Морфология разрушения, вызываемого реакцией ионного обмена в силикатном стекле

С.А. Чижик (Новосибирск)

Большинство твердофазных химических реакций приводит к изменению объема твердых реагентов, что приводит к возникновению полей механических напряжений, пространственно связанных с зоной протекания реакции. Дефекты, образующиеся в ходе релаксации возникающих напряжений, изменяют химико - физические свойства реагента и существенно влияют на кинетику и пространственное развитие реакции – между реакцией и релаксацией устанавливается обратная связь, и эти процессы начинают протекать самосогласованно. Одним из наиболее характерных механизмов релаксации, наблюдаемых при твердофазных реакциях, является разрушение. Новая поверхность, образующаяся при разрушении, приводит к локальному ускорению гетерогенных реакций, в результате чего формируется совместный фронт реакции и разрушения. Наиболее сложной частью описания подобных процессов является описание морфологии разрушения - формы фрагментов или геометрии сетки трещин. При протекании реакции в кристаллических реагентах разрушение, как правило, происходит по выделенным системам плоскостей (плоскости спайности). Однако если реакция протекает в изотропном реагенте, то характерная геометрия образующейся сетки трещин не определена и может меняться, в зависимости от конкретных условий. Подобная ситуация была экспериментально изучена на примере реакции натрий литиевого ионного обмена в щелочно-силикатном стекле, протекающей в литийсодержащих солевых расплавах. Установлено, что при проведении реакции в расплавах различных составов может реализоваться как неупорядоченная, так и упорядоченная морфология разрушения – система параллельных шестигранных стержней расположенных по нормали к распространению фронта. При проведении реакции в серии смешанных расплавов был выяснен механизм перехода порядок - беспорядок. Данный переход обусловлен постепенно нарастающей потерей устойчивости прямолинейного распространения трещин, приводящей к периодическим колебаниям их траекторий и образованию упорядоченной системы гофрированных стержней. Постепенное нарастание амплитуды колебаний приводит к потере корреляции и переходу к неупорядоченной морфологии. В результате исследований были установлены факторы, определяющие устойчивость реализующихся морфологий и построена количественная модель совместного фронта реакции и разрушения. Предложенная модель позволяет весьма точно описать качественные и количественные характеристики наблюдаемого фронта разрушения, пределы устойчивости упорядоченной морфологии и механизм перехода порядок-беспорядок для исследованного процесса.