玻璃中材料鉴别检测方案(动态热机械)

智能文字提取功能测试中

许炎山 TA Instruments-Waters LLC 据说远在6，000到7，000年前人类就已经知道玻璃了，但如果真正说到可以制造更轻更透明面积更大的平板玻璃的技术，则也只不过是百来年的经验而已，如今玻璃的存在已经遍布人类的生活领域了!举凡建筑，装潢，车辆，玩具，艺品，器具，容器…以外，在这多姿多采的花花世界里头，各式各样的显示器更是少不了她!并且在现在这样的电子光电世界的宠幸之下，要能够真正应用的得心顺手，不管是在材料资选，最佳制程推演，以及成品特性等等更为深入的课题，就非要更加明白其物理与化学特性不可!针对物理特性方面，热分析技术有着极其优异的发挥空间，以下兹以热机械分析仪(TMA)为例说明热分析技术切入玻璃类材料的实例，相信必定能引起有心人士高度兴趣吧! 玻璃(Glass)究竟何指，或许人言人殊.在此下个较严谨的定义：玻璃就是一种无机性，在冷却硬化后不产生结晶的物质.(狭义的)亦即具有三个特征： (1) 玻璃不是结晶物， (2)由热熔状态冷却而得，，以及 (3)纯系无机成分. 在此定义下便可判断光通讯用的玻璃纤维不属于玻璃类，因为它系以气相反应蒸着的方法做成的，而非以热熔态制成的，违背上属第(2)项. 另外还有一个较宽松的定义：玻璃就是一种非结晶性固态并具有玻璃转移温度特征的物体.(广义的)亦即具有二个特征： (1)玻璃不是结晶物， (2)具有玻璃转移现象(Glass Transformation Phenomenon) 玻璃转移现象是使将玻璃物质加热成液态或将超冷态(supercooled)液体冷却为玻璃时，其热膨胀系数(thermal expansion coefficient)与比热(specific heat capacity)在熔点以下的某个温度(通常介于1/2~2/3Tm)有很大的转变，此称为玻璃转移温度(Tg).因此，由定义上玻璃其实就是一种超冷的液体(由 Glass Dictionary).如(图一)所示. 那么，玻璃的哪些物理特性是很引人关注的呢?其项目与定义如下所示： (1)结晶(crystallization)-玻璃液中产生晶体的现象，可以由 X-Ray 或热分析之 DSC/DTA获悉. (图一)玻璃转移现象 (2)工作点(working point)-相应于玻璃粘度为 10 Poise 时的温度，在此温度下玻璃因低黏度而可进行塑造或密封作业，目前由高温黏度计测得. (3)软化点(softening point) -相应于玻璃粘度为 10 exp[7.6] Poise时的温度，又称软化温度.目前有商品化专用测试仪(ASTM C 338 Littleton Fiber Elongation Method)， 在以 5C/min升温速率扫描下，对于 0.5mm直径玻璃丝因自重而发生高达 1cm/min形变速率时之对应温度.或高温黏度计测得.在本篇叙述中，特以 TMA 来探讨可靠的替代性量测方法的可行性. (4)退火点(annealing point)-在此温度下玻璃因先前于塑造或密封作业后迅速冷却所发生的内应力，可以在数分钟之内消除.目前有商品有专用测试仪(ASTM C 336)借着量测玻璃丝在不同温度下的拉伸速率而测得. (5) 转移温度(transformation temperature)-相应于玻璃粘度为10 exp[13] Poise 时的温度，在该温度下在该温度下，玻璃的的射率、比热、热膨胀系数发生突变.可利用 TMA 来测得. (6)应变点(strain point) -相应于玻璃粘度为10 exp[14.5~14.6] Poise时的温度，在该温度下处理若干小时后，玻璃内应力开始消除.可借着外差退火点试验的数据而获得. (7)应力(stress)-由于玻璃内部存在因温差或因化学组成不均匀导致结构上的不均匀，以及当有外力作用时而在其内部单位截面上产生的相互作用力.可藉由双折射率差(birefringence)量测而获得. 本篇将以 TMA 为工具，在一升温程序中依序获得线膨胀系数，玻璃转移温度(Tg)，变形温度(Td)及软化温度(Ts).量测装置与参数说明如下： (A)量测装置 热机械分析仪 TMA， TA Instruments (图二) TMA (TA Instruments) {结构图 (图三)半球型 Hemispherical Probe 外观图 (B)样品制备 玻璃热熔下倒入模中徐冷固化，经研磨-切割-研磨过程制为5mmX5mmX20mm之光滑平整状长方体试片. (C)实验参数10 C/minN2 Purge 50cc/min F=0.1N 试片直立式量测 试片底部放置石英保护片 试片顶部放置铝箔保护片 (D)实验结果(两次并列) 玻璃态线膨胀系数(50~300 C)： 8.68，8.52 (ppm/C) Tg：384.2， 385.0 deg C(由转折切线决定) Td： 416.5，418.0 deg C(线膨胀系数为零之处) (图三显示第一次的试验图谱 Alfa，Tg，Td) Ts：459.4，458.8 deg C (1000 um Penetration from Top) (图四显示第一次的试验图谱 Ts) (图五显示第一次与第二次的试验图谱叠图) (E)结论 利用 TMA 配合半球型石英探针，确实可以在一次实验中有效决定玻璃类材料的线膨胀系数，Tg，Td 及 Ts.节省许多时间与金钱之浪费. (图三) (图四) (图五) TA Instruments-Waters LLCwww.tainstruments.com.cn 海市钦州北路大厦(