Электрический нагрев силикатного стекла

---

Характеризация и прогнозирование поведения силикатного стекла при электрическом нагреве очень важно, поскольку оно используется в различных устройствах, обеспечивающих технические инновации. Силикатное стекло используется в экранах дисплеев. Стекловолокно используется для интернета. В настоящее время используются наноразмерные стеклянные устройства для обеспечения революционных методов лечения, таких как целенаправленная доставка лекарств и повторное выращивание тканей.

Стендовые эксперименты показывают, что электрическое поле может формовать силикатное стекло, вызывая локальное плавление, оставляя твердым в другом месте; это открытие означает, что тепло в стекле может быть сгенерировано с большой точность в очень малом участке, и может создавать проблемы для устройств, которые используют стекло.

Открытие, что при определенных условиях электрическое нагревание силикатного стекла противоречит давно принятому закону физики, известному как первый закон Джоуля, должно представлять интерес для широкого круга ученых, инженеров и даже широкой общественности, по словам Jain Himanshu, Diamond Distinguished Chair кафедры материаловедения и инженерии в университете Lehigh.

Основу электрического отопления положил английский физик и математик Джеймс Прескотт Джоуль в 1840 году. Джоуль продемонстрировал, что тепло генерируется, когда электрический ток проходит через сопротивление. Его заключение, известное как первый закон Джоуля, просто утверждает, что тепло производится пропорционально квадрату электрического тока, который проходит через материал.

 

«Это было проверено много раз на испытательном стенде на однородных металлах и полупроводниках, которые нагреваются равномерно, как лампочка накаливания», - говорит Jain.

Он и его коллеги, среди которых Nicholas J. Smith и Craig Kopatz, оба из Corning Incorporated, а также Charles T. McLaren, бывший доктор философии, студента от Jain, ныне исследователь в Corning, является автором статьи, опубликованной сегодня в «Научных отчетах», в которой подробно описывается их открытие, что обычные гомогенные силикатные стекла с электрическим нагревом, по-видимому, противоречат первому закону Джоуля.

В статье под названием «Развитие сильно неоднородного температурного профиля в щелочно-силикатных стеклах с электрическим подогревом» авторы пишут: «В отличие от электронно-проводящих металлов и полупроводников, со временем нагрев ионно-проводящего стекла становится чрезвычайно неоднородным с образованием наноразмерной щелочи - область истощения, такая, что стекло плавится рядом с анодом, даже испаряется, оставаясь твердым в другом месте. Инфракрасные изображения и анализ методом конечных элементов подтверждают локализованные температуры более чем на тысячу градусов выше оставшегося образца в зависимости от того, образуется ли поле постоянным или переменным током».

«В наших экспериментах стекло становилось более чем на тысячу градусов Цельсия более горячим рядом с положительной стороной, чем в остальной части стекла, что было очень удивительно, учитывая, что стекло было абсолютно однородным», - говорит Jain. «Показано, что причиной этого результата является изменение структуры и химического состава стекла на наноуровне под действием самого электрического поля, которое затем значительно сильнее нагревает эту нанообласть».

Jain говорит, что применение классического закона физики Джоуля должно быть тщательно пересмотрено и адаптировано к этим результатам.

Эти наблюдения раскрывают происхождение недавно открытого электрического поля, вызванного размягчением стекла. В предыдущей статье Jain и его коллеги сообщили о явлении размягчения, вызванного электрическим полем. Они продемонстрировали, что температуру размягчения стекла, нагретого в печи, можно снизить на пару сотен градусов Цельсия, просто приложив 100 Вольт к образцу толщиной в дюйм.

«Расчеты не позволяют объяснить то, что мы видели как просто стандартный джоулев нагрев», - говорит Джейн. «Даже в очень умеренных условиях мы наблюдали пары стекла, температура которых была бы на тысячи градусов выше, чем мог предсказать закон Джоуля!»

Затем команда провела систематическое исследование на испытательном стенде для контроля температуры стекла. Они использовали инфракрасные пирометры с высоким разрешением, чтобы наметить температурный профиль всего образца. Новые данные вместе с их предыдущими наблюдениями показали, что электрическое поле значительно изменило стекло, и что им пришлось изменить способ применения закона Джоуля.

Исследователи полагают, что эта работа показывает, что можно производить тепло в стекле в гораздо более тонких масштабах, чем с помощью используемых до сих пор методов, возможно вплоть до наноразмерных. Это позволило бы создавать новые оптические и другие сложные конструкции и устройства на стеклянной поверхности более точно, чем раньше.

«Помимо демонстрации необходимости квалифицировать закон Джоуля, результаты имеют решающее значение для разработки новой технологии изготовления и изготовления стеклянных и керамических материалов», - говорит Jain.