تحقیق مقاله شناخت و بررسی انواع شیشه های اپتیکی

مقدمه

میدانیم که در طبیعت ماده به سه صورت گاز،مایع و جامد وجود دارد که این سه حالت قابل تبدیل به یکدیگر هستند.

تعاریفی که برای این حالت های ماده به کار برده شده به این صورت میباشد:

گاز:

حالتی ازماده است که در ان نیروی جاذبه بین ملکول ها ضعیف بوده و تحرک شدید ملکول ها یا اتم ها وجود هر گونه نظم هندسی را در بین ذرات غیر ممکن میسازد،بنابراین گاز نه حجم ثابت ونه شکل ثابتی دارد.

مایع:

مایعات از نظر بی نظمی و سیالیت مثل گازرفتار میکنند و از نظر تراکم مولکولی مثل جامداتند.

جامد:

در جامدات نیروی جاذبه بین مولکول ها محکم بوده و تحرک مولکول ها نسبت به یکدیگرکم و مولکول ها و اتم ها نظم هندسی مشخسی دارند.

اما شیشه...

شیشه از نظر شفافیت ظاهری مثل آب دارد ولی عملا سیالیت آاب را نداردو شکل ظاهری آن سخت وصلب است، به دلیل بی نظمی در ساختمان مولکولی اش حتی در حالت سخت و صلب خود ماهیت مایع رادارد ،

به عبارتی مذاب شیشه در طی سرد شدن بر خلاف مایعات معمولی ،بدون تشکیل یک ساختمان منظم مولکولی سخت و جامد میشود .

در مایعات معمولی مانند اب وقتی که سرد میشود و به محض رسیدن به دمای انجماد شروع به یخ زدن میکند یا به عبارتی با تشکیل واحد های بلوری منظم جامد میشود ، ولی برای شیشه این طور نیست.

مذاب شیشه در مرحله ی سرد شدن بدون ایجاد تبلور و نظم مولکولی درونی پس از گذشتن از دمایی که به ان دمای شیشه ای شدن (TG )میگویند سخت و صلب میشود.

منحنی زیر نشاندهنده ی این تعاریف است.

تعریف دیگری برای شیشه این است که شیشه ماده ایست بی شکل که در درجه حرارت های معمولی مثل یک جامد سخت عمل میکند ولی در درجه حرارت های بالا به تدریج نرم  و ذوب شده و به مایعی روان تبدیل میشود.

ترکیبات شیشه :

عنصر اصلی تشکیل دهنده اکثر شیشه ها سیلیسیم است . اکسید سیلیسیم یکی ازفراوانترین کانیهای موجود در پوسته زمین است که به ان سیلیس گفته میشود(SIO2  )و به اشکال مختلف در طبیعت وجود دارد .

سیلیس به تنهایی شیشه ساز است و شیشه خالص سیلیسی دارای موغوبیت بسیار خوبیست ولی به دلیل نقطه ذوب بالای سیلیس و اقتصادی نبودن تولید معمولا عناصر دیگری به عنوان تعدیل کننده یا روان ساز به ان اضافه میشود .

البته اکثر عناصر جدول تناوبی به طریقی به صورت کم یا زیاد در ترکیب انواع شیشه ها وارد میشوند.

از رایج ترین ترکیبات شیشه ، شیشه هاییست که از ترکیب سیلیس ،اکسید سدیم یا پتاسیم و اکسید اهک تشکیل شده که شیشه های سیلیکاتی سودا-لایم گفته میشوند، اکثر شیشه های در و پنجره و ظروف از این نوع هستند.

اشکال زیر چگونگی تفاوت ساختمان کریستال کوارتز و شیشه کوارتز و شیشه سیلیکاتی را نشان میدهد. همان طور که در شکل مشخص است کریستال کوارتز یک شبکه منظم از چهار وجهی های SIO4 را

تشکیل داده.

در شیشه کواتز زاویه بین اتم ها یا پیوند اتم ها ثابت نیست و شبکه چند وجهی منظم را ندارد و در واقع یک شیشه نا منظم تشکیل شده است.

 وقتی تعدیل کننده هایی مثل سدیم و کلسیم وارد شبکه شیشه میشوند شبکه به راحتی شکسته شده و این یونهای قلیایی در حفره های شبکه جای میگیرند.

غیر از شیشه های سیلیکاتی سودا-لایم شیشه های زیادی که کاربرد زیادی دارند عبارتند از:

شیشه های سربی که دارای ترکیبات سرب هستند و در ساخت عدسی ها و فیلتر ها به کار میروند.

شیشه های بور و سیلیکات که دارای ترکیبات بور هستند و در تولید اکثر لوازم ازمایشگاهی ، برخی از شیشه های ظروف و در شیشه های اپتیکی به کار نیروند.

شیشه های باریمی که دارای ترکیبات باریم هستند و در ساخت عدسی ها و فیلتر ها به کار میروند.

شیشه هایی با ترکیبات عناصر کمیاب مثل ( لانتانید ها – تانتالید ها و تیتانیوم ...) که برای تولید شیشه های اپتیکی به کار میروند .

امروزه مواد الی معینی میتوانند با روش های مشخص به صورت سخت و با ساختمان بی مظم تولید شوند و در واقع شسشه الی تولید شود .

گرچه در زبان محاوره ای به این ترکیبات شیشه گفته نمیشود ، اما انواع هارد رزین ها و رزین های ترمو پلاستیک از این نوع شیشه الی هستند که کاربرد فراوانی هم پیدا کرده اند.

روش ساخت شیشه

فرایند های عمده در ساخت شیشه عبارتند از :

ذوب

شکل دهی

تنش زدایی( آنیلینگ)

در مرحله ذوب مخلوطی از مواد و عناصر مختلف با اندازه و دانه بندی مشخص به صورت گچ تهیه شده و بعد در کوره ذوب طی مراحلی تا دمای ذوب ( این دما بسته به ترکیب شیشه تفاوت دارد ) به منظور به دست اوردن شیشه ای هموژن و عاری از معایب ذوب میشود.

در شکل دهی شیشه مذاب را یا به صورت تمام اتوماتیک یا دستی از طریق کشش شیشه یا قالب ریزی یا پرس به فرم مورد نظر شکل میدهند.

در مرحله بعد با به تدریج سرد کردن شیشه و رساندن ان به دمای محیط ( با کنترل دقیق دما ) باعث میشوند که تنش های درون شیشه ازاد شده یا به حداقل برسد.

هر یک از این مراحل برای ترکیبات مختلف ویژگیهای خاص خود را دارد ولی از انجا که عواملی مثل حبابها ، غیر هموژن شدن مذاب شیشه و حضور رگه و دیگر ناخالصیهای شیشه پارامترهای مشترکی در مراحل ساخت انواع شیشه هاست ، سعی بر این است که این مشکلات به حداقل رسانده شود .

مشخصا در مورد شیشه های اپتیکی حذف این معایب حائز اهمیت است

کلیات

  شیشه جامدی آمورف ومعدنی است که معمولا از انجماد سریع مذاب بدون تبلور،تا دمای اتاق بدست می آید.برخی ان را مایع فوق تبرید (super cooled) می نامند .شیشه در دمای اتاق سفت و شکننده است ولی می توان به تعداد نامحدودی ذوب و مجددا شکل داد. وزن مخصوص آن حدودgr/cm3  6/2-3/2 و مقاومت کششی آن بدلیل وجود معایب سطحی از قبیل ترک های موئی (Microcracks) و نقایص دیگر پایین و حدود 700-350

Kg/cm2 است ولی مقاومت فشاری آن بسیار بالا و در حدود kg/cm2 3500 است.

نظریه تشکیل شیشه برای اولین بار در سال 1932 میلادی توسط دانشمندی بنام زاخاریاسن (Zachariasen ) و بعد از او در سال های 1938-1933 توسط وارن Warren)) و همکارانش پیشنهاد گردید.نظری های دیگری ارائه شدند ولی ازاهمیت کمتری برخوردارند. از شیشه به دلیل شفافیت،مقاومت در برابر خوردگی و عایق بودن استفاده های فراوانی می شود وامروزه، تقریبا بیش از 800 نوع شیشه مختلف به بازار عرضه می گردد.شیشه های معمولی را از ذوب سیلیس با مواد قلیایی و مواد پایدار کننده از قبیل آهک ،آلومین ،سرب و باریم تولید می کنند.شیشه بطری ،شیشه تخت و شیشه پنجره (جام) معمولا دارای سلیس ، آلومین ، اکسید کلسیم و اکسید سدیم است.

خواص شیشه ها

هدف اصلی استفاده از شیشه در ساختمان ، عبور نور طبیعی بدون ایجاد ناراحتی و مزاحمت به ساکنین آن است.اخیرا نیز مسائلی از قبیل صرفه جویی در انرژی ،کنترل دما، ایمنی و زیبایی نیز مطر اند که باید در هنگام انتخاب شیشه و نصب آن در ساختمان های جدید کاملا مد نظر طراح قرار گیرند.

خواص شیمیایی

 شیشه ها در برابر عوامل خورنده از قبیل اسیدها و بازها به جز اسید فلوئیدریک مقاوم اند.

خواص نوری

از مهم ترین خواص شیشه ، خواص نوری آن است که آن را برای مقاصد مختلف مختلف از جمله ساختمان ، معماری ،حمل ونقل و ارتباطات ، تجهیزات علمی و تجهیزات پزشکی جالب توجه ساخته است.

 مهم ترین خواص نوری شیشه انعکاس ، شکست ،پراکندگی و عبور است. هر چند شیشه ها در برابر نور مرئی و مادون قرمز شفافند ولی اغلب آن ه در برابر نور ماوراء بنفش مات اند. برای عبور یا جذب محدوده خاصی از طول موج نور فیلتر های ویژه گرما استفاده می شود. برای تغییر در قدرت انعکاس نور ، گاه سطح شیشه را طراح دار یا مشجر می کنند.

انعکاس

 هنگامی که نوری به سطح شیشه می تابد قسمتی از آن منعکس می شود که آن را با R نشان می دهند. R  اول کلمه Reflection به معنی انعکاس است.

انعکاس کاملا به زاویه تابش ، یعنی زاویه بین اشعه نور و خط عمود بر سطح شیشه بستگی دارد.هر چقدر زاویه تابش بیش تر باشد مقدار انرژی (نور) منعکس شده بیش تر است. شیشه هایی که ضریب شکست بالایی دارند نسبت به شیشه هایی که ضریب شکست پایین تری دارند نور تابیده شده را بیش تر منعکس می کنند.

شکست

 اگر نور از یک محیط به محیط دیگری وارد شود مسیر آن تغییر می کند.مقدار مسیر بیانگر ضریب شکست است که ان را از قانون اسنل محاسبه می کنند.

پراکندگی

 پراکندگی معیاری از تغییر ضریب شکست نسبت به طول موج است.این تغییر باعث تفکنیک اجزای نور در منشور می گردد.تشکیل قوس قزح نیز به دلیل پراکندگی نور در قطره و ذرات آب است.

عبور

 نوری که بر شیشه می تابد مقداری از آن منعکس ومقداری از آن عبور می کند.مقدار نوری که از شیشه عبور می کند به ضخامت شیشه ،وضعیت سطح (صاف، خشن،...) و نوع پوشش آن بستگی دارد.

شیشه صاف و روشن به ضخامت 3 میلیمتر ، 91 درصد نور روز را از خود عبور می دهد در حالی که اگر ضخامت شیشه 25 میلیمتر باشد ، فقط 78 درصد نور را از خود عبور می دهد.

جذب

 وقتی نور خورشید بر شیشه می تابد قسمتی از آن جذب می شود. در مورد شیشه پنجره های معمولی ، جذب کسر بسیار جزئی از تابش را تشکیل می دهد. تغییرات عبور، انعکاس و جذب نور خورشید را از شیشه معمولی یک لایه در دیوار جنوبی و در عرض جغرافیایی 45 درجه نشان می دهد.

جذب، حاصل بر هم کنش الکترون های ظرفیت با فوتون های تابشی است.زیرا در اثر این بر هم کنش فوتون ها این انرژی خود را از دست می دهند لذا ممکن است جذب شوند.جذب وقتی اتفاق می افتد که که گاف انرژی ماده کوچک باشند . ولی اگر گاف انرژی، از انرژی فوتون های تابیده بزرگتر باشد، فوتون ها ممکن است عبور کنند.

ویسکوزیته یا ناروانی

 مایعات قادر به تحمل نیروی برشی نیستند و سیلان می یابند. ویسکوزیته را با ضریب ویسکوزیته که بیانگر اصطکاک داخلی مایع است اندازه گیری می کنند.

تبلور

 اگر شیشه ها را به مدت طولانی در دمای مناسبی حرارت دهیم متبلورمی شوند. ولی در بین اکسیدها B2o3 ودر بین سیلیکات ها فلدسپارپتاسیک (k2o.Al2 o3.6Sio2) از این قاعده مسیثنی هستند که حتی حرارت طولانی نیزنمی تواند آن ها را متبلور سازد.اخیرا در دسته ای از شیشه ها به طور عمدی تبلور ایجاد می کنند ، که به گروه شیشه - سرامیک مشهورند.

کشش سطحی

 نیروی لازم برای افزایش سطح، کشش سطحی نامیده می شود و از نظر عددی برابر کار لازم در واحد سطح برای ایجادسطح جدید بوده و واحد آن N/M است.

کشش سطحی شیشه های سیمیکاتی معمولا در حدود mN/m 360-200 است و با افزایش دما مقداری کاهش می یابد.

هدایت حرارتی

 هدایت حرارتی شیشه ها در دمای اتاق بین W/cmK 138./.- 71../. قرار دارد.

هدایت الکتریکی

شیشه ها در حالت جامد عایق های الکتریکی خوبی هستند درحالی که در حلت مذاب هادی الکتریکی می باشند. لذا مذاب شیشه را می توان را می توان با عبور مستقیم جریان الکتریکی حرارت داد.هدایت الکتریکی در شیشه ها از نوع الکترولیتی است. بدین معنی که جریان الکتریکی تئسط یون ها صورت می گیرد.حرارت دادن شیشه ها با جریان الکتریسیته مستقیم باعث تفکیک و جدایش یون ها می شود.برای رفع این مشکل از جریان الکتریکی متناوب استفاده می شود.

خواص مکانیکی

رشته های بی عیب شیشه تنشی معادل Kg/cm2 70000 را تحمل می کنند ، که بیش از 5 برابر تحمل فولاد است.اما معایب و نواقص سطحی تأ ثیر عمده ای بر خواص مکانیکی شیشه دارد.این معایب باعث تمرکز تنش ونتیجتا ترک خوردن شیشه می شود و مقاومت واقعی را به 0.01 مقاومت نظری کاهش می دهد.

از آنجایی که شیشه ساختمانی هموژن دارد، خواص آن در جهات مختلف یکسان است و به محض شروع ترک می کند.برای جلوگیری از ترک خوردگی و افزایش مقاومت شیشه ، سطح آن بابد کاملا صیقلی عاری از هر گونه عیب باشد.