Transferts thermiques dans les verres à haute température : 2e partie. Conductivité thermique des verres à haute température

Abstract

When experimental results on total radiative - conductive heat transfer in hot glasses are exempted from radiative contribution (cf. [1]), it is possible to infer value of the true phonic thermal conductivity (KC) of vitreous materials, and to draw valuable comparison with theoretical predictions of thermal conductivity of disordered solids. The evolution of in glasses is developped in the frame of previous ideas of Klemens, Morgan, Joshi and Walton within the dominant phonon approximation. The phonon mean free path is obtained in terms of fluctuations of the spatial structure leading to several frequency laws. Consideration on the statistical properties of a random structure model of glasses leads to an expression of the phonon mean free path for fused silica at high temperature which is dependent on only one free parameter. On the basis of Raman and infra-red spectral data, of fused silica has been evaluated up to 1400 Κ in agreement with experiments. Beyond glass transidon temperature (Tg), the thermodynamics of equilibrium transformation applied to glassy systems is used to predict all the macroscopic quantities governing KC, and is able to retrieve, qualitatively at least, the observed rupture of behaviour of KC at this temperature.

Dégagés de la contribution radiative (cf. [1]) les résultats expérimentaux portant sur le transfert couplé conduction-rayonnement permettent d'inférer la conductivité thermique d'origine phonique (Κc) des verres chauds et offrent la possibilité d'effectuer des comparaisons valables avec les prévisions théoriques de la conductivité phonique des solides désordonnés. En développant les idées de Klemens, Morgan, Joshi et Walton nous rehons à l'approximation des phonons dominants, l'evolution de Kc des verres avec la température, à l'existence de fluctuations spatiales de la structure qui conduit à différentes lois en fréquence du libre parcours moyen des phonons. A partir de considération sur la statistique d'un modèle de structure aléatoire on obtient une expression du libre parcours des phonons pour le verre de sihce à haute température qui ne dépend que d'un paramètre libre. Sur la base des données de spectres Raman et infrarouge on a pu évaluer Kc pour la silice fondue jusqu'à 1400 Κ en excellent accord avec les expériences. Au delà de la température de transition vitreuse (Tg) la thermodynamique des transformadons d'équilibre, appliquée aux verres figés et aux fontes, permet de prévoir le comportement des diverses grandeurs macroscopiques gouvernant Kc et de retrouver qualititativement le sens de la rupture de Kc en ce point en accord avec les observations.

Wenn von den Ergebnissen aus Experimenten, die auf der Wärmeübertragung durch Leitung und Strahlung beruhen, der Strahlungsanteil in Abzug gebracht wird [1], so lassen sie Rückschlüsse auf die reine Wärmeleitfähigkeit (KC) von Gläsern bei hohen Temperaturen zu und liefern wertvolle Vergleichsmöglichkeiten über die reine Wärmeleitfähigkeit ungeordneter Festkörper. Die Weiterentwicklung der Ideen von Klemens, Morgan, Joshi und Walton erfolgt auf der Basis der Phononen-Approximation, der Zunahme von mit steigender Temperatur und der Existenz von Fluktuationen in der Glasstruktur, die zu unterschiedlichen Frequenzbeziehungen für die mittlere freie Weglänge der Phononen führen. Wird die statistische Natur eines Netzwerkmodells berücksichtigt, so erhält man für Kieselglas bei hohen Temperaturen einen Ausdruck für die mittlere freie Weglänge, die nur von einem Parameter abhängt. Mit Hilfe der Raman- und Infrarotspektren konnte von Kieselglas bis 1400 °C ermittelt werden, wobei ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Experimenten vorlag. Oberhalb der Transformadonstemperatur Tg kann man bei Gläsern und Glasschmelzen aus der Thermodynamik der Gleichgewichtsumwandlungen das Verhalten verschiedener makroskopischer Größen, die beeinflussen, voraussagen und quahtativ die Bedeutung der Diskontinuität von in Übereinstimmung mit den Experimenten ableiten.