ガラス転移温度以下におけるガラスの粘度測定および緩和機構の解析

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07455439
• Research Institution: Nagaoka University of Technology.
• Principal Investigator: 松下 和正 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80024610)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 隆士 鶴岡工業高等専門学校, 講師 (60226024) ; 小出 学 長岡技術科学大学, 工学部, 助手 (10272866)
• Keywords: ガラス転移温度 / 粘度 / 粘性流動の活性化エネルギー / 非平衡状態 / 緩和時間 / 緩和スペクトル / 遅延弾性 / 粘弾性

Research Abstract

ガラス転移温度以下でのガラスは、原子・分子の運動が凍結された固体状態であり粘性流動は起こらないと考えられてきた。しかし転移温度以下でも体積収縮や結晶化が起こることはすでに知られていた。
本研究では平成7年度に適当な直径のガラスファイバーを湾曲させたまま転移温度よりはるかに低い温度に保持し、熱処理後に残る湾曲の曲率半径を測定し、残留曲率半径と保持時間の関係より転移温度よりはるかに低い温度における粘度を決定した。測定粘度範囲は10^<14>-10^<18>Pa・sである。ガラス転移温度よりはるかに低い温度での粘度測定法の開発は世界で初めてである。また転移温度以下での粘性流動の活性化エネルギーは転移温度以上と比べると1/4-1/5程度であった。ガラス状態は熱力学的に非平衡状態であり、このようにして測定された粘度は物質に固有な値ではなく熱履歴により変化する見かけの粘度である。またレオロジー的には粘弾性体として解析すべきである。
そこで平成8年度においてはガラスファイバーをあらかじめ種々の条件で熱処理し、熱処理による粘度の変化を非線形緩和関数に基づいて解析し、緩和機構、すなわち低温での状態変化機構の検討を行なった。種々のPbO-SiO_22成分系ガラスおよび高レベル放射性廃棄物固化処理ガラスを試料とした。熱処理により見かけの粘度および緩和時間は著しく増大した。また緩和の活性化エネルギーも大きくなった。熱処理していないファイバーでの緩和スペクトル、すなわち緩和時間の分布は非常に広く、熱処理時間の増大および熱処理温度の上昇とともに狭く鋭くなった。さらに湾曲したファイバーを自由な状態で保持し、残留曲率半径の変化を測定することにより、遅延弾性の寄与を分離し、それより粘性流動による変形分を評価する試みも行なった。

Research Products

• [Publications] M.Koide,R.Sato,T.Komatsu,K.Matusita: "Viscosity and relaxation of glasses below the glass transition temperature." Thermochimica Acta.280/281. 401-415 (1996)
• [Publications] Manabu Koide,Takayuki Komatsu,Kazumasa Matusita.: "Delayed elasticity and viscosity of silicate glasses below the glass transition temperature." Thermochimica Acta.282/283. 345-351 (1996)
• [Publications] M.Koide,R.Sato,T.Komatsu,K.Matusita.: "Apparent viscosity and relaxation mechanism of glasses below glass transition temperature." Physics and Chemistry of Glasses.38・3. (1997)