Stickstoffhaltige Na2O-CaO-SiO2-Gläser

Abstract

Glass melts of molar composition 16 Na20, 10 CaO, 74 SiO2 have been made with up to 3 weight percent nitrogen incorporated by melting in a graphite crucible with equivalent quantities of Si3N4 added. The details of the method of preparation are described. The oxynitride glasses obtained, which have their Na : Ca : Si ratios held as constant as possible whilst varying the Ο : Ν ratio, are coloured grey. The grey colour is largely due to colloidal metallic silicon formed by the reducing conditions. Many properties of these glasses have been measured; these changes can be divided into two groups. Density and refractive index increase about 0,3 % per molar percent SiN4/3, essentially because of the denser packing of the oxynitride glass. Viscosity, transformation temperature, elastic constants, conventional and load independent Vickers hardness, and critical stress intensity factor increased distinctly more rapidly; the increase ranging from about 0,7 (Poisson's ratio) to 300 % (viscosity at 1250 °C) per percent SiN4/3. The higher binding energy is of importance here in addition to denser packing. The thermal expansion decreased with increasing nitrogen content and this may be attributed to several factors. Α model to Interpret these effects qualitatively and quantitatively has been investigated and is discussed. On introduit jusqu'à 3 % massiques d'azote sous forme de Si3N4 dans une fonte de verre de composition (mol %) 16 Na20, 10 CaO et 74 Si02 contenue dans un creuset en graphite. Les details de la methode de fabrication sont commentes. Les verres d'oxynitrure obtenus, dont le rapport des cations Na : Ca : Si doit etre maintenu le plus constant possible pour une variation simultanee du rapport Ο : N, sont teintes en gris. Cette coloration est probablement due au silicium metallique colloidal forme dans des conditions reductrices. On mesure de nombreuses proprietes des verres obtenus. Les variations des proprietes se repartissent en deux groupes. La masse volumique et les indices de refraction s'elevent de quelque 0,3 % par mol % de SiN4/3 introduit, ce qui est du essentiellement à l'empilement plus dense des verres d'oxynitrure. La viscosite, la temperature de transition vitreuse, les constantes elastiques, les duretes Vickers classiques et celles independantes de la charge et le facteur d'intensite de contrainte critique augmentent considerablement; l'augmentation se situe entre 0,7 environ (coefficient de Poisson) et quelque 300 % (viscosite ä 1250 °C) par mol % de SiN4/3 introduit. L'energie de liaison plus elevee des verres d'oxynitrure joue egalement un role dans cette augmentation, en plus de l'empilement plus dense. Seulement le coefficient de dilatation thermique diminue legerement avec l'augmentation de la teneur en azote des verres. Ceci peut s'expliquer par la tendance opposee de differents facteurs. On essaie, au moyen de modeles existants, de discuter l'influence qualitative et quantitative de l'azote introduit sur quelques-unes des proprietes. In Glasschmelzen der Zusammensetzung (Stoffmengengehalt in %) 16Na2O, 10 CaO und 74 SiO2 wurde bis zu einem Massengehalt von 3 % Stickstoff eingebaut, indem im Graphittiegel Si3N4 in entsprechenden Mengen zugeschmolzen wurde. Die Details der Herstellungsmethode werden besprochen. Die erhaltenen Oxinitridgläser, deren Kationenverhältnis Na : Ca : Si möglichst konstant gehalten werden sollte bei gleichzeitiger Variation des Verhältnisses Ο : N, sind grau gefärbt. Diese Graufärbung ist wahrscheinlich auf kolloidales metallisches Silicium zurückzuführen, das sich unter reduzierenden Bedingungen bildet. An den erhaltenen Gläsern wurden zahlreiche Eigenschaften gemessen. Die gefundenen Eigenschaftsveränderungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Dichte und Brechungsindizes steigen mit etwa 0,3 % je Prozent eingebautem SiN4/3 (Stoffmengengehalt) an, was im wesentlichen auf die dichtere Packung der Oxinitridgläser zurückzuführen ist. Viskosität, Transformationstemperatur, elastische Konstanten, konventionelle und lastunabhängige Vickershärten und kritischer Spannungsintensitätsfaktor steigen wesentlich stärker an, die Zunahme liegt zwischen etwa 0,7 (Poissonzahl) und etwa 300 % (Viskosität bei 1250 °C) je Prozent eingebautem SiN4/3. Neben der dichteren Packung wirkt hier auch die höhere Bindungsenergie der Oxinitridgläser mit. Lediglich der thermische Ausdehnungskoeffizient fällt mit steigendem Stickstoffgehalt der Gläser leicht ab. Dies kann aus der gegenläufigen Tendenz verschiedener Faktoren erklärt werden. Es wird versucht, den Einfluß des eingebauten Stickstoffs auf einige der Eigenschaften qualitativ und quantitativ an Hand vorhandener Modelle zu diskutieren.