Вязкоупругость расплавов Me2O–B2O3 (Me = Li, Na, K, Cs)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методом вибрационной вискозиметрии измерены вязкоупругие характеристики щелочноборатных расплавов при Т = 1173 K в интервале концентраций 0–56 мол. % Me2O на частоте 32 Гц. Получены значения динамической вязкости, модулей сдвига, тангенса угла механических потерь и времена релаксации. Показано экстремальное поведение вязкоупругих характеристик расплава в зависимости от состава расплава. Положения экстремумов коррелируют с существованием в борокислородной сетке расплавов определенных надструктурных единиц. Предположено, что низкочастотная вязкоупругая релаксация расплавов проходит посредством диффузионного обмена возбужденными атомами кластеров, состоящими из надструктурных единиц расплава и «фоновыми» некольцевыми группами расплавов. Из-за большого времени жизни кластеры не успевают реагировать на внешние возмущения, вследствие этого расплавы проявляют упругие свойства.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. А. Хохряков

Институт металлургии УрО РАН

Author for correspondence.
Email: xoxryakov46@mail.ru
Russian Federation, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

М. А. Самойлова

Институт металлургии УрО РАН

Email: xoxryakov46@mail.ru
Russian Federation, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

В. В. Рябов

Институт металлургии УрО РАН

Email: xoxryakov46@mail.ru
Russian Federation, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

References

  1. Воларович М.П., Толстой Д.М. Исследование внутреннего трения двойной системы Na2B4O7–B2O3 в расплавленном состоянии // Изв. Акад. наук СССР. 1930. № 9. С. 897–906.
  2. Shartsis L., Capps S.W., Spinner S. Viscosity and Electrical Resitivity of Molten Alkali Borates // Journal of the American Ceramic Society. 1953. V. 36. № 10. P. 319–326.
  3. Li P.-Ch., Ghose A.C., Su G.-J. Viscosity Determination of Boron Oxide and Binary Borates // J. American Ceramic Society. 1962. V. 45. № 2. P. 83–88.
  4. Богданов В.Н., Михайлов И.Г., Немилов С.В. Изучение методом ультразвуковой спектроскопии и вискозиметрии структуры расплавленных стекол системы Na2O–B2O3 // Акустический журнал. 1974. Т. XX. № 4. С. 511–517.
  5. Tandon S., Agrawal R.D., Kapoor M.L. Viscosity of Molten Na2O–B2O3 Slags // J. American Ceramic Society. 1994. V. 77. № 4. P. 1032–1036.
  6. Kaiura G.H., Toguri J.M. The viscosity and structure of sodium borate melts // Physics and chemistry of glasses. 1976. V. 17. № 3. P. 62–69.
  7. Мусихин В.И., Кудряшов В.Н. Строение и свойства металлургических расплавов. Свердловск: Ин-т металлургии УНЦ АН СССР, 1974. Т. 28. С. 91–96.
  8. Liu H., Shen G., Wang X., Wei J.D. Viscosity and IR investigations in the Li2O–B2O3 system // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2000. V. 40. P. 235–241.
  9. Ota R., Soga N., Yogyo-Kyokai-Shi. Viscosity of binary alkali borates // Journal of the Ceramic Society of Japan. 1983. V. 91. № 6. P. 265–271 (in Japanese).
  10. Nakashima K., Kawagoe T., Ookado T., Mori K. Viscosity of binary borate and ternary borosilicate Melts // Proceedings of the 5th Intern. Conf. on Molten Slags, Fluxes and Salts, Sydney, Australia, Jan. 5–8, 1997. Warrendale: Iron and Steel Society, 1997. P. 215–221.
  11. Воларович М.П., Фридман P.C. Исследование вязкости системы К2В407–В203 в расплавленном состоянии // ЖФХ. 1937. Т. 9. № 2. С. 177–181.
  12. Matusita K., Watanabe T., Kamiya K., Sakka S. Viscosities of Single and Mixed Alkali Borate Glasses // Phys. Chem Glasses. 1980. V. 21. P. 78–84.
  13. Brosh I.E., Pelton A.D., Decterov S.A. A model to calculate the viscosity of silicate melts Part V: Borosilicate melts containing alkali metals // Int. J. of Mat. Res. 2012. V. 103. № 5. P. 537–550.
  14. Coughanour L.W., Shartsis L., Shermer H.F. Viscosity, Density and Electrical Resistivity of Molten Alkaline-Earth Borate Glasses with 3 mol. % of Potassium Oxide // Journal of American Ceramic Society. 1958. V. 41. № 8. P. 324–329.
  15. Leedecke C.J., Clifton G.B. Viscous flow in binary borate melts // Matter Sci Res. 1978. V. 12. P. 413–426.
  16. Li P.C., Anil C.Gh., Su G.-J. Viscosity of molten rubidium and caesium borates // Phys. Chem. Glasses. 1960. V. 1. № 6. P. 202–203.
  17. Visser T.J.M., Stevels J.M. Rheological properties of boric oxide and alkali borate glasses // J. Non-Cryst. Solids. 1972. V. 7. P. 376–394.
  18. Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. Новосибирск: Наука, 1970. 140 с.
  19. Штенгельмейер С.В., Прусов В.А., Бочегов В.А. Усовершенствование методики измерения вязкости вибрационным вискозиметром // Заводская лаборатория. 1985. Т. 51. № 9. С. 56–57.
  20. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкостей / Пер. с англ. М.: Мир, 1973.
  21. Shartsis L., Capps W., Spinner S. Density and Expansivity of alkali borates and density characteristics of some other binary glasses // J. Am. Cer. Soc. 1953. V. 36. № 2. P. 35–43.
  22. Li P-C., Anil C.Gh., Su G.-J. Letters to the Editor - Density of molten boron oxide, rubidium and caesium borates // Phys. Chem. Glasses. 1960. V. 1. P. 198–200.
  23. Кирсанов. Е.А., Матвеенко В.Н. Неньютоновское течение дисперсных, полимерных и жидкокристаллических систем: Структурный подход. М.: Техносфера, 2016. 379 с.
  24. Демкин В.П., Мельничук С.В., Удути В.В., Тютрин И., Руденко Т.В., Криницына Д.Б. Определение вязкоупругих характеристик цельной крови на основе метода низкочастотной пьезотромбоэластографии // Известия высших учебных заведений. Физика. 2019. Т. 62. № 12. С. 55–62.
  25. Осипов А.А., Осипова Л.М., Быков В.Н. Спектроскопия и структура щелочноборатных стекол и расплавов. Екатеринбург–Миасс: УрО РАН, 2009. 174 с.
  26. Konijnendijk W.L., Stevels J.M. The structure of borate glasses studied by Raman scattering // J. Non-Cryst. Solids. 1975. V. 18. P. 307–331.
  27. Kamitsos E.I. Modifying role of Alkali-metal Cations in Borate Glass Networks // J. Phys. Chem. 1989. V. 93. P. 1604–1611.
  28. Kamitsos E.I. Cation-Network Interactions in Binary Alkali Metal Borate Glasses. A Far-Infrared Study // J. Phys. Chem. 1987. V. 91. P. 5807–5813.
  29. Осипов А.А., Осипова Л.М. Структура стекол и расплавов системы Cs2O–B2O3 по данным спектроскопии комбинационного рассеяния света http://i.uran.ru/webcab/system/files/journalspdf/fizika-i-himiya-stekla/fizika-i-himiya-stekla-2014-t.40-n-4/20144.pdf // Физика и Химия стекла. 2014. Т. 40. № 4. С. 521–534.
  30. Vegiri A., Varsamis C.-P. E., Kamitsos E.I. Molecular dynamics investigation of mixed-alkali borate glasses: Short-range order structure and alkali-ion environments // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 184202.
  31. Исакович М.А., Чабан И.А. Распространение волн в сильновязких жидкостях // ЖЭТФ. 1966. Т. 50. № 5. С. 1343–1362.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Correlation of viscosity of Me2O-B2O3 melts (Me = Li, Na, K, Cs) with Re numbers. The numbers in the upper right graph are the concentrations of alkali oxide (mol %); in the other graphs, the corresponding literature sources are indicated in square brackets.

Download (179KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of dynamic viscosity (η‘), shear viscosity (η) and elastic modulus (G’) on the composition of x Me2O-B2O3 melts (Me = Li, Na, K, Cs).

Download (276KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the mechanical loss angle and relaxation time on the melt composition x Me2O-B2O3 (Me = Li, Na, K, Cs).

Download (241KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of dynamic viscosity and elastic modulus of alkali-borate melts on the effective charge of the cation. The concentrations of alkali oxides (mol %) at which the values of dynamic viscosity and modulus of elasticity were obtained are given in brackets.

Download (234KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences