玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质

1、第4章 玻璃的粘度和表面性质 4.1 玻璃的粘度 o 定义 粘度是指面积为S的两平行液面，以一定的速 度梯度dV/dx移动时所需克服的内摩擦阻力f。 f=S o 粘度在玻璃生产过程中的作用 o 影响粘度的因素：化学组成、温度、热处理时间 dx dV 在熔制过程中，原料的溶解、气泡的排除、各组分的扩散均化在熔制过程中，原料的溶解、气泡的排除、各组分的扩散均化 在成形过程中，不同的成型方法与成形速度要求不同的粘度和料性在成形过程中，不同的成型方法与成形速度要求不同的粘度和料性 在退火过程中，对制品内应力的消除速度有重要的影响在退火过程中，对制品内应力的消除速度有重要的影响 4.1.1 粘度与温度的

2、关系 o 晶体与玻璃熔体 的粘度随温度变 化不同 o 不同组成玻璃熔 体随温度的变化 其粘度变化的速 度料性 o 在不同温度区域 玻璃粘度的变化 高温未发生缔合 低温缔合基本完成 阴离子基团不断发生 缔合，产生大阴离子 基团，因此不是直线 关系 4.1.2 粘度与熔体的关系 o熔体随温度降低形成大阴离子团熔体随温度降低形成大阴离子团粘度增大粘度增大 o温度较高时，硅氧四面体群有较大的空隙，可以容纳小型体群通温度较高时，硅氧四面体群有较大的空隙，可以容纳小型体群通 过过粘度减小粘度减小 o温度降低时，空隙变小温度降低时，空隙变小粘度增大粘度增大 o高温时熔体中的碱金属和碱土金属氧化物以离子状态自

3、由移动，高温时熔体中的碱金属和碱土金属氧化物以离子状态自由移动， 同时减弱硅氧键的作用，因此使粘度减小。而在低温时，某些金同时减弱硅氧键的作用，因此使粘度减小。而在低温时，某些金 属氧化物可能起到积聚作用，使粘度增大。属氧化物可能起到积聚作用，使粘度增大。 4.1.3 粘度与组成的关系 o 有利于形成大阴离子基团的组成使粘度增大（SiO2、 Al2O3、ZrO2等） o 提供游离氧，破坏网络结构的，则使粘度减小；场 强较大的可能产生复杂的作用：高温降粘，低温增 粘 o 氧硅比 键强、离子的极化（R2OSiO2） 结构的对称性（B2O3、P2O5、SiO2） 配位数（B2O3、Al2O3） 氧硅

4、比较大，意味着大型的氧硅比较大，意味着大型的SO4 群分解为小型群分解为小型SO4群，粘滞活化能降群，粘滞活化能降 低，粘度减小低，粘度减小 总体来说，键强大，则粘度大总体来说，键强大，则粘度大 但网络外体在氧硅比不同的情况下，对粘度的影响但网络外体在氧硅比不同的情况下，对粘度的影响 是不同的是不同的 取决于对形成紧密、对称的三维架取决于对形成紧密、对称的三维架 状结构的作用状结构的作用 4.1.4 粘度参考点 1013.6Pas，退火下限温度 1012Pas，退火上限温度 1012.4Pas，Tg 10101011Pas 106107Pas，操作温度下限 102103Pas，操作温度上限 1

5、0Pas 4.1.5 粘度在玻璃生产中的应用 o 玻璃的熔制（石英的扩散、澄清、均化） o 玻璃的成形 o 玻璃的退火（粘滞流动、弹性松弛） o 玻璃的钢化、微晶化、分相、显色等过程中 温度制度的制定，都必须考虑粘度的影响。 4.1.6 粘度的计算和测定 方法方法适用范围适用范围原理原理备注备注 旋转法旋转法 1 107Pas通过测定旋转体由于玻璃粘滞阻力而产通过测定旋转体由于玻璃粘滞阻力而产 生的扭力矩得到玻璃的粘度生的扭力矩得到玻璃的粘度 落球法落球法 1 103Pas斯托克斯定律：球体以自由落体形式进斯托克斯定律：球体以自由落体形式进 入无限液体空间作等速运动时，液体对入无限液体空间作等

6、速运动时，液体对 其作用的大小其作用的大小 必须考虑有限边界条必须考虑有限边界条 件带来的影响件带来的影响 压入法压入法 107 1012Pas 在平板试样上，用加有一定负荷的针状、在平板试样上，用加有一定负荷的针状、 球状或棒状的压头压入，从压头压入的球状或棒状的压头压入，从压头压入的 速度求得粘度速度求得粘度 拉丝法拉丝法 107 1014Pas 用一定长度和直径的无缺陷玻璃丝，在用一定长度和直径的无缺陷玻璃丝，在 直立的管状电炉中受一定的荷重作用而直立的管状电炉中受一定的荷重作用而 伸长，通过测定其黏性均匀伸长的速率伸长，通过测定其黏性均匀伸长的速率 来获得粘度来获得粘度 1000110

7、012001300 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 logh (cP) Temperature (oC) 490500510520530 6 7 8 9 10 logh (cP) Temperature ( oC) 4.2 玻璃的表面张力 o 熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用 而趋向于熔体内部，使表面呈现收缩的趋势。 o 表面张力对气泡排除，条纹溶解，玻璃成形 的益处 o 表面张力对模压制品、薄膜、平板玻璃生产 造成的不利影响 4.2.2 表面张力与组成、温度的关系 o 氧硅比越小，阴离子基团越大。作用力矩e/r 越小，则表面张力降低 o 碱金属加入使复合阴离子解离，表面

8、张力增大 o 表面活性物质剧烈降低表面张力 o 温度升高，体积膨胀，表面张力降低 o 含有表面活性物质的玻璃系统，则由于表面活性物 质在高温下的“解吸”，而出现表面张力随温度升 高而增大的反常现象。 o 此外玻璃熔融的气氛对表面张力也有一定的影响： 极性气体对表面张力影响大，明显降低表面张力； 还原气氛下熔制，玻璃表面张力较氧化气氛大20 4.2.3 玻璃的润湿性 影响因素 o 气体介质 o 温度 o 玻璃的组成 4.3 玻璃的表面性质 o 玻璃的表面组成和表 面结构 o 玻璃表面的离子交换 o 玻璃的表面吸附 第5章 玻璃的力学性能和热学性能 玻璃的力学性能：玻璃的力学性能： 机械强度、弹性

9、、硬度、脆性、密度机械强度、弹性、硬度、脆性、密度 一、机械强度一、机械强度 o 抗压强度高，硬度高抗压强度高，硬度高 o 抗折、抗张强度低（仅为抗压的抗折、抗张强度低（仅为抗压的710） o 脆性大脆性大 o 实际强度远低于理论强度（实际强度远低于理论强度（23数量级）数量级） 玻璃的脆性、玻璃中玻璃的脆性、玻璃中 存在的微裂纹和内部不均存在的微裂纹和内部不均 匀区和缺陷的存在造成应匀区和缺陷的存在造成应 力集中所引起力集中所引起 5.1.1.3 影响玻璃强度的因素 1.化学组成化学组成 2.表面微裂纹表面微裂纹 3.微不均匀性微不均匀性 4.结构缺陷结构缺陷 5.活性介质活性介质 6.温度

10、温度 7.玻璃中的应力玻璃中的应力 8.玻璃的疲劳现象玻璃的疲劳现象 o 各质点的键强各质点的键强 o 单位体积内键的数目单位体积内键的数目 o 减少和消除玻璃的表面缺陷减少和消除玻璃的表面缺陷（火焰抛（火焰抛 光、氢氟酸腐蚀）光、氢氟酸腐蚀） o 使玻璃表面形成压应力，克服表面微使玻璃表面形成压应力，克服表面微 裂纹的作用裂纹的作用（物理、化学钢化）（物理、化学钢化） o 各微相之间易产生裂纹各微相之间易产生裂纹 o 微相间相互结合的力比较弱微相间相互结合的力比较弱 o 由于成分不同，微相间产生应力由于成分不同，微相间产生应力 o 宏观缺陷：结石、气泡、条纹等缺陷宏观缺陷：结石、气泡、条纹等

11、缺陷 与主体玻璃成分不一致，造成内应力与主体玻璃成分不一致，造成内应力 o 且宏观缺陷为微观缺陷（点缺陷、晶且宏观缺陷为微观缺陷（点缺陷、晶 界、局部析晶）提供了界面，使其常界、局部析晶）提供了界面，使其常 常在此处集中，从而导致裂纹产生常在此处集中，从而导致裂纹产生 o 渗入裂纹产生劈楔作用，使裂纹扩展渗入裂纹产生劈楔作用，使裂纹扩展 o 与玻璃发生化学作用破坏结构与玻璃发生化学作用破坏结构 o 200以下，由于裂纹端分子热运动以下，由于裂纹端分子热运动 增强，导致键的断裂，因此强度随温增强，导致键的断裂，因此强度随温 度升高而降低度升高而降低 o 200以上，由于裂口钝化，从而缓以上，由于

12、裂口钝化，从而缓 解了应力集中，因此强度随温度升高解了应力集中，因此强度随温度升高 而增加而增加 o 分布不均的残余应力使玻璃强度大大分布不均的残余应力使玻璃强度大大 降低降低 o 钢化形成均匀的表面压应力则能提高钢化形成均匀的表面压应力则能提高 机械强度机械强度510倍倍 o 加荷速度越大，时间越长，其破坏强加荷速度越大，时间越长，其破坏强 度越小度越小 o 由于加荷作用下微裂纹的加深所致由于加荷作用下微裂纹的加深所致 5.1.2 玻璃的弹性 o 材料在外力作用下产生变形，当去掉外力后能够恢材料在外力作用下产生变形，当去掉外力后能够恢 复原来的形状的性质称为复原来的形状的性质称为弹性弹性。

13、o 弹性模量弹性模量取决于内部质点间化学键的强度，同取决于内部质点间化学键的强度，同 时也与结构有关时也与结构有关 o 键强越大，结构越密实，变形越小，弹性模量就越键强越大，结构越密实，变形越小，弹性模量就越 大大 弹性模量与成分的关系弹性模量与成分的关系 弹性模量与温度的关系弹性模量与温度的关系 弹性模量与热处理的关系弹性模量与热处理的关系 5.1.3 玻璃的硬度和脆性 o 硬度硬度固体材料抵抗另一种固体材料深入其内部而固体材料抵抗另一种固体材料深入其内部而 不产生残余应变的能力。不产生残余应变的能力。 o 测试方法：测试方法：莫氏硬度莫氏硬度（划痕）法、（划痕）法、显微硬度显微硬度（压痕）

14、（压痕） 法、法、研磨硬度研磨硬度（磨损）法、（磨损）法、刻划硬度刻划硬度（刻痕）法等。（刻痕）法等。 o 玻璃的硬度主要取决于化学组成和结构，还与温度和玻璃的硬度主要取决于化学组成和结构，还与温度和 热处理历史有关。对玻璃冷加工影响非常大。热处理历史有关。对玻璃冷加工影响非常大。 o 脆性脆性当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的 塑性变形而立即破裂的性质。塑性变形而立即破裂的性质。 o 通常采用破坏时受到的冲击强度来表示：通常采用破坏时受到的冲击强度来表示： o 测量方法：落球法，压痕破坏法测量方法：落球法，压痕破坏法 S C D 抗压强度抗压强度

15、 抗冲击强度抗冲击强度 5.1.4 玻璃的密度 密度主要取决于构成玻璃密度主要取决于构成玻璃原子的质量原子的质量， 也与原子的也与原子的堆积紧密程度堆积紧密程度及及配位数配位数有关。有关。 o 网络形成体网络形成体 o 网络外体网络外体 o “硼反常现象硼反常现象”和和“铝反常现象铝反常现象”在密度中在密度中 的体现的体现 体积：体积： BO4SiO4AlO4 BO4BO3 当其使硅氧四面体连接断裂，但并不当其使硅氧四面体连接断裂，但并不 引起网络扩大时（引起网络扩大时（Li,Mg），可以填充），可以填充 与网络空隙，使密度增加与网络空隙，使密度增加 当其半径较大，网络空隙容纳不下时，当其半径

16、较大，网络空隙容纳不下时， 则使网络结构扩张，密度降低则使网络结构扩张，密度降低 5.1.4 玻璃的密度 o 密度与温度及热处理历史的关系 o 密度与压力的关系 5.2 玻璃的热学性能 5.2.1 玻璃的热膨胀系数 o 线膨胀系数 o 热膨胀系数与成分、温度和热处理历史的关 系 tL L ttL LL 1121 12 )( 热膨胀系数的测量方法 o 石英膨胀仪法石英膨胀仪法 利用置于石英玻璃管中的玻璃试样与高纯度石英玻璃的膨胀系数的不同，利用置于石英玻璃管中的玻璃试样与高纯度石英玻璃的膨胀系数的不同， 测定两者在加热过程中的相对伸长。测定两者在加热过程中的相对伸长。 o 双丝法双丝法 用待测玻

17、璃和已知膨胀系数的标准玻璃棒或小块玻璃熔合在一起，拉成用待测玻璃和已知膨胀系数的标准玻璃棒或小块玻璃熔合在一起，拉成 一定长度和均匀厚度的丝，形成一个类似双金属的系统。若两种玻璃的热膨一定长度和均匀厚度的丝，形成一个类似双金属的系统。若两种玻璃的热膨 胀系数有差别时，双玻璃丝冷却后就会弯曲。通过测定玻璃丝弯曲的弦长和胀系数有差别时，双玻璃丝冷却后就会弯曲。通过测定玻璃丝弯曲的弦长和 弦高，可计算出已知膨胀系数的标准玻璃和待测玻璃的膨胀系数之差，从而弦高，可计算出已知膨胀系数的标准玻璃和待测玻璃的膨胀系数之差，从而 得到待测玻璃的膨胀系数。得到待测玻璃的膨胀系数。 o 干涉法干涉法 当两种的膨胀系数有差别时，在交界面上会产生永久应力或不变应力，当两种的膨胀系数有差别时，在交界面上会产生永久应力或不变应力， 从而出现双折射。从而出现双折射。 5.2.2 玻璃的比热容 o 在某一温度下单位质量的物质升高1所需 的热量 5.2.3 玻璃的导热性 o 物质依靠质点的振动将热能传递至较低温度 物质的能力。 o 以热导率表示（W/mK) o 设计熔炉、玻璃成形模压、计算玻璃生产工 艺热平衡 影响热导率因素： o 玻璃内部的导热包括：热传导，热辐射玻璃内部的导热包括：热传导，热辐射 o 低温时，热传导占主要地位，其大小主要取决低温时，热传导占主要地位，其大小主要取