Transient ionic conductivity in fused silica

Abstract

Transient currents in doped and commercial type-I fused silica glasses were monitored by electrolyzing alkali ions (Na+, Li+ and K+) through a sample disk in a U-tube dc non-blocking conductivity cell until steady state was achieved. The experiments were carried out either at 600 or 650 °C. Approach to steady state varied from sample to sample depending not only on the electrolyzing ion but also on the alumina/alkali ratio and the concentration of Li+ and Na+ impurity level in the silica. Results indicated that the transient behavior (current versus time) at a particular temperature was best expressed as a lg — lg plot showing two linear regions. The initial slope was attributed to the flushing of more mobile species and the final slope to the disappearance of interdiffusional coupling effects. The nature of the interdiffusional coupling, in some cases, was typical of the mixed-alkali effect in silicate glasses containing much higher levels of mixed alkali. Mit der Alkaliionenelektrolyse (Na+-, Li+- und K+-Ionen) wurden in dotierten und handelsüblichen Kieselgläsern des Typs I instationäre elektrische Ströme bis zum Erreichen der stationären Leitfähigkeit verfolgt. Die Messungen wurden an scheibenförmigen Proben in einer U-rohrförmigen Leitfähigkeitszelle mit nicht-blockierenden Elektroden bei 600 oder 650 °C durchgeführt. Das Erreichen der stationären Leitfähigkeit änderte sich von Probe zu Probe und hing einmal von der Art des elektrolysierten Ions ab , zum anderen vom Verhältnis Aluminiumoxid/Alkalioxid sowie von der Verunreinigungskonzentration der Li+- und Na+-Ionen in Kieselglas. Die Ergebnisse zeigten, daß das instationäre Verhalten (Strom in Abhängigkeit von der Zeit) bei einer bestimmten Temperatur am besten mit Hilfe einer doppeltlogarithmischen Auftragung, die zwei lineare Bereiche aufwies, beschrieben werden konnte. Dabei konnte die Anfangssteigung der Geraden dem Fluten mit den beweglicheren Ionen zugeordnet werden und die Endsteigung dem Verschwinden von Interdiffusionskoppelungeffekten. Die Art dieser Koppelungseffekte war in einigen Fällen typisch für den Mischalkalieffekt in Silicatgläsern mit wesentlich höherem Anteil an Mischalkalien.