیشه دارای دوام و خواص عایق کاری بهتری است. وهمچنین نسبت به سایر شیشه های هم گروه استحکام بالاتری دارد. استفاده های این نوع شیشه عبارتست از تیوپ های اختراق، حباب های لامپ هالوژن و به عنوان بسترهای صنعت الکترونیک کاربرد دارد.

شیشه ی سربی

ترکیب عمومی این شیشه ها سیلیکات های قلیایی سربی است. در این نوع شیشه ها Pbo به جای CaO در شیشه ی سودالایمی قرار گرفته است. این نوع شیشه دارای مقاومت بالایی است. همچنین ضریب انبساط حرارتی آن بالاست. و دمای نرم شوندگی پایینی دارد. دلیل آنکه از این نوع شیشه ها در تولید ظروف کریستال استفاده می شود این است که ضریب شکست این نوع شیشه بالاست و علاوه بر این که از این شیشه ها در ظروف تزئینی استفاده می شود، از آنها در ساخت تیوپ های لامپ، لامپ تصویر تلویزیون و تیوپ های ترمومترها استفاده می شود. در ظروف کریستال انگلیسی که به صورت سنتی تولید می شوند، میزان Pbo حداقل 30% است. برطبق رهنمود اتحادیه ی اروپا میزان Pbo باید بیش از 24 درصد باشد. همچنین بر طبق استاندارد اروپا شیشه های کریستال سربی باز یافت نمی شوند. شیشه های سربی که برای ساخت حفاظ های تابشی استفاده می شوند ممکن است دارای بیش از 65% Pbo باشند. کاربرد این گونه شیشه ها در لامپ تصویر تلویزیون است اگر چه شیشه های باریمی برای ساخت صفحه و تابلوهای تلویزیون استفاده می شود. (تفنگ الکترونی تلویزیون اشعه ی x ساتع می کند که این نوع شیشه باید این تابش ها را جذب کند.)شیشه های سرب – بوراتی می توانند به عنوان لحیم های شیشه ای استفاده شوند. این نوع شیشه ها دارای در صد کمی است و کاملا خنثی است.
شیشه های فیلنیتی (flint glass) دارای تفرق بالایی است. در واقع این نوع شیشه ها از نوع شیشه های سیلیکاتی قلیایی ـ سربی است که از ذوب سنگ های فیلنیتی ساخته شده اند(فیلنیت فرم خالص سیلیس است) .لازم به توضیح است که این نوع سنگ کلسینه شده و به طور فراوان در ساخت بدنه های سرامیکی استفاده می شود.

شیشه ی بورانی ( شیشه ی بورو سیلیکاتی )

شیشه های بوروسیلیکاتی قلیایی به خاطر ضریب انبساط حرارتی کوچکشان ویژه هستند. این نوع شیشه دوام بالایی داشته و خواص الکتریکی مفیدی دارند. پیرکس (Pyrex) که یک نوع ماده در تولید وسایل پخت و پز است . از جنس بروسیلیکات است .شیشه ی بروسیلیکاتی به طور وسیع در فرآیندهای شیمیایی استفاده می شود. برخی از شیشه های براتی دارای دمای ذوب پایینی هستند از این رو آنها را می توان به همراه سایر شیشه ها استفاده کرد. شیشه ی بروسیلیکاتی – زنیکی به شیشه های منفعل شهرت دارند. این شیشه ها مواد قلیایی ندارند و از این رو از آنها می توان در ساخت اجزای الکترونیکی سیلیسیمی استفاده کرد.

سیلیس فیوزد

این نوع شیشه از نوع سیلیس خالص است. این شیشه ها ، شیشه های سیلیکاتی برای کاربردهای دما بالا هستند. ضریب انبساط حرارتی این نوع شیشه ها نزدیک به صفر است. این نوع شیشه ها برای تولید آینه های تلسکوپ و زیر لایه ها (Substrates) استفاده می شود. به خاطر داشتن ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر به این شیشه ها ، شیشه های با انبساط حرارتی بسیار پایین (VLE Silica) می گویند .
شیشه های VLE دارای 7 درصد وزنی برای تولید لفافه های لیتوگرافی نوری (masks photolithography) استفاده می شود. البته به خاطر دمای بالای فرآیند شکل دهی این شیشه ها ؛ می توان به جای آنها از شیشه های وایکور استفاده کرد.

شیشه ی فسفاتی ( phosphate – glass )
 

شیشه های فسفاتی شیشه های مهمی هستند زیرا این نوع شیشه ها خاصیت نیمه رسانایی دارند. یکی از کاربرد این مواد در ساخت تقویت کننده های الکترون (electron multipliers) است . در این نوع وسایل با استفاده از دپ کردن Er (افزودن ) ، این تقویت کننده ها ساخته می شود. کایتون های موجود در این نوع شیشه ها معمولا V و P هستند اما لابراتوار ملی او آ ک ریچ (Oak Ridge National labroatory) یک نوع شیشه ی فسفاتی اندیوم – سربی تولید کرده است که دارای ضریب شکست بالایی است. از ویژگی های دیگر این شیشه می توان به دمای ذوب پایین و خاصیت ترانسپارنتی در برابر گسترده ی وسیعی از طول موج ها را نام برد. به دلیل آنکه این نوع شیشه می تواند درصد بالایی از عناصر خاکهای کم یاب را در خود حل کنند، از آنها در تولید وسایل نوری اکتیو مانند آمپلی فایرهای فیبر اپتیک و لیزرها استفاده می شود. شیشه های فسفاتی دپ شده با Nd در لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. ترکیب شیمیایی نمونه وار از این نوع شیشه عبارتست از است. که در صد Nd بین O.2-2.O درصد مولی است.

شیشه ی چالکوژیندی ( Chalcogenide glass )

این نوع شیشه براساس Se,As و Te بوجود می آید. این شیشه ها نور فرو سرخ را از خود عبور می دهند و نیمه رسانا های غیر اکسیدی هستند. از این نوع شیشه در وسایل و لنزهای الکترونیکی ویژه استفاده می شود. در این وسایل هنگامی که ولتاژ اعمالی به آنها از میزان بحرانی فراتر رود، به طور ناگهانی تغییر رسانایی رخ می دهد. کاربرد این نوع شیشه ها بسیار خاص است زیرا این شیشه ها دوام پایینی داشته و دمای نرم شوندگی شان پایین است.

شیشه ی فلورایدی ( fluoride glass )

عموماً شیشه های هالیدی بر پایه ی را شیشه های فلورایدی می گویند. کاربرد این نوع شیشه ها در وسایل همسو کننده نوری (optical waveguides) است. و درجاهایی که قیمت توجیه پذیر باشد استفاده می شوند.

شیشه ی طبیعی

این مسئله که شیشه در طبیعت بوجود می آید حتی این پدیده یک امر نسبتاً معمولی است، باعث شگفتی بسیاری از مردم می شود. تکتیت ها (tektites) درهنگام برخورد شهاب سنگ ها به زمین و در دهانه ی حاصله از برخورد شهاب سنگ پدید می آیند. مولد اویت (Moldavite) نیز یک شیشه ی سبز رنگ است که در مولداوی (Moldavia) یافت می شود . فولگلاریت (fulgarite) نیز تیوپ های شکننده از شیشه هستند که در هنگام برخورد برق آسمان به خاکهای ماسه ای پدید می آید. ابسیدیان (obsidian) نیز یک نوع شیشه است که در جریان های آتش فشانی تشکیل می شود. رنگ سیاه رنگ این نوع شیشه به خاطر ناخالصی پدید می آید. در طی دوره ی پارینه سنگی از ابسیدیان در ساخت وسایل استفاده می شده است. سنگ پا (Pamice) یکی دیگر از شیشه هایی است که از فوران های آتش فشانی تشکیل می شود. این ماده می تواند تخلخل های فراوانی داشته باشد. (درصورتی که ماده ی اولیه ی تشکیل دهنده ی آن دارای مواد گازی فراوانی باشد). سنگ پا شکل متخلخل ابسیدیان است

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

آزمایش شماره 2 ساخت جرم ریختنی

مواد اولیه:

مواد اولیه/گروه ها
   

1
   

2
   

3
   

4

بوکسیت
   

95%
   

90%
   

85%
   

80%

سیمان
   

5
   

10
   

15
   

20

آب
   

15
   

15
   

15
   

15

  

تذکر:سیمان آزمایشگاه دیرگداز است زیرا آلومینای زیادی دارد. در واقع همان آلومینا می باشد .

 

دانه بندی بوکسیت :

مش                     10-20                  40%

مش                     20-50             20  %

مش                    50-140           20%

مش                   140-325          20%

مش                    زیر 325              10%

 

برای 400 گرم بدنه مواد را مخلوط می کنیم و دو نمونه استکام خمشی می سازیم.

 

تئوری:

بوکسیت سنگ معدن فلز آلومینیوم بوده و متشکل از کانیهای دیاسپور، بوهمیت ، کیبسیت و کانیهای آهن، تیتان و سیلیس می‌باشد. این کانسنگ از نوع ذخایر بر جای مانده است . کانسارهای بوکسیت در دورانهای مختلف زمین‌شناسی تشکیل شده، در ایران نیز در دورانهای پرمین، تریاس و کرتاسه بوکسیت کشف شده است . کانسارهای بوکسیت بسته به نوع سنگ بستر آنها به انواع کارستی و لاتریتی تقسیم‌بندی می‌شوند و کانسارهای ایران از نوع کارستی می‌باشند. کانسارهای بوکسیت یزد در شمال و غرب یزد رخنمون دارند. در شمال یزد بین رسوبات پرمین و ژوراسیک در مناطق دشت ده و چک چک و در غرب یزد بین رسوبات تریاس و ژوراسیک در مناطق نصرآباد تا صدرآباد بوکسیت مشاهده می‌شود. کارهای اکتشاف مقدماتی در شمال و غرب یزد قبلا" انجام شده است . در این مرحله یزد نشان داد که در منطقه شمال یزد تنها بخشی از کانسارهای پلیت 2B و چک چک و بطور جزئی در سایر کانسارها بوکسیت با کیفیت خوب مشاهده می‌شود. میانگین درصد Al203 و Sio2 در منطقه شمال یزد بترتیب 2ˆ43 و 6ˆ13 می‌باشد. از طرفی سایر عوامل از جمله صعوبت استخراج بدلیل شیب زیاد لایه‌ها و نامناسب بودن افراز ماده معدنی باعث شد که کار اکتشاف این کانسارها متوقف گردد و جهت اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر نباشد. در منطقه غرب یزد از پنج کانسار تنها کانسارهای صدرآباد و گدارزرد دارای کیفیت و موقعیت مناسبی بودند. میانگین عیار Al203 و Sio2 در منطقه غرب یزد بترتیب 7ˆ46 و 8 درصد می‌باشد. لذا بررسی‌های انجام شده نشان داد که تنها در منطقه غرب یزد برای کانسارهای صدرآباد و گدارزرد اکتشاف نیمه تفصیلی توجیه‌پذیر باشد. با مشخص شدن مناسبترین محل‌ها برای ادامه اکتشاف طراحی عملیات اکتشافی برای آنها انجام گردید. شواهد زمین‌شناسی و رخنمون کانسار در منطقه صدرآباد نشان می‌داد که کانسار با شیب کم در وسعت تقریبا" زیادی وجود داشته و با گمانه‌های کم عمق قابل اکتشاف می‌باشد، لذا با بدست آمدن تعداد نقاط حفاری با روشهای آماری و مشخص بودن وسعت تقریبی محدود، شبکه مربعی با ابعاد 50×50 متر برای حفاری بدست آمد و یک نقشه برای آن تهیه شد و تعداد 202 نقطه حفاری شد که 174 نقطه آن تا کمر پایین ماده معدنی حفاری گردید و در بخش اعظمی از منطقه‌ای که پیش‌بینی می‌شد کانسار وجود داشته باشد تا عمق مناسب برای استخراج روباز بوکسیت کشف گردید. برای منطقه گدارزرد نیز تعداد نقاط لازم جهت حفاری و نمونه‌برداری مشخص شد و در طول رخنمون کانسار محل‌های آن تعیین و حفاری گردید. پس از انجام عملیات اکتشاف نیمه تفصیلی، اطلاعات بدست آمده از آنها تجزیه و تحلیل گردید و مشخص گردید در منطقه صدرآباد کانسار به صورت تقریبا" لایه‌ای به وسعت حدود 35 هکتار به ضخامت تا حداکثر 8 متر، بوکسیت وجود دارد و مقاطع اکتشافی از پروفیل‌های حفاری تهیه گردید. مطالعات آماری و زمین آماری نیز برای پارامترهای مختلف کمی و کیفی کانسار انجام شد و مشخص گردید در کانسار ساختار وجود دارد و روند خاصی در آن مشاهده نشد. تخمین‌های لازم برای عیار و ذخیره کانسار انجام شد و مشخص گردید در منطقه صدرآباد حدود 5ˆ2 میلیون تن بوکسیت با عیار 48 درصد Al203 و 9 درصد Sio2 با نسبت باطله به کانه حدود 6 وجود دارد. در منطقه گدارزرد بدلیل تکتونیک شدید و نفوذ توده‌های آذرین متعدد، کیفیت و پیوستگی ماده معدنی در عمق چندان مطلوب نبود.

بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود. میانگین آلومینیوم سنگهای پوسته زمین 8/13% است در حالی که برای یک ذخیره اقتصادی آلومینیوم حداقل عیار قابل استخراج 30% Al2o3 است. در میان سنگهای آذرین نفلین سینیت با 21/3% Al2o3 و در بین سنگهای رسوبی شیل‌ها با 14/7% Al2o3 بالاترین مقدار آلومینیوم را در سنگهای پوسته دارا هستند، که به مراتب کمتر از حداقل عیار قابل‌ بهره‌برداری آلومینیوم می‌باشند. در صورتی که سنگهای دارای محتوای Al بالا و Sio2 پایین تحت هوازدگی شیمیایی حاصل از بارندگی متناوب و اصطلاحاً هیدرولیز (آب‌شویی) قرار گیرند عناصر k، Na ، Mg ، Ca ، Si سنگ به صورت محلول درآمده و توسط آبهای سطحی و زیرزمین از منطقه خارج می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند Al2O3 و اندکی Fe2O3است که موجب می‌شود تا لایه ضخیم خاک حاصل از هوازدگی که روی سنگ مادراولیه تشکیل شده سرخ رنگ دیده شود. فاکتورهای مهمی که در تشکیل ذخایز بوکسیت نقش اساسی دارند عبارتند از : 1- ترکیب شیمیایی و کانی شناختی سنگ مادر. 2- نفوذپذیری بالا. 3- میزان نزولات جوی و دما. 4- توپوگرافی مناسب و زهکشی بالا. نفلین سینیت، شیل، آهک‌های رسی و بازالت سنگهایی هستند که از نظر محتوای کافی جهت تشکیل بوکسیت برخوردارند. سنگ‌های مناسب برای تبدیل شدن به بوکسیت باید در آب‌وهوای گرم و مرطوب مناطق حاره قرار بگیرند. میزان بارش سالیانه 1200 الی 1400 میلیمتر و دمای متوسط 26 درجه سانتیگراد همراه با توپوگرافی ملایم و کم‌شیب موجب حداکثر فرسایش شیمیایی و حداقل فرسایش مکانیکی می‌شود. در شرایط PH بین 7 تا 8 آبهای سطحی این نواحی سیلیکاتها تجزیه شده و تمامی عناصر آنها شسته شده و به صورت محلول حمل می‌شوند. تنها هیدروکسیدهای آلومینیوم هستند که به شکل کانی‌هایی نظیر گیبسیت، بوهمیت و دیاسپور نامحلول باقی مانده و رسوب می‌کنند. کانسارهای مهم بوکسیت در برزیل، استرالیا،

 گینه بیسائو و جامائیکا واقع شده‌اند. عیار Al2O3 در ذخایر بوکسیت بین 35 الی 55 درصد و ذخیره آنها بین 1 الی 700 میلیون تن می‌باشد.


بوکسیت سنگی غنی از آلومینیوم است که عمدتاً از هیدروکسیدهای آلومینیوم و مقدار ناچیزی کانیهای رسی و کوارتز تشکیل شده است. ترکیب کانی‌شناسی بوکسیت تا حدودی متغیر بوده و تابع سنگ مادراولیه آن است. حدود 96% آلومینیوم جهان از ذخایر بوکسیتی این عنصر تأمین می‌شود.

سیمان ماده‌ای چسبنده‌است که قابلیت چسبانیدن ذرات به یکدیگر و بوجود آوردن جسم یک پارچه از ذرات متشکله را دارند و از ترکیب مصالح آهکی، رس، سیلیس و اکسیدهای معدنی در دمای ۱۴۰۰ درجه تا ۱۵۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد ساخته می‌شود. به جسم حاصل، پس از حرارت دیدن کلینکر می‌گویند و از آسیاب کردن آن سیمان بدست آید. اندازهٔ دانه‌های کلینکر ۲۰ میلی‌متر می‌باشد[۱]                                        

اجزای تشکیل دهنده سیمان

مصالح آهکی (حدود ۶۰٪ الی ۶۷٪)

رس (حدود ۳٪ الی ۷٪)

سیلیس (۱۷٪ الی ۲۷٪)

اکسیدهای معدنی[۲]

    

اکسید آهن (۰/۵٪ الی ۶٪)Fe۲O۳

اکسید سدیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)Na۲O

اکسید منیزیم (۰/۱٪ الی ۴/۵٪)MnO

اکسید پتاسیم (۰/۲٪ الی ۱/۳٪)K۲O

اکسید آلومینیوم (۳٪ الی ۸٪)Al۲O۳

انواع سیمان

سیمان پرتلند تیپ I

سیمان پرتلند تیپ II

سیمان پرتلند تیپ III

سیمان پرتلند تیپ IV

سیمان پرتلند تیپ V

سیمان پوزولان

سیمان آمیخته

سیمان برقی (پرآلومین)

سیمان رنگی

سیمان سفید

سیمان سرباره‌ای ضد سولفات

سیمان پرتلند آهکی

سیمان بنائی

سیمان نسوز

سیمان چاه نفت

سیمان پرتلند ضدآب

سیمان باگیرش تنظیم شده[۳]

روشهای ساخت سیمان

روش تر

روش نیمه تر

روش نیمه خشک

روش خشک[۴]

شیمی ترکیبات سیمان

مواد خام تشکیل دهنده سیمان اساسا از اکسیدهای کلسیم و سیلیسیم و آهن تشکیل شده‌است. این مواد در کوره با هم ترکیب شده و غیر از مقداری آهک آزاد باقی مانده، که فرصت کافی برای فعل و انفعال نداشته‌است، ترکیبات شیمیایی جدید و پایداری نتیجه می‌شوند. در هنگام خنک کردن مصالح، براساس سرعت خنک کردن، مواد به صورت بلوری و بی شکل ظاهر می‌گردند. دانه‌های بی شکل که اکثرا شیشه‌ای هستند و دانه‌های بلوری شده، درحالی که یک فرمول شیمیایی دارند، دارای خواص متفاوتی هستند. برای سیمان معمولی، درصد ترکیبات حاصل از فعل و انفعالات فوق با داشتن درصد اکسیدهای موجود در کلینکر و با فرض اینکه کریستاله شدن کامل انجام پذیرفته باشد قابل محاسبه‌است.[۵] چهارترکیب اصلی سیمان عبارتند از:تری کلسیم سیلیکات، دی کلسیم سیلیکات، تری کلسیم آلومینات، تترا کلسیم آلومینو فریت؛ که به ترتیب با علائم اختصاری به صورت: C۴AF C۳A C۲S C۳S نامیده می‌شوند.[۶]

معادلات بوگ

محاسبه مربوط به میزان ترکیبات سیمان حاصل از اکسیدهای اصلی تشکیل دهنده آن توسط بوگ انجام شده و به نام معادلات بوگ معروف می‌باشد. این معادلات درصد ترکیبات اصلی سیمان را نمایش می‌دهد.[۷]

C۳S = ۴٫۰۷۱۰(CaO)-۷٫۶۰۲۴(SiO۲)-۱٫۴۲۹۷(Fe۲O۳)-۶٫۷۱۸۷(Al۲O۳

C۲S = ۸٫۶۰۲۴(SiO۲)+۱٫۰۷۸۵(Fe۲O۳)+۵٫۰۶۸۳(Al۲O۳)-۳٫۰۷۱۰(CaO

C۳A = ۲٫۶۵۰۴(Al۲O۳)-۱٫۶۹۲۰(Fe۲O۳

C۴AF = ۳٫۰۴۳۲(Fe۲O۳

خواص ترکیبات اصلی سیمان

سیلیکات‌ها یعنی C۲S و C۳S ترکیبات اصلی و مهم سیمان می‌باشند و مقاومت سیمان هیدراته شده به آنها بستگی دارد. اکسیدهای تشکیل دهنده این سیلیکات‌ها تاثیرات مهمی روی شکل اتمی و کریستالی و خواص هیدرولیکی انها دارند. حضور C۳A در سیمان سودمند نیست. این ترکیب نقشی در مقاومت سیمان، به جز کمی در سن اولیه آن، نداشته و بعد از سخت شدن سیمان در صورت حمله سولفاتی با تشکیل سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) سبب خرابی بتن می‌گردد. ولی C۳A در فرایند تولید در ترکیب اکسیدکلسیم با اکسیدسیلیسیم سهولت ایجاد کرده و سودمند است. C۴AF که به میزان کمی به وجود می‌آید در مقابل سه ترکیب دیگر نقش عمده‌ای در خواص سیمان ندارد. به هرحال این ترکیب با سنگ گج سیمان، سولفوفریت کلسیم تشکیل می‌دهد که این ماده هیدراتاسیون سیلیکات‌ها را تسریع می‌کند.[۸]

روند آزمایش :

- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیل نمونه خام وپخت  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین می گیریم.   

3 pl/2bh2 =δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

σ (N/mm2)
   

P(N)
   

L(mm)
   

h (mm)
   

b(mm)
   

نمونه

0.52
   

49.19
   

50
   

17
   

24.3
   

خام

1.645
   

261.03
   

40
   

16.65
   

22.9
   

پخت

 

 

 

دانسیته و تخلخل : نمونه های ترک خورده یا شکسته را با ترازو وزن خشک وسپس داخل سبد زیر ترازو گذاشته و وزن غوطه وری را اندازه می گیریم  سپس نمونه ها را در ظرف در حال جوش به مدت 20 دقیقه گذاشته پس از خروج از آب آنها را در تشت آب گذاشته با ابر آب روی نمونه ها را گرفته و وزن اشباع را از این طریق بدست می آوریم.

W1
   

وزن خشک

W2
   

وزن اشباع

W3
   

وزن غوطه وری

W1. ρ liq / W2- W3 b =ρ

a = W1.ρ liq /W1 – W3                                                         ρ

=W2-W1/ W2- W3×100  % تخلخل باز

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری
   

نتایج حاصله

ρa
   

ρb
   

% تخلخل باز

نمونه پخت
   

36.57
   

41.14
   

26.33
   

3.57
   

1.34
   

30.85

 

نکته : زمان استاندارد جوشیدن 2 ساعت است که به دلیل کمبود وقت در ساعت درس آزمایشگاه 20 دقیقه می جوشانیم .

4
   

3
   

2
   

1
   

گروه

1.027
   

0.52
   

0.57
   

0.327
   

استحکام خام

23.88
   

1.645
   

18.24
   

18.85
   

استحکام پخت

3.428
   

3.57
   

3.38
   

3.35
   

دانسیته ظاهری

2.828
   

2.46
   

2.83
   

2.73
   

دانسیته بالک

17.5
   

30.85
   

16
   

18.15
   

% تخلخل باز

بحث و نتیجه گیری :

با توجه به اعداد به دست آمده می بینیم همانطور که انتظار می رود با افزایش سیمان که همان آلومینا است استحکام خام و پخت قطعه افزایش می یابد و این مورد را می توان اینگونه توجیه کرد که چون ایتحکام قطعات آلومینایی به طور کلی بسیار بالا می باشد پس با افزایش سیمان ( آلومینا ) استحکام قطعه افزایش می یابد .

نکته: گروه ما به دلیل اینکه هنگام خروج قطعه  از قالب دچار آسیب زیادی گردید دارای استحکام پایینی شده است که این بخشی از خطای آزمایش است و باعث ایجاد ترک در قطعه شد است .

در مورد دانسیته ها هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته دانسیته نیز افزایش می یابد . و این نیز رابطه ی مستقیمی با دانسیته ی آلومینا دارد که هر چه میزان بوکسیت کاهش یافته ، میزان آلومینا افزایش یافته و از آنجایی که دانسیته  ی آلومینا بیشتر از بوکسیت است دانسیته  ی کل را افزایش می دهد .

البته لازم به ذکر است که در این بین خطاهای آزمایش باعث شده که یکسری اعداد  با نتیجه گیری همخوانی نداشته باشند .

خطاهای آزمایش :

 

-         خطا ی دستگاه های اندازه گیری

-         خطای توزین مواد

-         خطا در هنگام اندازه گیری ابعاد و اندازه گیری استحکام

-         خطا در هنگام خروج قطعه دیر گداز از قالب ( اگر با ضربه همراه باشد ممکن است باعث ایجاد ترک شده و استحکام واقعی را به ما ندهد . )

منابع :

مواد دیرگداز – نوشته جرالد روتشکا – ترجمه / بهمن میر هادی

www.wikipedia.com

www.googlescholar.com

 

 آزمایش شماره1: ساخت و بررسی دیرگدازهای شاموتی

تئوری آزمایش:

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .
نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.
وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.
 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.
 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براى چگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                       Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.
تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می شود. تخلخل کل شامل تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن :

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

پایداری در برابر سرباره

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند . 

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی

قابلیت هدایت حرارتی

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی

تخلخل و دانسیته

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .*

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .

تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

توضیحات آزمایش:

اهمیت مواد رسی:

1-فقط خاک های رس هستند که حالت خمیری می گیرند.2-به خاطر اکسید های الومینیم وسیلیسیم که

دارای خواص فیزیکی  و شیمیایی بالا هستند

موادرسی از سه فاز مشخص تشکیل شده اند:اکسید آلومینیوم،اکسید سیلیسیم وآب.

شاموت:مواد رسی بدون آب ساختاری،اکسیدهای اصلی دارند.اکسید های اصلی دارای دمای ذوب بالا هستند و دارای ثبات شیمیایی و فیزیکی هستند.

 کمتراهمیت آن خاک رسی بیشتر می شود.SiO2 بیشتر، Al2O3 هر چه

خود آب باعث شکل پذیری و آب کار پذیری بیشتری می شود.ولی انقباض هنگام خشک شدن بیشتر می شود.

 دارد و فاز میانی ایجاد نمی کند پس بهتر است.Al2O3 دمایذوب بالاتری نسبت به Si2O

شاموت = بیسکوییت خرد شده یا خاک رسی سوخته.

اگر مونت موریلونیت داریم باید شیب سرمایش کم شود تا ترک نخورد.

هر چه دانه بندی بزرگتر تخلخل بیشتر،دانسیته کمتر،استحکام کمتر.

هرچه بالکلی بیشتر فاز شیشه بیشتر،دمای ذوب پایین تر می آید و مواد به هم می چسبندو انقباض بیشتر است.

برای جلوگیری از انقباض شدید و دیرگدازی خاک رس از مواد شاموتی استفاده می شود.

برای ساخت دیرگداز شاموتی از شاموت و یک خاک رس استفاده می شود.

 

مواد اولیه:                شاموت%                   رس%( زنوز)

                                                                40                        60

                                                           60گرم                    90گرم

 

+5% تالک+10% آب =7.5 گرم تالک +15 گرم آب

 

دانه بندی شاموت:          30 % زیر مش 50 روی مش 70 (27 گرم)

                            40% زیر مش 70 روی مش 100 (36گرم)                 

                                    30%زیر مش 100 روی مش 230(27 گرم)

 

روش شکل دهی:پرس نیمه خشک

روند آزمایش:

4 نمونه 30 گرمی در قالب مکعب مستطیل

3 نمونه  4 گرمی استوانه ای

و ا نمونه 5 گرمی مخروط زگر

نمونه ها را ساخته سپس در 1250 به مدت 2 ساعت زینتر کرده،سپس ست های مورد نظر را روی آن انجام می دهیم.

1-مهم ترین تست،تست دیرگدازی است. 10 گرم خمیر آلومینایی (90% آلومینا و10% کائولن)ساخته روی صفحه نسوز قرار داده(صفحه شیب0 5 دارد)نمون ههای مخروط زگر را روی آن قرار می دهیم. داخل کوره در دمای 12500 می گذاریم وهر 500-500 نمونه را چک می کنیم.15 دقیقه باید در هر دما بماند.در دمایی که خم شد آن دما دمای خمیری شدن است.

2-تست شوک پذیری: یک  نمونه  مکعب مستطیل شکل داخل کوره مافلی (برای شاموتی 10000 و برای آلومینایی 12000) قرار می دهیم ،30 دقیقه بماند با انبرک در می آوریم و در آب سرد به مدت 2 دقیقه می اندازیم اگر ترک نخورده بود دوباره داخل کوره می گذاریم و تعداد سیکل ها را یادداشت می کنیم.

3-استحکام فشاری:نمونه های استوانه ای

قطر نمونه ها را با کولیس اندازه می گیریم با دستگاه میزان استحکام هر کدام را اندازه گرفته بین سه نمونه میانگین می گیریم.

4- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیلی  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین

 می گیریم.

=δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

5-دانسیته و تخلخل  نمونه های ترک خورده یا شکسته را اندازه می گیریم.

اگر نمونه ها خوب ساخته شوند تلورانس کمی دارد.بالا ترین استحکام را کائولن زدلیتز دارد.

استوانه ها
   

قطر(mm)
   

عرض(mm)
   

ضخامت(mm)

                       1
   

12025
   

30
   

6.85

2
   

12
   

31
   

7

3
   

12
   

31
   

6.75

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری

نمونه1
   

14.92
   

16.9
   

9.2

نمونه2
   

15.89
   

18.18
   

9.53

نمونه3
   

15.63
   

17.62
   

9.36

میانگین
   

15.48
   

17.56
   

9.36
                               

 

بالکلی طبس
   

زنوز
   

زنوزسوپر
   

زدلیتز
   

 

 
   

15.27
   

12.84
   

12.78
   

استحکام خمشی

 
   

33.77
   

33.34
   

46.31
   

استحکام فشاری

 
   

2.53
   

2.68
   

2.723
   

دانسیته ظاهری

 
   

1.88
   

1.98
   

2.055
   

دانسیته کلی

 
   

25.36
   

25.99
   

24.5
   

تخلخل باز

<23
   

>23
   

>23
   

>23
   

شوک پذیری

1550
   

1450
   

1450
   

1500
   

دیرگدازی

 

با توجه به نتایج سایر گروه ها بالکلی از همه خاک ها دیر گدازترو زنوز از استحکام خمشی بالاتری برخوردار است.استحکام فشاری نیز زدلیتز از سایر خاک ها بالاتر است .البته ما عددهای مربوط به بالکلی(گروه4) را نداریم.

دانسیته نیز،دانسیته ی زدلیتز بیشتر می باشدو به همین علت تخلخل آن نیز کمتر از سایرین است.

شوک پذیری همه خاک ها یکسان است.

خطاهای آزمایش:

1-خطا هنگام توزین

2-خطای دستگاه universal

3-خطای باز وبسته شدن در کوره

4-خطا به هنگام پرس

مراجع

در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم))D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 *ترجمه ى مقاله ى

www.physic.persianblog.com*وب سایت تخصصى فیزیک

http:/dancshnamch.roshd.ir*

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/*

www.aftab.ir*

 آزمایش شماره1: ساخت و بررسی دیرگدازهای شاموتی

تئوری آزمایش:

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .
نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.
وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.
 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.
 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براى چگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                       Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.
تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می شود. تخلخل کل شامل تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن :

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

پایداری در برابر سرباره

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند . 

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی

قابلیت هدایت حرارتی

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی

تخلخل و دانسیته

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .*

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .

تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

توضیحات آزمایش:

اهمیت مواد رسی:

1-فقط خاک های رس هستند که حالت خمیری می گیرند.2-به خاطر اکسید های الومینیم وسیلیسیم که

دارای خواص فیزیکی  و شیمیایی بالا هستند

موادرسی از سه فاز مشخص تشکیل شده اند:اکسید آلومینیوم،اکسید سیلیسیم وآب.

شاموت:مواد رسی بدون آب ساختاری،اکسیدهای اصلی دارند.اکسید های اصلی دارای دمای ذوب بالا هستند و دارای ثبات شیمیایی و فیزیکی هستند.

 کمتراهمیت آن خاک رسی بیشتر می شود.SiO2 بیشتر، Al2O3 هر چه

خود آب باعث شکل پذیری و آب کار پذیری بیشتری می شود.ولی انقباض هنگام خشک شدن بیشتر می شود.

 دارد و فاز میانی ایجاد نمی کند پس بهتر است.Al2O3 دمایذوب بالاتری نسبت به Si2O

شاموت = بیسکوییت خرد شده یا خاک رسی سوخته.

اگر مونت موریلونیت داریم باید شیب سرمایش کم شود تا ترک نخورد.

هر چه دانه بندی بزرگتر تخلخل بیشتر،دانسیته کمتر،استحکام کمتر.

هرچه بالکلی بیشتر فاز شیشه بیشتر،دمای ذوب پایین تر می آید و مواد به هم می چسبندو انقباض بیشتر است.

برای جلوگیری از انقباض شدید و دیرگدازی خاک رس از مواد شاموتی استفاده می شود.

برای ساخت دیرگداز شاموتی از شاموت و یک خاک رس استفاده می شود.

 

مواد اولیه:                شاموت%                   رس%( زنوز)

                                                                40                        60

                                                           60گرم                    90گرم

 

+5% تالک+10% آب =7.5 گرم تالک +15 گرم آب

 

دانه بندی شاموت:          30 % زیر مش 50 روی مش 70 (27 گرم)

                            40% زیر مش 70 روی مش 100 (36گرم)                 

                                    30%زیر مش 100 روی مش 230(27 گرم)

 

روش شکل دهی:پرس نیمه خشک

روند آزمایش:

4 نمونه 30 گرمی در قالب مکعب مستطیل

3 نمونه  4 گرمی استوانه ای

و ا نمونه 5 گرمی مخروط زگر

نمونه ها را ساخته سپس در 1250 به مدت 2 ساعت زینتر کرده،سپس ست های مورد نظر را روی آن انجام می دهیم.

1-مهم ترین تست،تست دیرگدازی است. 10 گرم خمیر آلومینایی (90% آلومینا و10% کائولن)ساخته روی صفحه نسوز قرار داده(صفحه شیب0 5 دارد)نمون ههای مخروط زگر را روی آن قرار می دهیم. داخل کوره در دمای 12500 می گذاریم وهر 500-500 نمونه را چک می کنیم.15 دقیقه باید در هر دما بماند.در دمایی که خم شد آن دما دمای خمیری شدن است.

2-تست شوک پذیری: یک  نمونه  مکعب مستطیل شکل داخل کوره مافلی (برای شاموتی 10000 و برای آلومینایی 12000) قرار می دهیم ،30 دقیقه بماند با انبرک در می آوریم و در آب سرد به مدت 2 دقیقه می اندازیم اگر ترک نخورده بود دوباره داخل کوره می گذاریم و تعداد سیکل ها را یادداشت می کنیم.

3-استحکام فشاری:نمونه های استوانه ای

قطر نمونه ها را با کولیس اندازه می گیریم با دستگاه میزان استحکام هر کدام را اندازه گرفته بین سه نمونه میانگین می گیریم.

4- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیلی  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین

 می گیریم.

=δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

5-دانسیته و تخلخل  نمونه های ترک خورده یا شکسته را اندازه می گیریم.

اگر نمونه ها خوب ساخته شوند تلورانس کمی دارد.بالا ترین استحکام را کائولن زدلیتز دارد.

استوانه ها
   

قطر(mm)
   

عرض(mm)
   

ضخامت(mm)

                       1
   

12025
   

30
   

6.85

2
   

12
   

31
   

7

3
   

12
   

31
   

6.75

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری

نمونه1
   

14.92
   

16.9
   

9.2

نمونه2
   

15.89
   

18.18
   

9.53

نمونه3
   

15.63
   

17.62
   

9.36

میانگین
   

15.48
   

17.56
   

9.36
                               

 

بالکلی طبس
   

زنوز
   

زنوزسوپر
   

زدلیتز
   

 

 
   

15.27
   

12.84
   

12.78
   

استحکام خمشی

 
   

33.77
   

33.34
   

46.31
   

استحکام فشاری

 
   

2.53
   

2.68
   

2.723
   

دانسیته ظاهری

 
   

1.88
   

1.98
   

2.055
   

دانسیته کلی

 
   

25.36
   

25.99
   

24.5
   

تخلخل باز

<23
   

>23
   

>23
   

>23
   

شوک پذیری

1550
   

1450
   

1450
   

1500
   

دیرگدازی

 

با توجه به نتایج سایر گروه ها بالکلی از همه خاک ها دیر گدازترو زنوز از استحکام خمشی بالاتری برخوردار است.استحکام فشاری نیز زدلیتز از سایر خاک ها بالاتر است .البته ما عددهای مربوط به بالکلی(گروه4) را نداریم.

دانسیته نیز،دانسیته ی زدلیتز بیشتر می باشدو به همین علت تخلخل آن نیز کمتر از سایرین است.

شوک پذیری همه خاک ها یکسان است.

خطاهای آزمایش:

1-خطا هنگام توزین

2-خطای دستگاه universal

3-خطای باز وبسته شدن در کوره

4-خطا به هنگام پرس

مراجع

در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم))D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 *ترجمه ى مقاله ى

www.physic.persianblog.com*وب سایت تخصصى فیزیک

http:/dancshnamch.roshd.ir*

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/*

www.aftab.ir*

 آزمایش شماره1: ساخت و بررسی دیرگدازهای شاموتی

تئوری آزمایش:

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .
نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.
وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.
 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.
 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براى چگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                       Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.
تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می شود. تخلخل کل شامل تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن :

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

پایداری در برابر سرباره

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند . 

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی

قابلیت هدایت حرارتی

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی

تخلخل و دانسیته

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .*

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .

تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

توضیحات آزمایش:

اهمیت مواد رسی:

1-فقط خاک های رس هستند که حالت خمیری می گیرند.2-به خاطر اکسید های الومینیم وسیلیسیم که

دارای خواص فیزیکی  و شیمیایی بالا هستند

موادرسی از سه فاز مشخص تشکیل شده اند:اکسید آلومینیوم،اکسید سیلیسیم وآب.

شاموت:مواد رسی بدون آب ساختاری،اکسیدهای اصلی دارند.اکسید های اصلی دارای دمای ذوب بالا هستند و دارای ثبات شیمیایی و فیزیکی هستند.

 کمتراهمیت آن خاک رسی بیشتر می شود.SiO2 بیشتر، Al2O3 هر چه

خود آب باعث شکل پذیری و آب کار پذیری بیشتری می شود.ولی انقباض هنگام خشک شدن بیشتر می شود.

 دارد و فاز میانی ایجاد نمی کند پس بهتر است.Al2O3 دمایذوب بالاتری نسبت به Si2O

شاموت = بیسکوییت خرد شده یا خاک رسی سوخته.

اگر مونت موریلونیت داریم باید شیب سرمایش کم شود تا ترک نخورد.

هر چه دانه بندی بزرگتر تخلخل بیشتر،دانسیته کمتر،استحکام کمتر.

هرچه بالکلی بیشتر فاز شیشه بیشتر،دمای ذوب پایین تر می آید و مواد به هم می چسبندو انقباض بیشتر است.

برای جلوگیری از انقباض شدید و دیرگدازی خاک رس از مواد شاموتی استفاده می شود.

برای ساخت دیرگداز شاموتی از شاموت و یک خاک رس استفاده می شود.

 

مواد اولیه:                شاموت%                   رس%( زنوز)

                                                                40                        60

                                                           60گرم                    90گرم

 

+5% تالک+10% آب =7.5 گرم تالک +15 گرم آب

 

دانه بندی شاموت:          30 % زیر مش 50 روی مش 70 (27 گرم)

                            40% زیر مش 70 روی مش 100 (36گرم)                 

                                    30%زیر مش 100 روی مش 230(27 گرم)

 

روش شکل دهی:پرس نیمه خشک

روند آزمایش:

4 نمونه 30 گرمی در قالب مکعب مستطیل

3 نمونه  4 گرمی استوانه ای

و ا نمونه 5 گرمی مخروط زگر

نمونه ها را ساخته سپس در 1250 به مدت 2 ساعت زینتر کرده،سپس ست های مورد نظر را روی آن انجام می دهیم.

1-مهم ترین تست،تست دیرگدازی است. 10 گرم خمیر آلومینایی (90% آلومینا و10% کائولن)ساخته روی صفحه نسوز قرار داده(صفحه شیب0 5 دارد)نمون ههای مخروط زگر را روی آن قرار می دهیم. داخل کوره در دمای 12500 می گذاریم وهر 500-500 نمونه را چک می کنیم.15 دقیقه باید در هر دما بماند.در دمایی که خم شد آن دما دمای خمیری شدن است.

2-تست شوک پذیری: یک  نمونه  مکعب مستطیل شکل داخل کوره مافلی (برای شاموتی 10000 و برای آلومینایی 12000) قرار می دهیم ،30 دقیقه بماند با انبرک در می آوریم و در آب سرد به مدت 2 دقیقه می اندازیم اگر ترک نخورده بود دوباره داخل کوره می گذاریم و تعداد سیکل ها را یادداشت می کنیم.

3-استحکام فشاری:نمونه های استوانه ای

قطر نمونه ها را با کولیس اندازه می گیریم با دستگاه میزان استحکام هر کدام را اندازه گرفته بین سه نمونه میانگین می گیریم.

4- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیلی  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین

 می گیریم.

=δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

5-دانسیته و تخلخل  نمونه های ترک خورده یا شکسته را اندازه می گیریم.

اگر نمونه ها خوب ساخته شوند تلورانس کمی دارد.بالا ترین استحکام را کائولن زدلیتز دارد.

استوانه ها
   

قطر(mm)
   

عرض(mm)
   

ضخامت(mm)

                       1
   

12025
   

30
   

6.85

2
   

12
   

31
   

7

3
   

12
   

31
   

6.75

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری

نمونه1
   

14.92
   

16.9
   

9.2

نمونه2
   

15.89
   

18.18
   

9.53

نمونه3
   

15.63
   

17.62
   

9.36

میانگین
   

15.48
   

17.56
   

9.36
                               

 

بالکلی طبس
   

زنوز
   

زنوزسوپر
   

زدلیتز
   

 

 
   

15.27
   

12.84
   

12.78
   

استحکام خمشی

 
   

33.77
   

33.34
   

46.31
   

استحکام فشاری

 
   

2.53
   

2.68
   

2.723
   

دانسیته ظاهری

 
   

1.88
   

1.98
   

2.055
   

دانسیته کلی

 
   

25.36
   

25.99
   

24.5
   

تخلخل باز

<23
   

>23
   

>23
   

>23
   

شوک پذیری

1550
   

1450
   

1450
   

1500
   

دیرگدازی

 

با توجه به نتایج سایر گروه ها بالکلی از همه خاک ها دیر گدازترو زنوز از استحکام خمشی بالاتری برخوردار است.استحکام فشاری نیز زدلیتز از سایر خاک ها بالاتر است .البته ما عددهای مربوط به بالکلی(گروه4) را نداریم.

دانسیته نیز،دانسیته ی زدلیتز بیشتر می باشدو به همین علت تخلخل آن نیز کمتر از سایرین است.

شوک پذیری همه خاک ها یکسان است.

خطاهای آزمایش:

1-خطا هنگام توزین

2-خطای دستگاه universal

3-خطای باز وبسته شدن در کوره

4-خطا به هنگام پرس

مراجع

در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم))D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 *ترجمه ى مقاله ى

www.physic.persianblog.com*وب سایت تخصصى فیزیک

http:/dancshnamch.roshd.ir*

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/*

www.aftab.ir*

 آزمایش شماره1: ساخت و بررسی دیرگدازهای شاموتی

تئوری آزمایش:

در ابتدا برای آشنایی بیشتر با وزن غوطه وری به توضیح اجمالی راجع به نیروی ارشمیدس میپردازیم .
نیروی ارشمیدس: هر گاه جسمی را داخل شاره ای غوطه ور کنیم ، نیرویی برابر وزن شاره جا به جا   می شود. توسط آن ، بر آن وارد میگردد، که این نیرو را نیروی ارشمیدس ، یا نیروی شناوری می گویند.این بیان در واقع همان اصل ارشمیدس است که از زمان یونان باستان شناخته شده است.
وفتی نیروی ارشمیدس از نیروی وزن بیشتر باشد جسم روی سطح آزاد شاره شناور می شود و وقتی نیروی وزن جسم از نیروی ارشمیدس بیشتر باشد جسم درون شاره غرق می شود.
 قانون ارشمیدس: به ما می گوید هر گاه جسمی را در یا روی آب بگذاریم به ان نیرویی به سمت بالا وارد میشود که اگر این نیرو برابر نیروی وزن جسم ( رو به پایین ) باشد، جسم شناور می ماند.
 قانون ارشمیدس در مورد مقدار نیروی ارشمیدس می گوید: نیروی ارشمیدس به اندازه ی وزن آبی است که به خاطر شناور شدن جسم در آب جا به جا شده است. (1)

چگالى:

در علوم پایه چگالى را مقدار جرم در واحد حجم ماده مى دانند.در صورتى که در علوم پیشرفته این تعریف از چگالى صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته مى باشد.در علم کل،وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم حجم نشان مى دهند.همچنین بین چگالى و وزن مخصوص باید تفاوت قائل شد.s ان را در شرایط استاندارد،چگالى مى گویند و ان را با

چگالى مقدار جرم موجود در واحد حجم است،ولى وزن مخصوص به معنى وزن واحد حجم ماده است.جرم مخصوص  یا  دانسیته جرم واحد حجم است.براى تعاریف جرم مخصوص در یک نقطه ،حجم کوچکى در اطراف نقطه در نظر گرفته و جرم سیال را داخل آن حجم تقسیم نموده حد این نسبت را وقتى تغییرات حجم به اپسیلون میل مى کندمى گیریم.لازم به ذکر است که واحد بسیار کوچکى است اما از فاصله ى متوسط مولکول ها ى جسم،بزرگتر است.(3)

یکاهاى رایج:

 براى چگالى:SIیکاى

- کیلومتر بر متر مکعب

    :SI یکاهاى مترى بیرون از

- کیلومتر بر لیتر.آب عموما چگالى 1 کیلو متر بر لیتر دارد،که یکاى مناسبی را فراهم میسازد.

- کیلو گرم بر دسى مترمکعب

- گرم بر میلى لیتر

- گرم بر سانتى متر مکعب

در یکاهاى سفارشى ایالات متحده یا امپراتورى،یکاهاى چگالى موارد زیر را هم شامل مى شود:

- اونس بر اینچ مکعب

- پوند براینچ مکعب

- پوند بر فوت مکعب

- پوند بر یارد مکعب

- پوند بر گالون(براى امریکا یا گالون امپراتورى)

- پوند بر بوشل امریکایى

- اسلاگ بر فوت مکعب

جهان در حال انبساط است، اما نیروهاى جاذبه بین مواد، باعث کند شدن این انبساط مى شود.هرچه جرم جهان متراکم تر باشد ،به همان اندازه چگالى آن زیادتر شده و انبساط آن کند تر مى شود.جهانى که چگالى بالایى دارد ممکن است بالاخره بخاطر قدرت نیروى جاذبه بین قسمت هاى تشکیل دهنده اش ، منقبض شود.اگر جهان به اندازه ى کافى چگالى نداشته باشد، براى همیشه در حال انبساط خواهد بود.

چگالى بحرانى:

  کیلو گرم بر متر مکعب استکه چگالى بحرانى27X10-5 اندازه ى کافى‌ که براى چگالى گفته مى شود چه قدر است؟این اندازه برابر مى باشد.چگالى بحرانى معیارى است براى باز یا بسته بودن جهان ، اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى بیشتر باشد، جهان ، جهانى بسته خواهد بود.اگر چگالى جهان از چگالى بحرانى کمتر باشد جهان ،جهان باز خواهد بود.(4)

چگالى نسبى:

مقایسه ى چگالى دو مایع با یکدیگر یا مقایسه ى چگالى یک جامد با یک مایع خیلى راحت است.اگر چگالى جسمى کمتر از مایع باشد، در آن شناور مى شود و در غیر این صورت در آن غرق مى شود.مثلا چگالى چوب از آب کمتر است و براى همین است که چوب روى آب شناور مى ماند ( نیروی ارشمیدس )

مواد چگال:

هسته ى اتم هاى تشکیل دهنده ى مواد و ستارگان از جمله کوتوله هاى سفید ، ستاره هاى نوترونى ، ابر نواختران ، سیاه چاله ها و ... چگال ترین موادند.

قیف جدا کننده:

وسیله اى است که مایعات را بر اساس شاخص چگالى از هم جدا مى کند ، مثلا اگر مخلوط روغن و آب را در مخزن این دستگاه بریزیم، بر حسب چگالى مواد داخل این ظرف تفکیک مى شوند. اگر شیر زیر ظرف را باز کنیم ، مایعى که داراى چگالى بالاست، در زیر قرار گرفته و از دستگاه خارج مى شود تا اینکه به مرز جدایى روغن و آب برسد، در چنین حالتى شیر را مى بندیم و دستگاه با موفقیت دو مایع مخلوط را از هم جدا مى کند.(3)

تخلخل:

 نمایش مى دهند.تخلخل نسبت فضاى حفره ه اى یک سنگ یا خاک است به Qیکى از خصوصیات سنگ

به فضاى کلى آن:

                                                                                                       Q=Vv/Vt

بنابراین تخلخل عددى است بین صفر تا یک.همچنین با ضرب کردن این میزان در 100 مى توان آن را به صورت درصد نیز بیان کرد.
تخلخل عبارت است از تمام خلل فرج هاى موجود در رسوب یا سنگ که به دو صورت کل یا موثر بیان می شود. تخلخل کل شامل تمام منافذ موجود در سنگ یا رسوب است که از نسبت حجم حفره هاى موجود در سنگ به حجم کل سنگ بدست مى اید و آن را به درصد بیان مى کنند.تخلخل موثر یا مفید شامل حفره هاى متصل به هم است که قادر است مایعات را از خود عبور دهد . این تخلخل از نسبت حجم حفره هاى متصل به هم به حجم کل سنگ بدست مى اید.لازم به ذکر است که در سنگ حفره هایى وجود دارد که قادر نیستند مایعات را از خود عبور دهند، این حفره ها به نام تخلخل غیر مفید هستند و ار تفاضل تخلخل مفید از تخلخل کل بدست مى اید.

پیکنومتر:

پیکنومتر ظرفى کوچک است که حجم آن در درجه حرارت خاص در آزمایشگاه تعیین شده است (حجم پیکنومتر ثابت است) اسبابى براى تعیین چگالى و ضریب انبساط یک مایع ، متشکل است از یک ظرف شیشه اى مدرج که گنجایش حجمى معینى از یک مایع را در دماى معینى داشته باشد با توزین ظرف پر از مایع در دماهاى مختلف تغییرات چگالى و در نتیجه انبساط ظاهرى مایع را مى توان معین کرد.(5)

مواد دیر گداز :

به موادی گفته می شود که نقطه خمیری شدن آن ها بالاتر از 1520 درجه سانتیگراد می باشد .

تمام مواد تشکیل دهنده شیشه ها و سرامیک ها مواد اکسیدی می باشند .

نقطه خمیری شدن :

برای تعیین نقطه خمیری شدن از مخروط زگر Seger یا مخروط اورتون Orton استفاده می کنند به این صورت که ابتدا مخروط تهیه شده را در کوره مورد نظر قرار داده و شروع به حرارت دادن می کنیم تا هنگامی که مخروط از کمر خم شود و در اصطلاح شکسته شود این دما را نقطه خمیره گویند که اگر بیش از 1520 درجه باشد به آن دیر گداز اطلاق می شود .

پارامتر های مهم یک دیر گداز و نحوه اندازه گیری آن ها :

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

پایداری در برابر سرباره

استحکام در برابر شوک حرارتی (تغییرات ناگهانی درجه حرارت )

مقاومت در برابر فشار (در درجه حرارت اتاق و حرارت های بالا )

R.T (Room Temperature) و H.T ( High Temperature) که در دماهای

پایداری حجمی در عملیات حرارتی بعدی ( حرارت دادن مجدد )

تعیین نقطه خمیری و درجه دیر گدازی

این پارامتر که به وسیله دو مخروط به نام های زگر و اورتون سنجیده می شود بدین صورت است که مخروط دیر گداز را در کوره های عملیات حرارتی گذاشته و تا دمای مورد نیاز که معمولا 1520 درجه سانتی گراد است حرارت می دهند تا هنگامی که دیر گداز به نقطه خمیری خود رسیده و از کمر خم شود سپس زمان صرف شده در این عملیات را حساب کرده و رنج پایداری دیر گداز را به دست می آورند . 

استحکام(مقاومت) در مقابل شوک حرارتی

برای تعیین درجه شوک پذیری ابتدا قطعه دیر گداز مورد نظر را تا دمای کاربردی به مدت زمان معینی حرارت داده و سپس به طور ناگهانی و با سرعت زیاد آن را سرد می کنیم . باید توجه داشت که این کار را 30 مرتبه و بدون وقفه انجام داد . اگر دیر گداز بعد از 30 مرتبه ترک برداشته و یا خرد شود رنج شوک پذیری آن کم اما در غیر این صورت دیر گداز در مقابل شوک حرارتی مقاوم است.

عوامل موثر در شوک پذیری :

ضریب انبساط حرارتی

قابلیت هدایت حرارتی

 (Anisotropy) خاصیت آنیزوتروپی

فاز های تشکیل دهنده دیر گداز

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی

تخلخل و دانسیته

(خواص الاستیک)

ضریب انبساط حرارتی

میزان تغییرات حجمی که جسم در مقابل حرارت از خود نشان می دهد که هر چه این ضریب پایین تر باشد پایداری این جسم بیشتر است .

نکته : شوک حرارتی تنش هایی است که بین دمای درون قطعه و دمای بیرون ایجاد می شود .*

اگر فاز های یک دیر گداز یکی باشد یعنی آن دیر گداز فقط از یک فاز تشکیل شده باشد استحکام دیر گداز در مقابل شوک حرارتی بیشتر است و هر چه تعداد فاز ها بیشتر باشد ناپایداری دیر گداز نیز بیشتر است .

تغییرات فازی طی فرآیند گرمادهی :

تغییرات فازی که بر اثر تغییر درجه حرارت به وجود می آید باعث ایجاد فاز های مایع در درجه حرارت های پایین می شود .

تخلخل و دانسیته :

تخلخل و ضریب تراکم در یک دیر گداز هر چه بیشتر باشد مقاومت آن دیر گداز در برابر شوک حرارتی بیشتر است و هر چه دانسیته کمتر باشد پایداری دیر گداز بالا تر است .

الاستیک ( ضریب کشسانی ) :

هر چه الاستیسیته یک دیر گداز بیشتر باشد پایداری آن در مقابل شوک حرارتی بیشتر است .

توضیحات آزمایش:

اهمیت مواد رسی:

1-فقط خاک های رس هستند که حالت خمیری می گیرند.2-به خاطر اکسید های الومینیم وسیلیسیم که

دارای خواص فیزیکی  و شیمیایی بالا هستند

موادرسی از سه فاز مشخص تشکیل شده اند:اکسید آلومینیوم،اکسید سیلیسیم وآب.

شاموت:مواد رسی بدون آب ساختاری،اکسیدهای اصلی دارند.اکسید های اصلی دارای دمای ذوب بالا هستند و دارای ثبات شیمیایی و فیزیکی هستند.

 کمتراهمیت آن خاک رسی بیشتر می شود.SiO2 بیشتر، Al2O3 هر چه

خود آب باعث شکل پذیری و آب کار پذیری بیشتری می شود.ولی انقباض هنگام خشک شدن بیشتر می شود.

 دارد و فاز میانی ایجاد نمی کند پس بهتر است.Al2O3 دمایذوب بالاتری نسبت به Si2O

شاموت = بیسکوییت خرد شده یا خاک رسی سوخته.

اگر مونت موریلونیت داریم باید شیب سرمایش کم شود تا ترک نخورد.

هر چه دانه بندی بزرگتر تخلخل بیشتر،دانسیته کمتر،استحکام کمتر.

هرچه بالکلی بیشتر فاز شیشه بیشتر،دمای ذوب پایین تر می آید و مواد به هم می چسبندو انقباض بیشتر است.

برای جلوگیری از انقباض شدید و دیرگدازی خاک رس از مواد شاموتی استفاده می شود.

برای ساخت دیرگداز شاموتی از شاموت و یک خاک رس استفاده می شود.

 

مواد اولیه:                شاموت%                   رس%( زنوز)

                                                                40                        60

                                                           60گرم                    90گرم

 

+5% تالک+10% آب =7.5 گرم تالک +15 گرم آب

 

دانه بندی شاموت:          30 % زیر مش 50 روی مش 70 (27 گرم)

                            40% زیر مش 70 روی مش 100 (36گرم)                 

                                    30%زیر مش 100 روی مش 230(27 گرم)

 

روش شکل دهی:پرس نیمه خشک

روند آزمایش:

4 نمونه 30 گرمی در قالب مکعب مستطیل

3 نمونه  4 گرمی استوانه ای

و ا نمونه 5 گرمی مخروط زگر

نمونه ها را ساخته سپس در 1250 به مدت 2 ساعت زینتر کرده،سپس ست های مورد نظر را روی آن انجام می دهیم.

1-مهم ترین تست،تست دیرگدازی است. 10 گرم خمیر آلومینایی (90% آلومینا و10% کائولن)ساخته روی صفحه نسوز قرار داده(صفحه شیب0 5 دارد)نمون ههای مخروط زگر را روی آن قرار می دهیم. داخل کوره در دمای 12500 می گذاریم وهر 500-500 نمونه را چک می کنیم.15 دقیقه باید در هر دما بماند.در دمایی که خم شد آن دما دمای خمیری شدن است.

2-تست شوک پذیری: یک  نمونه  مکعب مستطیل شکل داخل کوره مافلی (برای شاموتی 10000 و برای آلومینایی 12000) قرار می دهیم ،30 دقیقه بماند با انبرک در می آوریم و در آب سرد به مدت 2 دقیقه می اندازیم اگر ترک نخورده بود دوباره داخل کوره می گذاریم و تعداد سیکل ها را یادداشت می کنیم.

3-استحکام فشاری:نمونه های استوانه ای

قطر نمونه ها را با کولیس اندازه می گیریم با دستگاه میزان استحکام هر کدام را اندازه گرفته بین سه نمونه میانگین می گیریم.

4- استحکام خمشی : عرض(b) و ضخامت(h) نمونه های مکعب مستطیلی  را با کولیس اندازه گرفته و با توجه به نیروی شکستی که دستگاه می دهد استحکام را به دست می آوریم.بین سه نمونه میانگین

 می گیریم.

=δ

 P: نیروی شکست(N)  و  L:فاصله دو تکیه گاه

5-دانسیته و تخلخل  نمونه های ترک خورده یا شکسته را اندازه می گیریم.

اگر نمونه ها خوب ساخته شوند تلورانس کمی دارد.بالا ترین استحکام را کائولن زدلیتز دارد.

استوانه ها
   

قطر(mm)
   

عرض(mm)
   

ضخامت(mm)

                       1
   

12025
   

30
   

6.85

2
   

12
   

31
   

7

3
   

12
   

31
   

6.75

 
   

وزن خشک
   

وزن اشباع
   

وزن غوطه وری

نمونه1
   

14.92
   

16.9
   

9.2

نمونه2
   

15.89
   

18.18
   

9.53

نمونه3
   

15.63
   

17.62
   

9.36

میانگین
   

15.48
   

17.56
   

9.36
                               

 

بالکلی طبس
   

زنوز
   

زنوزسوپر
   

زدلیتز
   

 

 
   

15.27
   

12.84
   

12.78
   

استحکام خمشی

 
   

33.77
   

33.34
   

46.31
   

استحکام فشاری

 
   

2.53
   

2.68
   

2.723
   

دانسیته ظاهری

 
   

1.88
   

1.98
   

2.055
   

دانسیته کلی

 
   

25.36
   

25.99
   

24.5
   

تخلخل باز

<23
   

>23
   

>23
   

>23
   

شوک پذیری

1550
   

1450
   

1450
   

1500
   

دیرگدازی

 

با توجه به نتایج سایر گروه ها بالکلی از همه خاک ها دیر گدازترو زنوز از استحکام خمشی بالاتری برخوردار است.استحکام فشاری نیز زدلیتز از سایر خاک ها بالاتر است .البته ما عددهای مربوط به بالکلی(گروه4) را نداریم.

دانسیته نیز،دانسیته ی زدلیتز بیشتر می باشدو به همین علت تخلخل آن نیز کمتر از سایرین است.

شوک پذیری همه خاک ها یکسان است.

خطاهای آزمایش:

1-خطا هنگام توزین

2-خطای دستگاه universal

3-خطای باز وبسته شدن در کوره

4-خطا به هنگام پرس

مراجع

در فصل نامه ى کاشى و سرامیک شماره ى دوم و سوم))D.Engmann ،Interceram 4/2000،Pag 25 *ترجمه ى مقاله ى

www.physic.persianblog.com*وب سایت تخصصى فیزیک

http:/dancshnamch.roshd.ir*

http:/fa.wikipcdia.org/wiki/*

www.aftab.ir*