玻璃工藝學(xué)第4章 玻璃的性質(zhì)

1、玻璃的性質(zhì) 玻璃的粘度和表面張力 玻璃的力學(xué)性能及熱學(xué)性能 玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性 玻璃的電學(xué)及磁學(xué)性能 玻璃的光學(xué)性能 玻璃的著色和脫色定義：指玻璃對外界因素的作用所作出的反應(yīng)。 外因 玻璃性質(zhì) 熱 熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù) 電 電導(dǎo)率、介電損耗 光 折射率、反射、光吸收 機(jī)械力 機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量、硬度 化學(xué)介質(zhì) 化學(xué)穩(wěn)定性 玻璃性質(zhì)概述性質(zhì)分類：三類性質(zhì)：遷移性質(zhì)、非遷移性質(zhì)、其它性質(zhì)1.遷移性質(zhì) 可用離子遷移時克服勢壘的能量衡量。 成分與性質(zhì)間不符合加和法則。 包括電導(dǎo)、電阻、粘度、化穩(wěn)性等。 在Tg,Tf內(nèi)逐漸變化1TLgA轉(zhuǎn)變區(qū)2.非遷移性質(zhì) 轉(zhuǎn)變區(qū)LgBT 和玻璃成分間關(guān)系符合加

2、和法則。包括折射率、色散、彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)等。在Tg,Tf內(nèi)突變。3.其它性質(zhì) 光吸收、顏色等。是由于電子在離子內(nèi)躍遷、在不同離子間的電荷遷移及原子或原子團(tuán)的振動引起。4 玻璃的粘度和表面張力4.1 玻璃的粘度4.2 玻璃的表面張力和表面性質(zhì)物理概念影響因素溫度熔體結(jié)構(gòu)玻璃組成熱歷史特征點(diǎn)測定與計算工藝意義4.1 玻璃的粘度一、粘度的物理意義 粘度是用來衡量粘滯流動的，它表示了液體的內(nèi)摩擦力。這種內(nèi)摩擦力是液體結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)。定義： 粘度指面積為S的兩平行液層以一定的速度梯度 （dv/dx）移動時需克服的內(nèi)摩擦阻力f。 f= S (dv/dx) (4-1) 粘度或粘度系數(shù)單

3、位： 國際單位：帕斯卡秒（Pa S） 常用單位：泊（P） 1 Pa S=10 P20C水 =10 -3 Pa S 20C玻璃= 1018 Pa S 玻液=10 Pa S 二、粘度和溫度的關(guān)系1.玻璃的-T曲線LgTAB 用 d/dT 表示料性 d/dT 大即料性短（B）曲線較陡 d/dT 小即料性長（A）曲線較平緩料性短的玻璃可有較高的成型機(jī)速。 =A eu/KT （4-2） =1/ =A eu/KT （4-3） u - 粘滯活化能（勢壘） - 流動度 Lg=+ /T (u是常數(shù)) （4-4） = LgA = (u/K) Lge2.粘度與溫度關(guān)系的量化質(zhì)點(diǎn)移動（流動）需有克服一定勢壘（u）的能

4、量。 u 流動性 粘度高溫 熔體基本無聚合，低溫 聚合趨于完畢， u都為常數(shù)。abcdLg1/Tbc中溫段 冷卻時不斷發(fā)生聚合， u隨溫度變化較大（增大），故此段為非線性關(guān)系。1.組成 （2） R2+ 高溫解聚（斷網(wǎng)） ，；低溫積聚，n （3）高場強(qiáng)離子 積聚作用很強(qiáng)，n 三、粘度和熔體結(jié)構(gòu)的關(guān)系（1）R+斷網(wǎng)聚合度n 熔體自由體積 2.溫度高溫 自由體積較多較大，利于小四面體移動， 較小。低溫 積聚作用使網(wǎng)絡(luò)連接程度變大， 1.氧硅比O/Si表現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接程度。O/Si大時 Onb多，n低，較小。O/Si 小時 Onb少，n高，較大。其它陰離子/硅 對粘度影響顯著例如：OH使降低。 氟化物取

5、代氧化物降低，因?yàn)?2F 代一個O2四、粘度與玻璃組成的關(guān)系 R2O-SiO2中R+使粘度降低（1）O/Si 高時 負(fù)離子團(tuán)呈孤島狀，網(wǎng)絡(luò)需R-O連接。 鍵強(qiáng)大 大。 Li Na K （2）O/Si 低時 網(wǎng)絡(luò)較完整， R+主要起斷網(wǎng)作用， Li+ 對 Ob的極化作用強(qiáng)， Li Na 惰性氣體型如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。4. 結(jié)構(gòu)對稱性結(jié)構(gòu)對稱則結(jié)構(gòu)缺陷較少，粘度較大。例如：（1） 石英 硼玻璃 （2） 石英 磷玻璃 5 . 配位數(shù) 氧化硼表現(xiàn)明顯。硼反常 BO4 BO3 電荷相同時N越大越大。如 In2O3(N=6) Al2O3 (N=4)

6、ZrO2 (N=8) TiO2 (N=6) GeO2 (N=4)0 8 16 24 32 B2O3(%)15141312111016Na2OxB2O3 (84-x)SiO2系統(tǒng)小結(jié) 五、粘度與熱歷史的關(guān)系 快冷得到的玻璃粘度較小。（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等增加粘度。 （2）堿金屬氧化物降粘度。 （3）PbO、CdO、Bi2O3 、SnO等降低粘度。（4）堿土金屬氧化物 降高溫粘度，升低溫粘度。（使料性變短） 增加粘度的順序Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+六、粘度特征點(diǎn)（Pa S） 對應(yīng)溫度10 熔化溫度（玻璃可以一般速度熔化）102103 自動供料溫度103106.6 操作范圍31

7、061.5107 軟化溫度（成型下限）1081010 膨脹軟化點(diǎn)Tf1012 退火上限1012.4 轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg1013.5 應(yīng)變點(diǎn)（退火下限）1.測量（常測高溫粘度）（ 帕 秒 ） 拉絲法： 1071014 壓入法： 1041012 平行平板法：102108 彎梁法： 1071014七、粘度的測量與計算2.粘度的計算注意各公式的適用范圍A.奧霍琴法 適用于含MgO，Al2O3的鈉鈣硅系統(tǒng)，當(dāng)Na2O為1216%，( CaO+MgO) 為512%,，Al2O3為05%,SiO2為6480%時： T=Ax+By+Cz+D其中：T 該粘度對應(yīng)的溫度值 x,y,z Na2O，CaO+MgO3%,，Al

8、2O3為的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A，B，C，D 特性常數(shù),隨粘度值而變化B.富爾切爾法(Fulcher)適用范圍:實(shí)用工業(yè)玻璃,以SiO2為1.00mol來表示, 適用成分:SiO21.00mol,Na2O0.150.20mol,CaO0.120.20mol,MgO0.000.05mol,Al2O30.00150.0730mol.其中:A=-1.4788Na2O+0.835K2O+1.6030CaO+5.4936MgO-1.5183Al2O3+1.4550 B= =-6039.7Na2O-1439.6K2O-3919.3CaO+6285.3MgO+2253.4Al2O3+5736.4T0= =-25.07N

9、a2O-321.0K2O+544.3CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1注意:單位為P,粘度范圍:101012pas.偏差3 C1.熔化 石英砂的熔化包括表面溶解和擴(kuò)散，粘度小利于擴(kuò)散。八、粘度的工藝意義2.澄清 氣泡上升速度與粘度成反比。3.均化 實(shí)際是質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散，粘度小有利。4.成形 料性短的玻璃可較快成形。 5.退火 在 =1011.51013帕 秒內(nèi)通過粘滯流動消除應(yīng)力，溫度 較低（ 1013帕秒）時有部分應(yīng)力通過彈性松弛消除。4.2 玻璃的表面張力和表面性質(zhì)surface tension & surface property一、物理意義1. 定義：作用在單位長度

10、液體表面使之收縮的力。 或 玻璃與另一相接觸的相界面上，在恒溫、恒容下增加 一個單位表面所作的功。單位：N/m 或 J/m22. 產(chǎn)生原因表面質(zhì)點(diǎn)受力不均衡。體現(xiàn)了質(zhì)點(diǎn)間吸引力或鍵力的強(qiáng)弱。1000C以上 玻璃熔體 =22038010-3 N/m20 C 水 =7810-3 N/m1.R2O由圖可知，Na2O對無明顯影響，Li2O使增大，K2O使減小。R2O mol%N/m103320280240200Li2ONa2OK2O(R2O-SiO2 1300C)場強(qiáng)小對表面張力的貢獻(xiàn)小。 即Li Na K二、玻璃組成對表面張力的影響2.RO 因場強(qiáng)較大，故CaO、MgO、ZnO等使增大。 PbO有吸

11、附作用，可降低。3.R2O3 Al2O3使增大， B2O3使減小。 B2O3降,可能因?yàn)楸砻娑酁锽O3而內(nèi)部為BO4能顯著降低的稱為表面活性物質(zhì)，如K2O、PbO、B2O34.陰離子（1）-OH 不影響（2）F- 降低 800C時引入1wt%，可使降710-3N/m。（3）SO42- 降低 （1）非表面活性組分 符合加和法則（2）中間性質(zhì)組分（3）難熔表面活性強(qiáng)組分5、組成氧化物分類不符合加和法則三、溫度對的影響 = 0（1 bT） 在溫變過程中不發(fā)生締合或解聚的液體在一定范圍內(nèi)為直線關(guān)系。T一般d/dT0 五、大氣對的影響水蒸氣分壓增大， 減小(PH2O)1/21 2 4 6N/m0.300

12、.280.260.240.22550C鈉鈣硅玻璃六、 的計算（自學(xué)）四、氣氛對的影響 還原比氧化大20%左右。1.澄清 Vr2 大，氣泡長大難，澄清難。七、 的工藝意義2.均化 大時，力求成球，均化難。3.成形 拉邊器 自拋光4.熱加工 燒口 火拋光規(guī)律：固體表面氧化程度低 潤濕好 T 潤濕性好 同價離子r小 潤濕性好 KNaLi 氣體介質(zhì) 氧氣、空氣中好（ ?。┤ζ胶鈺r sg= lgcos + sl 為潤濕角 =0完全浸潤 小利于封接sllgsg八、玻璃的潤濕能力和潤濕角九、玻璃表面組成、結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)1.玻璃表面組成一般：表面富硅少堿。原因：表面與爐氣、大氣發(fā)生作用 各種氧化物對表面能作

13、用不同，降低表面能的 組分在表面富集。 成型過程2.玻璃的表面結(jié)構(gòu)新鮮表面 SiOSi SiO + Si若含Al、P、B同樣會水化進(jìn)一步吸附水Si-O-R+H2OSiOH+ROH若ROH被沖去，則表面比內(nèi)部缺少R+HHO OSi Si H HOSi-O-HSi OH與H2O反應(yīng)生成 （硅羥團(tuán)）3.表面性質(zhì)強(qiáng)度 表面微裂紋使強(qiáng)度。H+取代R+使表面 產(chǎn)生張應(yīng)力，常會產(chǎn)生微裂紋。 表面析晶能力強(qiáng).玻璃的表面反應(yīng)（1）水化反應(yīng)硅羥團(tuán)的生成及其對水的進(jìn)一步吸附。 鹵化反應(yīng) Si-OH+SOCl2 Si-Cl+SO2+HCl 生成鹽 Si-OH+Li+ Si-O-Li+H+ （3）表面吸附 物理吸附 壓力越大吸附量越多