諏訪　貴洋

広い温度範囲にわたる自由体積理論に基づくソーダ石灰ガラスの粘性流動機構

松下　和正

論文概要：近年、光ファイバーや映像機器に使用されるガラス製品に求められる技術は非常に高くなっている。ガラスを溶融し、成形する上でガラス融液の物性は重要な因子であり、精確な測定が必要である。また、電子機器などに使用するガラスにおいては、わずかな歪が品質の劣化や性能の低下を招くため、ガラス転移温度(Tg)以下の粘性流動を把握することが必要である。しかしながら、高温での測定は非常に困難であり、ガラス転移温度(Tg)以下の温度領域における粘度測定は変形がわずかであり、長時間を要する。本研究では珪酸塩ガラスの密度、粘度測定をおこない、得られたデータを自由体積理論に基づき解析し、粘性流動機構の解明を目的とした。
測定試料は、ソーダ石灰ガラスを基本組成とし、さらにCaOをMgO, BaOで置換した20Na2O・10RO・70SiO2 (R:Mg, Ca, Ba ;mol%)ガラスを用いた。室温からガラス転移温度(Tg)までの密度はアルキメデス法と熱機械分析(TMA)で測定した。ガラス融液の密度、粘度測定はそれぞれアルキメデス２球法、白金球等速移動法を用い、ガラス転移温度(Tg)以下の粘度測定はファイバーベンディング法を用いて測定を行った。　　
室温から高温までの密度は、分子量の大きい組成ほど高い値を示した。また、ガラス転移以下(Tg)の粘度の温度依存性は、組成による変化が見られなかった。一般的に粘度と温度の関数として用いられる式(Logη=A+B/T-To ,Fulcher式)は、ガラス転移(Tg)以下の粘度が、無限大になり測定値とは大きくずれる。しかし、粘度を体積のみの関数として成立している式(Logη=A+BVo/V-Vo :Doolittle式)では、液相温度以上からガラス転移温度(Tg)以下まで、広い温度範囲の粘度を表すことができ、ファイバーベンディング法による実験値と良く対応した。
また、Doolittle式で最適化し得たB,Voを、それぞれガラス組成中の平均化学結合強度、イオン半径から得た理論体積値と比較した。どちらの定数においても相関関係があり、2価のカチオンを置換したガラスの組成依存性が見られた。以上のことから、粘性流動は自由体積に起因するもので、Doolittle式のガラスへの適用がより明確になった。