kan08606

西野　幹

自由体積理論に基づいたホウ酸塩ガラスの粘性流動機構

松下和正

　溶融プロセスの最適化のためガラス融液の物性の把握が必要となる。本研究では、基礎物性として重要なガラス融液の粘度に着目し、粘性流動機構を解析した。
　過去の研究において、ソーダライムケイ酸塩ガラスやリン酸塩ガラス、混合アルカリケイ酸塩ガラスにおいて広い温度範囲に渡り、粘度は体積に依存し、自由体積理論で表せることがわかった。本研究ではホウ酸塩ガラスをターゲットとして、広い温度範囲に渡り密度・粘度を測定し、自由体積理論に基づいて粘度と体積の関係を考察した。ホウ酸塩ガラスは、これまで解析してきたガラスと異なる単結合強度およびイオン半径を持つガラスである。
測定に用いたガラスの組成はx Na2O-(100-x)B2O3(x=10,20,30mol%)である。
すべての温度範囲において密度はアルカリの増加に伴い増加し、これはホウ酸異常によって説明できる。粘度は液相以上の高温から、ガラス転移温度Tgより200℃低い温度までの広い範囲で測定した。Tg以上における粘度はFulcherの式（logη=A+B/(T-T0)）で表すことができた。しかし、Tg以下においては粘性流動の活性化エネルギーが著しく小さくなりFulcherの式には従わなかった。
Doolittleの式（logη=A+BV0/(V-V0)）の自由体積理論は粘度と体積のみの関数で表されている。この式に基づいて解析し、最適パラメーターを決定すると高温融液からTgよりはるかに低い温度までの粘度を表すことができた。つまり、粘度-温度曲線においてはTg付近で屈曲が見られたが、粘度-体積曲線においてはTg付近でも屈曲が見られず、スムーズな一本の曲線で表すことができた。このことから、ホウ酸塩ガラスは自由体積理論に適用が可能であることがわかった。
　これまでの研究によるとDoolittleの式の最適化によって求めた定数V0は原子のイオン半径から計算した占有体積と相関があり、定数Bは単結合強度から計算した平均化学結合強度と相関があった。ここではV0自由体積が0となる時の体積である。本研究では、ホウ酸塩ガラスにおいて原子の占有体積と定数V0の間に直線関関係がみられた。さらに、ソーダライムケイ酸塩ガラスやリン酸塩ガラス、混合アルカリケイ酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラスを含むすべてのガラス組成において、ガラスの種類に関わりなく定数V0と占有体積の関係は一本の線形で表される関係で表されることがわかった。また、定数Bは分子の平均化学結合強度の増加に伴い増加する傾向があった。

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