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玻璃特性解说 什么是玻璃玻璃的分类粘度成分热导率电导率机械强度热膨胀和应力表面张力 凡是通过 过冷 溶液的方法而制得的一切无定形体物体 不管其化学性质及凝固温度范围如何 统称玻璃 玻璃是一种几千年前就被发现的天然材料 当玻璃能被合成后 这种材料就得到了广泛的应用 主要成分的分子结构是四面体的二氧化硅 SiO20 如下图 玻璃的分类在Philips根据玻璃的膨胀系数 进行了分类 主要类别有 软料玻璃特性 90 100 x10 7 k主要应用 室内光源的玻壳 灯芯硬料玻璃特性 35 40 x10 7 k主要应用 在室外光源HID中使用 汽车玻璃等特种玻璃如抗钠玻璃 彩色玻璃 乳浊玻璃等 玻璃的粘度粘度是流动阻力 可用dPa s表示 十分之一帕 秒 或泊 感觉这个阻力的一个简单例子是 在糖水中和在水中搅动汤匙 比较受到的阻力 从上述可知 粘度同流动性成相反关系 温度越高 粘度越低 反之亦然 下面是一些粘度的例子 水 20oC visc 0 01poise糖浆 20oC visc 300poise蜡 20oC visc 1010poise软料玻璃 20oC visc 1020poise 600oC visc 1010poise 1200oC visc 103poise 为了描述玻璃 比较不同的玻璃 在粘度 温度曲线上定义了一些重要的点 这些点为 应力点 在数小时内应力能被消除的粘度点退火点 在几分钟内应力能被消除的粘度点美国软化点 玻璃在表面张力或重力作用下自身发生变形的粘度点工作点 玻璃能被加工的粘度点Philips软化点 玻璃在外力作用下能发生变形及内在的应力能在数秒钟内消除的粘度点熔化点 虽然玻璃没有熔化点但玻璃有一个熔化范围 把粘度为102poise定义为熔化点 例 一些普通玻璃的粘度 温度数据 玻璃的成分玻璃最普通的成分是二氧化硅 但另外一些物质也有类似的特性 称之为玻璃生成体 其它的一些玻璃生成体如三氧化二硼和氧化磷 玻璃网络结构中一些作为调和剂的其它成分 在玻璃某些特性上起正面的影响 但在另外一些特性上则起负面影响 就看我们需要什么 例 Na2O会破坏网络结构而降低粘度 这会使玻璃变软 能够在较低的温度下加工玻璃 但这也会增加电导率 降低化学稳定性 这在灯泡中大多是不希望的 考虑到有时添加成分的正反面影响 在大量玻璃的应用和加工方面得到了很大发展 热导率材料的热导率是表示在两个相差1度的单位表面上热量流过的速率玻璃在较低的温度下 热量能够很好地限制在需要加热的区域而不使其它区域变形 随着温度升高 热传导速度迅速增加 这样可以将加工区域能在较短的时间内加热到工作温度 但由于低的热导率 玻璃上不同区域的温差会产生应力 概括 冷玻璃 不良导体热玻璃 良导体在高温下同铸铁相当 电导率玻璃中电传导是基于离子的迁移 尤其是Na离子 在低温下 由于粘度 离子不容易移动 但温度越高 其移动就越容易 因此在低温下 室温 玻璃可看作绝缘体 在高温下为导体 电导率本身对于灯内灯芯是一个重要因素 下面举两个普泡灯芯的离子 图1 2 应力 开裂 漏气灯 这种现象称为 电解 图 1 在直流情况下 相对小的Na 离子逐步从正极向负极迁移 也就是在正极周围的Na离子减少 在负极Na离子增加 这就改变了两边玻璃的成分 改变了玻璃的膨胀系数 应力也就会产生 图 2 在交流情况下Na 不能从一个极向另外一个极迁移但仍会发生电解 在抽真空的灯中 电子从热钨灯丝上发射到相对冷的打扁处 打扁表面就充负电 Na 离子从电极向表面迁移 同样因为玻璃成分和膨胀系数的改变 引起开裂 温度越高 电解速度就越快 因为随着玻璃中钠含量的增加电导率也会增加 直接的解决办法是减少钠含量 然而 这样会提高熔化点 对加工带来不利的影响 加入其它的成分 如铅 Pb 和钡 Ba 有比较大的原子 可以阻止Na离子的迁移 也就可以阻止电解 尽管在高温下不能降到零 这就是采用铅玻璃做灯芯的原因 在无铅的灯芯玻璃 360玻璃 用钡 Ba 代替了铅 Pb 达到同样的效果 玻璃的机械强度大体上 玻璃较硬 在理想情况下能承受较大的外力 压力和张力 然而只要表面出现不规则 抗张强度就会大大降低 这是称之为 刻痕效果 的结果 即使很小的一个力 在开裂的地方就超过了能承受的最大拉力 玻璃就开裂 例 环形弯架用锉刀在排杆上划一道伤痕后 用手很容易就可以掰断排杆 膨胀在许多应用中玻璃的热膨胀是一个很重要的特性 两个主要的相关领域 1 封接 即哪种材料能同玻璃有效封接 2 抗热爆性 即不热爆的能力 两种不同玻璃材料的封接首先要求它们的热膨胀系数相同或相近 如果膨胀系数不匹配 就会在封接处因内应力的作用产生炸裂 膨胀系数差别在6 10 7 K以内的玻璃 可以相接 但要经过退火 下面介绍判断两种不知膨胀系数的玻璃能否相接的方法 在两种玻璃中各选一段 分别在火焰上烧成一小方块 然后将小块玻璃相互粘合 并拉成直径约0 1mm的细丝 截取140mm长一段 待冷却后 弯曲的程度h反应膨胀系数差别大小 当h 6mm时 此两种玻璃不能相接 当h 6mm时 可以相接 当两种不同膨胀系数的材料封接在一起 冷却后由于一种材料需收缩得更大 但封接后阻止了进一步的收缩而产生应力 较低膨胀系数的材料受到的是压应力 较高膨胀系数的材料受到的是张应力 膨胀系数是材料的特性不能改变 这个应力不能消除 由热变化引起的暂时应力因为由于低的热导率 加热或冷却固态玻璃时 屈服点 在玻璃上产生温度不同的区域 这会产生不同程度的膨胀或收缩趋势 但玻璃各部分不能自由流动 导致产生应力 只要没有温差 T 应力就会消失 称之为 暂时应力 以上只适用于在材料的固态阶段 由热变化引起的永久性应力现有一块热玻璃 P S P 当我们从一端开始冷却 由于热导率很差 就会产生一个温差 但这不会立即产生不同区域不同的膨胀 因玻璃在较高的温度依然具有流动性 高温度区的玻璃会屈服于低温度区的玻璃 想象两个区以相同的速度冷却 然后低温度区达到Philips软化点 这里的玻璃开始有点固化 一般会产生应力 然而高温度区的玻璃仍具有流动性可以屈服于低温度区 所以会消除所有收缩的差异 继续直到高温度区的玻璃也开始固化 但因为两个区的冷却速度相同 因此收缩也相同 能相安无事 在过度阶段忽略两个区的膨胀差异 当继续以相同的速度冷却 低温度区的玻璃达到了室温 高温度区的玻璃还是较热 因为冷却速度相同 所以收缩了相同的长度 当低温度区的玻璃达到室温不再收缩 就阻止了高温度区的玻璃要继续冷却到室温时引起的进一步收缩 两个区之间的应力就产生了 冷却速度越快 温差 T越高 应力就越大 这也意味着将玻璃加热到软化后 P S P 再以小的温差 T冷却就可以消除这个应力 这称为 退火 有时通过快速冷却建立应力 称为淬火 利用玻璃在压应力下很坚固的特性 例如制作汽车玻璃 灯泡制作中做喇叭时 喇叭的硬化 由机械引起的应力很显然 通过机械作用也会产生应力 例如弯曲一根玻管或推压一块玻璃 只要外力存在 应力就存在 由于产品的结构 这种应力也可以是永久性的 表面张力由于内聚力 液体内的分子会互相吸引 如一个分子周围完全被其它分子围绕 它在各个方向上