玻璃與玻璃態

玻璃轉化(glass transition)

/ Tg = tee-jee /

當過冷液體被冷卻時,它會越變越稠,像蜂蜜走向太妃糖、再走向硬糖。到了某個溫度,原子動得如此遲緩,以致在你的實驗時間尺度上,它們乾脆停止重排。從那一點往下,材料就是一塊堅硬的玻璃,而不再是極黏的液體。這個交會溫度就是玻璃轉化溫度,記作 Tg,也是液體結構被永久凍結的那一刻。

玻璃轉化不是像熔化或沸騰那樣真正的相變。沒有東西突然斷裂,也沒有熱量被驟然吸收。反之,那些仰賴液體仍在流動的性質,例如體積,在通過 Tg 時斜率會平滑卻明顯地改變。低於 Tg 時,玻璃只靠一般的鍵長伸縮而收縮;高於 Tg 時,網路重排會騰出額外空間。依慣例,Tg 對應約 10^12 Pa s(約 10^13 泊)的黏度,硬到玻璃在人的時間尺度上表現得像固體。因為它取決於你等多久,Tg 確實與速率有關:冷卻速度快十倍,就把結構凍結得稍高一點,Tg 便往上爬幾度。

Tg 之所以重要,在於它是兩個加工世界之間的邊界。高於它,玻璃會流動,可以吹製、壓製或拉製;低於它,玻璃有彈性且脆,只能切割或研磨。黏度曲線上每一個具名參考點,從軟化點往下到退火點與應變點,都座落在 Tg 附近。鈉鈣窗玻璃的 Tg 約在攝氏 550 度;熔融矽石則高於攝氏 1100 度,這正是矽石為何難以熔化與成形的原因。

看玻璃工匠工作:當玻璃團發著紅光、處於 Tg 之上時,它在吹管上像麥芽糖一樣可以拉伸旋轉;一旦冷卻越過 Tg,它就硬化,再多施力就會裂開,於是作品必須送回加熱爐口回溫。Tg 名副其實地就是「可塑形」與「會碎裂」之間的那條界線。

高於 Tg,玻璃是可加工的液體;低於 Tg,它是脆性固體。跨過 Tg,整個製程就切換了。

Tg 並不是材料的固定常數;它會隨冷卻速率移動,因此引用的數值都假設某個標準速率。請把 Tg 看成一段狹窄的區間,而不是像晶體熔點那樣刀鋒般精確的溫度。

又稱
glass-transition temperatureTg玻璃轉化溫度轉化點