شیشه ها

شيشه ها


مترجم : حبیب الله علیخانی
منبع : سایت راسخون

مقدمه:

دراين مقاله ها در مورد انواع مختلف شيشه و برخي از کاربردهاي آنها صحبت مي کنيم.
شيشه ها يکي از انواع مهم موادمهندسي محسوب مي شوند. اين مواد در پنجره ها، ساخت بطري، ليزرها، الياف نوري، عايق ها، لعاب کاري (glazing) ومينا کاري (enamelihg)، چاقوي جراحي، وسايل هنري وتابلوهاي راهنمايي - رانندگي استفاده مي شوند.
شيشه ها معمولا بازيافت مي شوند واز اين رو دوستدار محيط زيست هستند.مصريان آثار شيشه اي متنوعي بر جاي گذاشته اند ولي آنها اولين کساني نبودند که از اين ماده استفاده مي کردند.در دوران های ديرينه سنگي (paleolithic Times) شيشه هاي اوليه و شيشه هاي طبيعي (Obsidian: نوعي شيشه ي مصنوعي بدست آمده از آتش فشان ها ) بسياراهميت داشتند به خاطر اهميت زياد اين ماده مي توان گفت که شيشه نقش مهمي در شکل دهي تمدن ما داشته است.
به هر حال تعريفات مختلفي براي شيشه ها بيان شده است. دراين مقاله سعي مي کنيم بگوييم چرا واژه هاي شيشه اي (glassy)، زجاجي (Vitreous) و آمورف (amor phous) همگي براي توصيف شيشه استفاده مي شوند. همچنين سعي داريم جواب اين سوال را بدهيم که: «شيشه چيست؟»
هنگام مطالعه ي اين مقاله بايد دو ذهنيت را داشته باشيد:
1) ادعاي Sturkey:"شيشه در دماهاي بالا يک محلول شيميايي است."
2) اگر شيشه که مايع فوق سرد شده است، پس جامد نيست وبنابراين يک ماده ي سراميکي نيست (اما شيشه يک ماده ي سراميکي است)

تعريف

تعريف کلاسيک شيشه براساس روش تاريخي تشکيل آن انجام شده است. البته اين روش تعريف يک روش بسيار غير معقولي براي تعريف هر ماده است. اين مسئله باعث شده است تا امروز شيشه به چندين روش مختلف تعريف شود:
تعريف کلاسيک: شيشه يک مايع فوق سرد شده است(Supercooled liquid) مشکل بوجود آمده دراين تعريف اين است که در برخي موارد مي توان يک شيشه ي ويژه را به روشي توليد کرد که هيچگاه درحالت مايع قرار نداشته باشد.
ASTM شيشه را به صورت زير تعريف کرده است:
"شيشه يک محصول غير آلي از ترکيبي مذاب است که بدون آنکه کريستالي شود، سرد وصلب مي گردد."
اين تعريف نيز همان چيزي است که در تعريف کلاسيک آمده است. اما دراين تعريف شيشه ي پليمري استثناء شده است. به وضوح مشخص است که استناد کردن به روش توليد براي تعريف يک گروه از مواد ايده آل و مناسب نمي باشد.
تعاريف ديگر :

1)" شيشه يک ماده ي جامد است که نظم دوربعد از خود نشان نمي دهد."
نداشتن نظم دوربعد يعني ساختار شيشه درفواصل يک، دو يا سه برابر فاصله ي اجزاي سازنده، داراي نظم نيست. اين تعريف براساس مشاهدات حاصله از تفرق اشعه X، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) و... استوار است اما اين تعريف نيز کمي قراردادي است زيرا به اندازه ي اجزاء تشکيل دهنده بستگي دارد.
2)" شيشه يک مايع است که قابليت جاري شدن خود را از دست داده است."
اين تعريف استوار است اما از تعريفي که بوسيله ي ASTM ارائه شده است فراگيرتر است .همچنين اين تعريف از خاصيت مکانيکي براي تعريف شيشه استفاده مي کند. درحقيقت اين تعريف عملاً با ديدگاه فيزيک مدرن درباره ي شيشه مطابقت دارد.
اکثر شيشه هايي که ما در مورد آنها توضيح مي دهيم، شيشه هاي با شبکه ي اکسيدي است . (مخصوصاً سيليکات ها) تعريف ما از چنين شيشه هايي عبارتست از:
تجمعي جامد از تتراگونال هايي است که مي توانند رئوس خود را به اشتراک گذاشته و البته اين مواد نظم دور بعد ندارند.
دراين مقاله ما تنها درمورد شيشه هاي سراميکي بحث مي کنيم اما بايد بدانيم که علاوه بر شيشه هاي سراميکي، شيشه هاي فلزي و پليمري نيز وجود دارد. شيشه هاي فلزي ترکيبات پيچيده اي هستند که در آنها عمل کريستاليزاسيون انجام نشده است. اين مسئله بوسيله ي سريع سرد کردن فلز مذاب بوجود مي آيد.(اين فرآيند اسپلات کوئنچينگ ناميده مي شود). درادامه به بيان ويژگي شيشه ها مي پردازيم:

ساختار

شيشه ها در اصل جامد هاي غير کريستالي (يا آمورفي) هستند که در اغلب موارد از فريز شدن يک مايع فوق سرد شده بدست مي آيند. دراين موارد نظم دور برد در آرايش اتمي وجود ندارد. البته نظم کوتاه برد (زير 1nm) وجود دارد. اين مواد داراي آرايش منظمي از سلولهاي واحد نيستند.همانگونه که گفتيم شواهدي وجود دارد که ثابت مي کند در شيشه ها نظم کوتاه برد وجود دارد.اين نظم کوتاه برد به دليل آرايش اتمي درمجاورت هر اتم (البته در فاصله ي کوتاه) بدست مي آيد. تلاش هاي فراواني براي توصيف شيشه ها انجام شده است. که به بيان علت تشکيل شدن يا نشدن شيشه ها بحث مي کند. دراين زمينه ما ازدو ديدگاه به شيشه ها نگاه مي کنيم:
1) توجه به ساختار
2) توجه به مباحث کنيتيکي کريستاليزاسيون
درمورد اول ما به بيان هندسه ي اجزاي تشکيل دهنده ي شيشه ها مي پردازيم. همچنين دراين زمينه به بيان پيوندهاي بين اتمي واستحکام پيوندها مي پردازيم . درمورد دوم ما به بيان چگونگي دگرگوني هاي مايع به جامد در طي فرآيند سرد شدن مي پردازيم.
دماي تبديل شدن شيشه اي ( Tg )
درشکل 1 نموداري نشان داده شده است که در آن حجم ويژه به عنوان تابعي از دما رسم شده است.

اين دياگرام فرمي از دياگرام استعاله ي دما – زمان (T.T.T) براي شيشه است. درهنگام سرد شدن مايع از دماي بالا دو پديد ه ممکن است در نقطه ي انجماد (Tm) اتفاق مي افتد که عبارتند از :
1) اگر مايع کريستاليزه شود تغييرات حجم و سرعت سرد کردن گسسته است.
2) اگر کريستاليزاسيون اتفاق نيفتد، مايع به حالت فوق سرد شده تبديل مي شود و حجم در نزديک دماي ذوب کاهش مي يابد.
دردماي تبديل شدن شيشه اي (Tg)، شيب نمودار کاهش مي يابد و به شيب جامد کريستالي نزديک مي شود. اين شکستگي بوجود آمده در نمودار سرد کردن نشان دهنده ي گذرگاه مايع فوق سرد شده به شيشه است. زير دماي Tgساختار شيشه درحالت آسايش نيست زيرا اين مواد اکنون جامد هستند. دراين ناحيه از Tg ويسکوزيته تقريبا 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.
منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by: C.Barry Carter.M.Grant Norton

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 ***** 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.
منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by:C.Barry Carter.M.Grant Norton

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 سلادون
این 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 تنموکو
این 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 راکو
لعاب 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.

منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by:C.Barry Crater.M.Grant Norton

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.

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.
منبع انگلیسی مقاله : Ceramic Materials/by:C.Barry Carter .M. Grant Norton