Transport phenomena and diffusion anomalies in glass

• Autorzy: Schaeffer H. A.

Warianty tytułu

PL

Zjawiska transportowe i anomalie dyfuzji w szkłach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Mass transport processes in glass can be differentiated according to the type of diffusion species: gases, network modifiers and network formers. The mobilities of these species give rise to a variety of diffusion-controlled processes and properties. Interface reactions (such as dissolution of sand grains by sodium silicate melts, corrosive attack of refractory material by glass melts, devitrification in a soda-lime-silica glass) will be discussed where the chemical potential is the driving force for establishing "up-hill" diffusion profiles. With the help of phase diagrams the diffusion pathways can be predicted. The formation of the tin concentration maximum ("tin hump"), which is found in nearsurface regions at the bottom side of float glass, is a further example of up-hill diffusion, in this case induced by redox reaction. The result of the mixed-alkali effect of a homogenously melted soda-potassia-lime-silica glass series and of an ion-exchanged glass (soda-lime-silica glass treated in KNO3) is compared with respect to their electrical resistivity. In ion-exchanged glass only sodium acts as a charge carrier, whereas in regular mixed-alkali glasses both alkalis can be responsible for electrical conduction. Moreover, sodium diffusion anomalies in SiO2 glasses are reviewed and a possible mixed-alkali effect on the impurity level between sodium and the OH content is revealed. A further sodium diffusion anomaly (sharp increase of mobility) was detected in silica glass at the temperature of the ?-? quartz phase transformation, thus indicating that a preordered quartz-type structure seems to exist in silica glass. Finally, the role of the diffusivities of network oxygen, molecular oxygen and silicon in silica glass is interpreted. The oxygen mobilities govern the growth of passivating SiO2 layers on silicon-containing materials (such as silicon, silicon carbide, silicon nitride) whereas the silicon mobility is responsible for viscous flow.

PL

Procesy transportu masy w szkle mogą być zróżnicowane w zależności od typu dyfundujących składników: gazy, modyfikatory sieciowe i składniki więźbotwórcze. Ruchliwości tych składników dają przyczynek do powstania rozmaitości procesów kontrolowanych dyfuzją i właściwości. Omówione zostaną reakcje takie jak rozpuszczanie cząstek piasku przez stopy sodowo-krzemianowe, korozyjny atak stopów szklanych na materiały ogniotrwałe, dewitryfikacja w szkle sodowo-wapniowo-krzemionkowym, zachodzące na powierzchni rozdziału faz, w których potencjał chemiczny jest siłą napędową ustalania się profili dyfuzji wstępującej. Tworzenie się maksimum stężenia cyny ("garb cynowy"), które znajdowane jest w obszarach przypowierzchniowych na stronie dolnej szkła płaskiego z metody float, jest następnym przykładem dyfuzji wstępującej, w tym przypadku wywołanej przez reakcje redox. Porównuje się wpływ efektu mieszanego alkalicznego w przypadku jednorodnie stopionej serii szkła sodowo-potasowo-wapniowo-krzemionkowe i wymiany jonowej w szkle (szkło sodowo-wapniowo-krzemionkowe) na rezystywność elektryczną szkieł. W szkle pochodzącym z wymiany jonowej jedynie sód działa jako nośnik ładunku elektrycznego, podczas gdy w normalnych szkłach otrzymanych z mieszaniny alkaliów obydwa składniki alkaliczne mogą być odpowiedzialne za przewodnictwo elektryczne. Ponadto, przeglądowi poddane są anomalie dyfuzji sodu w SiO2, aby ujawnić możliwy wpływ efektu mieszanego alkalicznego na poziom zanieczyszczeń pomiędzy zawartością sodu i OH. Na koniec, interpretacji poddawana jest rola dyfuzyjności tlenu sieciowego, tlenu cząsteczkowego i krzemu w szkle krzemionkowym. Ruchliwość tlenu rządzi wzrostem pasywujących warstw SiO2 na materiałach zawierających krzem takich jak krzem, węglik krzemu i azotek krzemu, podczas gdy ruchliwość krzemu odpowiedzialna jest za płynięcie lepkościowe.

Słowa kluczowe

EN

Ionic diffusivity; mixed-alkali effect; Diffusion anomaly; Interface reaction; Diffusion-controlled process

PL

dyfuzja jonowa; mieszany efekt alkaliczny; anomalia dyfuzji; reakcja na granicy międzyfazowej; proces kontrolowany dyfuzją

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 64, nr 2
• Strony: 156--161
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Schaeffer H. A.

Bibliografia

• [1] Löffler J.: „Diffusion processes around a sand grain”, Glastech. Ber., 30, (1957), 129-133.
• [2] Röttenbacher R., Mörtel H., Schaeffer H.A.: „Reaction processes between SiO2 and a sodium silicate melt, Part 2. Reactions at the phase boundary”, Glastech. Ber., 49, (1976), 278-284.
• [3] Dietzel A.: „Correlation between phase diagrams, reaction paths and structure of melts”, Glastech. Ber., 40, (1967), 378-381.
• [4] Schaeffer H.A.: „Modifications and value-added processes of glass surfaces”, in Werkstoff Glas II (Lohmeyer S. Ed.), Expert Verlag, Ehningen (1987), 1-25.
• [5] Sieger J.S.: „Chemical characteristics of fl oat glass surfaces”, J. Non-Cryst. Solids, 19, (1975), 213-220.
• [6] Franz H.: „Ion exchange and redox reactions in the float bath”, Glastech. Ber. Glass Sci. Technol., 68 C 1, (1995), 15-20.
• [7] Heide G., Muller-Fildebrandt C., Moseler D., Frischat G.H., Meisel W., Maldener A., Zouine-Thimm A., Rauch F.: „Tin in float glass: A diffusion-reaction model based on surface analysis explains the tin hump”, Glastech. Ber. Glass Sci. Technol., 73,C 2, (2000), 321-330.
• [8] Tomandl G., Schaeffer H.A.: „Relation between the mixed-alkali effect and the electrical conductivity of ion-exchanged glasses”, Non-Crystalline Solids, Trans.Tech.Public. (1977), 480-485.
• [9] Varshneya A.K.: „Data on ionic diffusion and electrical conduction in glass”, in Fundamentals of Inorganic Glasses (Varshneya A.K. Ed.), Society of Glass Technology, Sheffield (2006), 2nd ed., 390-397.
• [10] Tomandl G., Schaeffer, H.A.: „The mixed-alkali effect – A permanent challenge”, J. Non-Cryst. Solids, 73, (1985), 179-196.
• [11] Schaeffer H.A., Mecha J., Steinmann J.: „Mobility of sodium ions in silica glass of different OH content”, J. Am.,Ceram.,Soc., 62, (1979), 343-346.
• [12] Frischat G.H.: „Sodium diffusion in natural quartz crystals“, J. Am. Ceram. Soc., 53, (1970), 357.
• [13] Frischat G.H.: „Anomalous diffusion behavior of sodium in SiO2 glass: I”, Phys. Chem. Glasses, 11, (1970), 25-29.
• [14] Schaeffer H.A. and Mecha, J.: „Sodium diffusion anomaly in high-silica glass”, J. Am. Ceram. Soc., 57, (1974), 535.
• [15] Schaeffer H.A.: „Diffusion-controlled processes in glass-forming melts”, J. Non-Cryst. Solids, 67, (1984), 19-33.
• [16] Schaeffer H.A.: „Oxygen and silicon diffusion-controlled processes in vitreous silica”, J. Non-Cryst. Solids, 38/39 (1980), 545-550.
• [17] Brebec, G., Seguin, R., Sella, C., Bevenot J., Martin J.C.: „Diffusion of silicon in amorphous silica”, Acta Metallurgica, 28, (1980), 327-333.
• [18] Schaeffer H.A.: „Structure-property relationships of the vitreous state”, in Progress in Nitrogen Ceramics (Riley F.L., Ed.), Martinus Nijhoff Publishers, Boston, The Hague, Dordrecht, Lancaster, (1983), 303-321.