玻璃理论荧光灯PPT课件.ppt

玻璃理论 在制灯过程中 需要了解一些有关玻璃机械加工的基本知识 有助于对工艺过程的认识 目录 1 玻璃及其结构2 粘度3 成分4 热的传导性5 电的传导性6 机械强度7 热膨胀和应力8 表面张力9 分类 1 玻璃及其结构 玻璃是几千年以前在自然界中发现的一种材料 这种材料非常坚硬 可以用于制作刀 箭以及类似的东西 当这种材料可以人工合成时 玻璃就有多种用途 制灯就是其中之一 大多数普通玻璃的基础成分是沙子 SiO2 其基本的分子结构是四面体 其他的材料可能有另一种结构 如盐 NaCl 的基本结构就是立方体 Si4 O2 Cl Na Fig 1 Fig 2 和液体相比 从 熔融 状态开始 这四面体没有相互联结 通过缓慢的冷却 可以达到一个规则的多面体结构 其中所有的结合力是相等的 普通盐晶体 理想的SiO2晶体 二维示意图 通常情况下 当结晶速率大于冷却速率时 就会形成 理想的 晶体结构 Fig 3 在某些情况下 如果液体迅速冷却 就会变得非常粘滞 不同的离子的流动性将很低 就不能形成规则形态 晶体 这就是玻璃 具有不规则结构 当然 玻璃要比相应的晶体结构具有更高的能量状态 因为比容较大 因此 玻璃始终具有晶化的趋势 在温度的作用下离子的流动性增加或降低 而这种趋势与之相对应 见粘度 温度曲线 不规则结构 Fig 4 这种不规则结构有何作用 非晶体结构说明 玻璃没有固定的熔点 但是 逐渐地从固态转变成液态 反之亦然 这是因为在熔化过程中 由于加热激发 使联结松动 也就是说 在某个平衡点周围的成分振动一定的时间后 成为游离状态 如同在液体中一样 在物体内移动 由于结合力不等 最弱的地方首先开始断裂 而后较强的断裂 7环第一 6环第二 接着5环 等等 4 6 7 4 6 3 晶体 非晶体 和非晶体的逐渐断开相比较 结晶体材料的所有结合力是相等的 其变化是急剧突然的 Fig 5 这样逐渐转变的特性可以让我们用不同于其他材料 如金属 的加工方法来处理玻璃 这种状态用粘度来描述 另外 热传导性能和表面张力 三者是有关玻璃加工的最重要的特性 2 粘度 粘度即流动的阻力 用 泊 表示 粘度与流动性相对立 即温度越高 粘度越小 反之亦然 例如 水的粘度 20 时 0 1POISE 糖浆的粘度 20 时 300POISE 蜡的粘度 20 时 1010POISE 软玻璃的粘度 20 时 1020POISE 600 时 1010POISE 1200 时 103POISE 为了描述玻璃特征和比较不同的玻璃 美国测试材料协会在粘度 温度曲线上定义了一些非常重要的点 这些点与典型的玻璃特性相关 应力点 在此粘度点上 应力在几小时内可以消失退火点 在此粘度点上 应力在几分钟内可以消失美国软化点 在此粘度点上 玻璃由于自身的表面张力和重力的作用而变形 并且玻璃开始粘滞工作点 在此粘度点上 玻璃可以用经济的设备进行加工PHILIPS为了玻璃加工的目的 提出了另一点 即PHILIPS软化点 PHILIPS软化点 玻璃在外力的作用下变形 并且内部应力在几秒之内消失熔化点 玻璃没有熔化点而只有熔化范围 熔化点被人为地定义为粘度 102 粘度 温度曲线 粘度泊 应力点 退火点 飞利浦软化点 美国软化点 工作点 熔化点 脆性粘性液态 102 104 107 4 1012 4 1013 1014 5 退火范围 工作范围 Fig 6 设定点 过渡点 一些玻璃的名义粘度 温度数据 3 玻璃成分 玻璃的最普通的成分是SiO2 但还有更多的具有相同特性的成分 被称为玻璃构成 如氧化硼B2O3和氧化磷P2O5 纯SiO2的不规则结构 如Fig 4所示 可以被其他成分所影响 Fig 7为所谓的多成分玻璃 另外的成分 在玻璃的网络中扮演着调节剂的角色 可以在一种特性中起积极的影响 但对另一种特性起消极影响 Fig 7 氧 硅 调节剂M1 调节剂M2 中间体M3 例如 Na2O能破坏网络桥架从而降低粘度 使玻璃变软可以在较温度下加工 但也会增加导电率和降低化学稳定性 这是在制灯时不希望产生的 因此可以根据不同用途来改变玻璃成分以达到用户要求 4 热的传导性 材料的导热率表示 驱动温度变化1度时 单位体积内相对两面的热流速度 在物体内热量传递有3种基本形式 1 传导 某个原子比临近的原子振动更大时 有较高的温度 将会撞击临近的原子 这个原子因此振动变大 温度增加了 2 辐射 每个原子都发射和接收很小的能量束 当一个原子比其相邻原子具有较高温度时 发射的能量比接收的能量要多 它将因此损失能量 冷却 同时临近原子获得能量 升温 直至达到均衡 3 对流 当一个剧烈振动的原子能够移动时 它将载着全部能量到另一处 当它到达某点时 它将使周围的原子产生更大的振动 温度更高 总的来说 在较低温度时 如软玻璃800 辐射和对流最重要 这样就可以理解玻璃液态程度越大 对流作用越大 导热率 温度 Fig 8 很显然 玻璃的这种性质对于玻璃加工是非常重要的 在较低温度时 热量能够正好对准需要加热 相对狭窄的区域 而其他区域不会变形 随着温度的升高 热量传递迅速增加 待加工的区域可以在合理的时间内加热到工作温度 优点 另一方面 由于导热率低 贯穿玻璃体的温度差异 加热和冷却所致 将引起应力 缺点 玻璃的导热率只是金属的一小部分 这是因为金属有规则的 晶体结构 其结合力非常强大 碰撞 传导 发生很快很激烈 结合力越大 即温度低 这种现象越容易发生 所以 在室温下 金属的热传递要远远大于玻璃 同样 当温度降低时 金属的热导率增加 总结冷玻璃 不良导热体优点 1 可以定点加热 2 可以用手处理 缺点 可能产生应力 0 450 区域 热玻璃 良好导热体优点 热流可以利用但必须控制它 5 电的传导性 金属导电是在电子基础上的 而玻璃的导电是由于离子的移动 特别是Na离子 在低温条件下 由于粘度 离子运动很困难 但在高温时却容易进行 因此 在室温下 可以认为玻璃是绝缘体 而在高温时 玻璃是导体 导电率对于灯管内的装架件而言十分重要 例如Fig 9 Fig 9 Na Na e Na e e e DC AC 当两端电极加上直流电时 相对较小的Na离子就逐渐地从正极向负极移动 意味着正极附近的Na离子减少而积聚在负极 这意味着两端的玻璃成分发生了变化 引起膨胀系数的改变 应力也由此产生 应力 炸裂 漏气 这种现象称之为 电解 当两端电极加上交流电时 Na离子不能在电极之间移动 但电解仍然发生 在真空灯管内 发热的钨丝将电子发射到相对较冷的芯柱夹扁上 夹扁的表面成为负电荷 Na离子就从电极向表面移动 由于玻璃成分的逐渐变化 膨胀系数变化 引起炸裂 温度越高 电解发生得越快 由于导电率也将随着Na含量的增加而增加 显然的解决方案是降低Na含量 然而 这将导致软化点温度提高 会对制程产生负面影响 其他成分如Pb和Ba是 大 原子 阻碍Na离子移动和电解 这也就是铅玻璃用来做芯柱的原因 无铅玻璃 360 Ba代替了Pb 具有同样的作用 以上可以看出 玻璃类型不同导电率或电阻率也不同 见Fig 10 14 12 10 8 6 4 2 200 400 600 800 1000 温度 Logp ohm Cm Fig 10 Sodalime LeadsilicateandBariumsilicate Aluminosilicate Fusedsilica 2019 12 29 19 6 机械强度 理论上 玻璃强度很大 在真空条件下可以承受很大的应力 压应力 张应力 真空室 钢丝1mm2 51kg 玻璃丝1mm2 200kg 张应力 断裂重量 玻璃丝可承受压应力300kg mm2 Fig 11 然而 一旦其表面出现不规则性 张力强度急剧下降 即所谓 刻痕效应 如Fig 12 在玻璃上施加一张力F 裂痕尖端的局部应力可达到200倍 而这取决于裂痕的长度 刻痕 F F 也就是说 即使F很小 在裂痕处的应力也会很快超过其最大强度 玻璃将断裂 此力 a F a是放大系数 200左右 取决于刻痕长度 锐度 玻璃理论强度减小玻璃张力原因10000N mm2 玻璃纤维玻璃结构破坏1000N mm2 纯新玻璃大量表面瑕疵100N mm2 普通玻璃大量表面瑕疵10N mm2 玻璃产品强度 7 热膨胀和应力 热膨胀玻璃的热膨胀是非常重要的性质 有两个主要相关范围 1 封口 两种材料有效的封接 2 热振阻力 承受热振的能力 和其他材料一样 玻璃遇热膨胀 冷却收缩 线性膨胀系数为 温度变化1度时 材料在单位长度的长度变化 即 L L Fig 13中 可以区分3种不同的范围 温度 L L P Q R 范围R Q粘度很低 四面体很容易移动 四面体的晶化速度与冷却速度相当 玻璃表现为粘稠的可塑的材料 膨胀系数比低温时高 玻璃可以自由变形 两种封接的玻璃的膨胀差异可以由粘稠的流动得到补偿 没有应力产生 直到飞利浦软化点并从这里开始内在应力产生 范围Q P粘度较高 越来越阻碍元素的运动 尽管理论上玻璃还是粘稠的 但四面体在结构内移动的时间越来越长 一直到设置温度即玻璃实际可用的 固态点 玻璃表现为不是完全的粘稠材料但也不是固体的 弹性的材料 介于这两者之间 所谓 过渡范围 膨胀系数减低但不是和温度成线性关系 封接两种玻璃时 只要这两种玻璃能紧跟可能的收缩差异 就不会产生应力 一直到设置温度 应力点 5 范围P 0粘度非常大 四面体不可能在结构内移动 玻璃表现为弹性的 固体的材料 从设置温度往前 实用而言从应力点开始 膨胀和温度成比例 两种封接的玻璃 由于膨胀系数不同而不能相互屈从 因此产生了应力 应力1 由热力引起的临时应力由于较低的热导率 加热或冷却 固体的 玻璃 飞利浦软化点 从一侧开始冷却 由于导热率低 造成两侧的温度差异 最终产生应力 见Fig 15 冷却速度越快 两侧温度差异越大 应力越大 但将玻璃加热到软化温度时 T 飞利浦软化点 应力可以消除 然后将其缓慢冷却 温差很小 这就是退火 见Fig 17 有时快速冷却产生应力 回火或增强 Fig 16a 利用此性质可使纯新玻璃在张应力作用下有更高的强度 如汽车挡风玻璃和制灯中喇叭的增强工艺 见Fig 16b Fig 14 加热 A1B1 软软 A2B2 硬软 A3B3 硬硬 A4B4 如果自由 A4 B4 最终状态 Fig 15 冷却 应力类型 CT Fig 16a回火和增强 T和 t 冷却 冷却 C0T CTC C C T Fig 16b回火和增强 无 T T Fig 17退火曲线 B 不可消除的应力将两种具有不同膨胀系数的材料封接在一起时 很显然 在冷却之后应力产生了 这是由于联结在一起后 一种材料还要进一步收缩而另一种不收缩造成的 这种应力不能消除 因为膨胀系数是材料的特性 不能改变 如 封口 芯柱导丝 钼与石英玻璃等 冷却 飞利浦软化点 膨胀差异 最终结果 1 2 TC TC 工作点温度 Fig 18不同材料的应力形成 3 由机械引起的应力 机械的方法也能产生应力 例如 弯曲一根玻管或推压一块玻璃 此时 只要外力作用 应力就一直存在 如灯头很紧 灯管顶端受到压应力 外力 外力 外力 张力 压力 Fig 19机械引起的应力 8 表面张力 液体内的分子通过内聚力相互吸引 一个分子完全由其他分子环绕 不同方向具有相同的力 而其合力为零 但是 处在表面的分子受到的力并不均匀 其合力将分子向里 拽 结果就是表面积 体积的比率尽可能的小 就是球体 合力 球体 Fig 20 带动一个分子到表面需要一定的能量 也就是说 增加表面积需要用同样的数量 这意味着 增加表面积 需要一定的能量 dW 那么 dW与表面积增加dS之间的关系是表面张力A A dW dS J m2 例 水 20 73汞 20 436钠玻璃 工作点温度 336铅玻璃 工作点温度 249无铅玻璃 工作点温度 335玻璃的表面总是趋于收缩成球体 一旦玻璃的粘度允许 表面张力就起作用 这在玻璃加工中有许多应用 如烧口 提高芯柱水线 落料式封口等等 9 分类 要将玻璃加工成型 必须将玻璃加热到高温 由于玻璃内温度的差异而引起应力 应力的大小取决于热膨胀系数 飞利浦根据 值 将玻璃分成四类 软玻璃特性 90 100 10 7 最大应用温度 300 A soda lime玻璃 成分 71 SiO2 17 Na2O 5 CaO主要应用 室内照明 GLS TL 主要种类 203 欧洲之外的工厂 GLS TL 290 欧洲TL 241 欧洲GLS 320 全天候特种玻璃 B LeadGlasses成分 62 SiO2 21 PbO 7 Na2O 7 K2O 主要应用 室内照明芯柱 汽车灯主要种类 01 30 PbO 78 36 PbO 291 21 PbO 标准灯用玻璃 II 硬玻璃特性 35 45 10 7 A Borosilicate 硼硅 玻璃主要成分 72 SiO2 17 B2O3 使玻璃硬化 5 Na2O主要应用 室外照明 HID 最大应用温度 450 主要种类 8486fromSchott Germany forbulbs 8487fromSchottfortubes B Alumina silicate玻璃主要成分 6