Хрупкость - Fragility

Эта статья о свойствах стеклообразующих жидкостей. Для использования в других целях см. Хрупкость (значения).
График Аррениуса хрупкости стеклообразования, включая прочные и хрупкие стеклообразователи. Это представление о хрупкости известно как «сюжет Энджелла».

В физика стекла, хрупкость характеризует, насколько быстро замедляется динамика материала по мере его охлаждения в направлении стеклование: материалы с более высокой хрупкостью имеют относительно узкий диапазон температур стеклования, в то время как материалы с низкой хрупкостью имеют относительно широкий диапазон температур стеклования. Физически хрупкость может быть связана с наличием динамическая неоднородность в стеклах, а также к нарушению обычной зависимости Стокса – Эйнштейна между вязкостью и диффузией.

Определение

Формально хрупкость отражает степень отклонения температурной зависимости вязкости (или времени релаксации) от Поведение Аррениуса.[1] Эта классификация была первоначально предложена Остин Энджелл.[1][2] Наиболее распространенное определение хрупкости - «индекс кинетической хрупкости». м, характеризующий наклон вязкость (или время релаксации) материала с температурой, приближающейся к температуре стеклования сверху:

куда вязкость, Тграмм - температура стеклования, м это хрупкость, а Т это температура.[3] Стеклообразователи с высокой хрупкостью называют «хрупкими»; те, у которых низкая хрупкость, называются «сильными».[4] Например, кремнезем имеет относительно низкую хрупкость и называется «прочным», тогда как некоторые полимеры обладают относительно высокой хрупкостью.[3] и называются «хрупкими». Хрупкость не имеет прямого отношения к разговорному значению слова «хрупкость», которое более тесно связано с хрупкость материала.

Несколько параметров хрупкости были введены для характеристики хрупкости жидкостей, включая параметры Брюнинга – Саттона,[5] Аврамов [6] и параметры хрупкости Doremus.[7] Параметр хрупкости Брунинга – Саттона. м зависит от кривизны или наклона кривых вязкости. Параметр хрупкости Аврамова α основан на формуле вязкости типа Кольрауша, полученной для стекол: сильные жидкости имеют α ≈ 1, тогда как жидкости с более высокими значениями α становятся более хрупкими. Доремус указал, что практически все расплавы отклоняются от поведения Аррениуса, например энергия активации вязкости изменяется от высокого QЧАС при низкой температуре до низкого QL при высокой температуре. Однако асимптотически как при низких, так и при высоких температурах энергия активации вязкости становится постоянной, например не зависит от температуры. Изменения, происходящие в энергии активации, однозначно характеризуются соотношением между двумя значениями энергии активации при низких и высоких температурах, которые, как предположил Дормус, можно использовать в качестве критерия хрупкости: RD= QЧАС/ QL. Чем выше RDЧем более хрупкими являются жидкости, коэффициенты хрупкости Doremus колеблются от 1,33 для германия до 7,26 для расплавов диопсида.

Критерий хрупкости Дормуса может быть выражен через термодинамические параметры дефектов, обеспечивающих вязкое течение в оксидных расплавах: RD= 1 + Hd/ЧАСм, где Hd - энтальпия образования, а Hм - энтальпия движения таких дефектов. Следовательно, хрупкость оксидных расплавов является внутренним термодинамическим параметром расплавов, который может быть однозначно определен экспериментально.[8]

Хрупкость также может быть выражена аналитически через физические параметры, которые связаны с потенциалом межатомного или межмолекулярного взаимодействия.[9] Он задается как функция параметра, который измеряет крутизну межатомного или межмолекулярного отталкивания, и как функцию тепловое расширение коэффициент жидкости, который, напротив, связан с притягивающей частью межатомного или межмолекулярного потенциала. Анализ различных систем (от Леннард-Джонс от модельных жидкостей к металлическим сплавам) показал, что более крутое межатомное отталкивание приводит к более хрупким жидкостям или, наоборот, мягкие атомы делают сильные жидкости.[10]

Недавний синхротронное излучение дифракция рентгеновских лучей Эксперименты показали четкую связь между эволюцией структуры переохлажденной жидкости при охлаждении, например усилением пиков Ni-P и Cu-P в функции радиального распределения, близкой к стеклованию, и хрупкостью жидкости.[11][12][13]

Физические последствия

Физическое происхождение неаррениусовского поведения хрупких стеклообразователей является областью активных исследований в физике стекла. Достижения последнего десятилетия связали это явление с наличием локально неоднородной динамики в хрупких стеклопластиках; то есть наличие отдельных (если временные) медленных и быстрых областей в материале.[1][14] Этот эффект также был связан с поломкой Соотношение Стокса – Эйнштейна. между диффузией и вязкостью в хрупких жидкостях.[14]

Рекомендации

  1. ^ а б c Debenedetti, P.G .; Стиллинджер (2001). «Переохлажденные жидкости и стеклование». Природа. 410 (6825): 259–267. Bibcode:2001Натура.410..259D. Дои:10.1038/35065704. PMID  11258381. S2CID  4404576.
  2. ^ Энджелл, К. А. (1995). «Формирование стекол из жидкостей и биополимеров». Наука. 267 (5206): 1924–1935. Bibcode:1995Научный ... 267.1924A. Дои:10.1126 / science.267.5206.1924. PMID  17770101. S2CID  927260.
  3. ^ а б Новиков, В. Н .; Дин, Соколов (2005). «Взаимосвязь хрупкости переохлажденных жидкостей с упругими свойствами стекол». Физический обзор E. 71 (6): 12. Bibcode:2005PhRvE..71f1501N. Дои:10.1103 / Physreve.71.061501. PMID  16089737.
  4. ^ Ediger, M.D .; Angell, C.A .; Нагель, С. Р. (1996). «Переохлажденные жидкости и стаканы». Журнал физической химии. 100 (31): 13200–13212. Дои:10.1021 / jp953538d.
  5. ^ Bruning, R .; Саттон, М. (1996). «Хрупкость стеклообразующих систем и ширина стеклования». J. Non-Cryst. Твердые тела. 205–207: 480–484. Bibcode:1996JNCS..205..480B. Дои:10.1016 / с0022-3093 (96) 00264-5.
  6. ^ Аврамов, И. (2005). «Вязкость в неупорядоченных средах». Журнал некристаллических твердых тел. 351 (40–42): 3163–3173. Bibcode:2005JNCS..351.3163A. Дои:10.1016 / j.jnoncrysol.2005.08.021.
  7. ^ Дормус, Р.Х. (2002). «Вязкость кремнезема». J. Appl. Phys. 92 (12): 7619–7629. Bibcode:2002JAP .... 92.7619D. Дои:10.1063/1.1515132.
  8. ^ Ojovan, M.I .; Travis, K.P .; Хэнд, Р.Дж. (2007). «Термодинамические параметры связей в стеклообразных материалах из зависимости вязкости от температуры» (PDF). J. Phys .: Condens. Иметь значение. 19 (415107): 1–12. Bibcode:2007JPCM ... 19O5107O. Дои:10.1088/0953-8984/19/41/415107. PMID  28192319.
  9. ^ Krausser, J .; Samwer, K .; Закконе, А. (2015). «Мягкость межатомного отталкивания напрямую контролирует хрупкость переохлажденных металлических расплавов». Труды Национальной академии наук США. 112 (45): 13762. Дои:10.1073 / pnas.1503741112. PMID  26504208.
  10. ^ Krausser, J .; Lagogianni, A .; Samwer, K .; Закконе, А. (2017). «Распутывание межатомного отталкивания и ангармонизма в вязкости и хрупкости стекол». Физический обзор B. 95 (10): 104203. arXiv:1703.06457. Дои:10.1103 / PhysRevB.95.104203. S2CID  55455714.
  11. ^ Маттерн, Н. (2007). «Структурообразование в жидких и аморфных металлических сплавах». Журнал некристаллических твердых тел. 353 (18–21): 1723–1731. Bibcode:2007JNCS..353.1723M. Дои:10.1016 / j.jnoncrysol.2007.01.042.
  12. ^ Louzguine-Luzgin, D.V .; Белослудов, Р .; Yavari, A. R .; Георгаракис, К .; Vaughan, G .; Kawazoe, Y .; Эгами, Т .; Иноуэ, А. (2011). «Структурные основы хрупкости переохлажденной жидкости, установленные методом синхротронного излучения и компьютерным моделированием» (PDF). Журнал прикладной физики. 11 (4): 043519–043519–6. Bibcode:2011JAP ... 110d3519L. Дои:10.1063/1.3624745.
  13. ^ Johnson, M. L .; Bendert, J.C .; Келтон, К. Ф. (2013). «Структурная эволюция в жидкостях и стеклах Ni-Nb и Ni-Nb-Ta - мера хрупкости жидкости?». Журнал некристаллических твердых тел. 362: 237–245. Дои:10.1016 / j.jnoncrysol.2012.11.022.
  14. ^ а б Angell, C.A .; Ngai, K. L .; McKenna, G.B .; McMillan, P. F .; Мартин, С. В. (2000). «Релаксация в стеклообразующих жидкостях и аморфных телах». Appl. Phys. Rev. 88 (6): 3113–3157. Bibcode:2000JAP .... 88.3113A. Дои:10.1063/1.1286035.