玻璃工艺学第四章

1、一、玻璃的机械(jxi)性质二、玻璃的热学(rxu)性质第四章共四十七页4.1玻璃的机械(jxi)性质机械(jxi)强度；弹性；硬度和脆性；密度共四十七页镀膜、钢化(n hu)节能装饰(zhungsh)、钢化共四十七页钢化玻璃 将平板玻璃加热至软化温度附近，用空气快速、均匀冷却。外部因冷却而迅速固化，内部冷却较慢。从而(cng r)使玻璃表面产生压应力，内部产生张应力，导致玻璃机械强度成倍提高，并且增强了热稳定性。特点 1.安全。冲击后不易破碎，即使破碎也成小钝角颗粒，对人体伤害较轻。 2.强度高。是普通玻璃耐冲击强度的3-5倍。 3.热稳定性好。承受温度突变范围为220-250，而普通玻璃仅

2、为70-100 。 4.属于“安全玻璃”，广泛用于如玻璃门、建筑幕墙、室内隔断、电梯、橱窗、建筑主面窗、家具、家电等等。共四十七页防弹玻璃 防弹玻璃通常是透明的材料。防弹玻璃通常包括(boku)聚碳酸酯纤维层夹在普通玻璃层之中。子弹容易击穿外表的一层玻璃，但坚固的聚碳酸酯纤维层会在它可能击穿玻璃内在的层之前停止子弹的运动。大块的防弹玻璃已经在在第二次世界大战期间做了公共的用途，通常厚达100毫米至120毫米，而且极端重。 单向防弹玻璃 单向防弹玻璃通常被制成二层：在外部的易碎的一层和在里面的柔韧的一层。当一个子弹从外部射出时，子弹会先击中易碎的一层，并打碎一个区域。这会吸收一些 子弹的动能，并

3、且在一个更大的区域传播动能。当减慢的子弹击中柔韧的一层时，它就被挡住了。但是，当子弹从里面射出，它会先击中柔韧的一层。子弹能把柔韧 的一层击穿是因为它的能量集中于一个小范围，脆的一层在柔韧的那层向外弹时向外碎裂，而且不妨害子弹的前进。 沙龙防弹玻璃掩护 察看隔离墙建设进展 共四十七页 防爆玻璃贴膜具有十分常强大的抗爆防爆能力，试验证明，防爆玻璃贴膜每平方厘米承压力可达2500公斤以上，防盗防抢，是普通玻璃的近6倍以上，可以有效(yuxio)防止入屋偷盗、越窗抢劫等事件的发生。 共四十七页1.玻璃(b l)的机械强度 玻璃是一种脆性材料，它的机械强度一般(ybn)用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等

4、指标表示。从机械性能的角度来看，玻璃得到广泛应用的原因之一就是它的耐压强度高，硬度也高。 但是，实际玻璃产品的强度都不是很高，原因就在于玻璃的脆性和其中存在的微裂纹，以及不均匀区造成的。当玻璃受力作用时，不像流体会产生流动，表面的微裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂。 裂纹发散状。共四十七页缺陷导致玻璃材料强度低： 玻璃材料由于内部缺陷，表面反应与表面损伤的影响，使材料内部和表面形成了各种各样的缺陷，可以把这些缺陷看成是一种裂纹源，这些裂纹的扩展，结合玻璃的脆性，是玻璃强度低的原因。 玻璃的实际裂纹长度可以用扫描电子显微镜或其他设备测定。只有(zhyu)小于临界裂纹长度Ca的情况下，玻璃才

5、可以稳定。共四十七页影响玻璃强度(qingd)的因素 化学键强度、微不均匀性、结构缺陷、微裂纹和外界条件（温度(wnd)、活性介质、疲劳等）。共四十七页影响(yngxing)玻璃强度的因素1.1化学键强度 单位体积内的键数即与结构网的疏密程度。网络(wnglu)密，强度高；网络(wnglu)稀，强度低。 键的性质对强度影响很大。如CaO、B2O3等在补网的情况下，强度大；而Na2O、K2O等起到断网的作用，玻璃强度则小。与具体组成关系很大。共四十七页影响玻璃强度(qingd)的因素1. 2微不均匀性 结构的微不均匀性，降低了玻璃的结构。这是由于分相或析晶等的情况下，在两相交界面处形成了裂纹核，

6、因为微相之间的结合力比较薄弱，并且两相的成分不同，膨胀(png zhng)程度不一样，产生应力，以致强度下降。共四十七页影响玻璃(b l)强度的因素1. 3结构缺陷 宏观缺陷固体夹杂物、气泡、化学(huxu)不均匀等。 微观缺陷点缺陷、局部析晶、晶界等。 宏观可以造成结构不一致，从而产生应力。同时微观缺陷常常在宏观缺陷周围集中，导致裂纹，严重影响玻璃强度。共四十七页影响玻璃(b l)强度的因素1.4表面(biomin)微裂纹 格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始，随着裂纹的扩展，导致整个样品破裂。 实践证明，在玻璃火焰中拉成纤维，并保持它不同任何其他物质接触，以防止产生裂纹，测定结果，强度

7、大大提高。对此，作如下解释：在拉丝过程中，表面裂纹被火焰熔去，并且在冷却过程中表面产生压应力，强化了表面，从而提高了强度。共四十七页影响玻璃(b l)强度的因素1.5应力 玻璃中的残余应力，特别是分布(fnb)不均匀的应力，使强度大大降低。但玻璃进行强化后，比如钢化处理，使表面存在压应力，内部为张应力，并且是有规律的均匀分布(fnb)，使强度大大提高。共四十七页2.玻璃(b l)的弹性 弹性材料在外力作用下发生变形，当外力去掉后能恢复(huf)原来形状的性质。 塑性如果外力去掉后仍保持完全或部分变形状态的性质。 对于玻璃来讲，塑性变形实际上是不存在的。 玻璃的弹性主要是指弹性模量，是表示材料对

8、变形的抵抗力。低温下的玻璃基本上是服从虎克定律的弹性体。共四十七页影响玻璃弹性(tnxng)的因素2.1成分(chng fn)2.2热处理2.3温度共四十七页影响玻璃(b l)弹性的因素2.1成分 弹性模量直接(zhji)与其内部组成质点间化学键强度有关，键力越强变形越小。 例如，石英玻璃中添加Na2O、K2O后弹性模量下降，但加入Li2O时弹性模量反而上升，这显然是由于加入Li2O后玻璃分子体积的缩小有关。共四十七页影响(yngxing)玻璃弹性的因素2.2热处理 相同组成(z chn)的条件下，快冷玻璃的弹性模量要比慢冷或退火玻璃的弹性模量小得多。 例如玻璃纤维，快冷的条件下，由于其结构保

9、持了高温状态的结构，因此弹性模量较小。但是经过退火或慢冷处理的玻璃纤维，其弹性模量却可以接近块状玻璃的大小。共四十七页影响(yngxing)玻璃弹性的因素2.3温度 大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随着稳定的上升而下降(xijing)。 这是由于温度升高，离子间距增大，相互作用力降低，从而弹性模量也随着降低。此外，高温时质点热运动动能的增加也是一个原因。共四十七页3.玻璃的硬度(yngd)和脆性 硬度是表示物体抵抗其他物体侵入的能力。 硬度的表示方法有：莫氏硬度（划痕法）、显微硬度（压痕法）、研磨硬度（磨损法）和刻划硬度（刻痕法）等。 对离子晶体来说，硬度与晶格能有关，即离子电价越高，正负离子间距(

10、jin j)越小，则硬度越高。 玻璃除服从离子晶体的规律外，还有其自己特性。网络生成体使玻璃具有高硬度，而网络外体离子则使硬度降低。共四十七页 脆性是指当负荷超过玻璃的极限强度(qingd)时，立即破裂的特性。 通常冲击强度的测定，是以一定高度的钢球几次冲击试样同一表面，根据开始出现裂缝时所作功与样品体积的商来确定。共四十七页4.玻璃(b l)的密度 物质单位体积的质量(zhling)成为密度。主要取决于构成玻璃的原子的质量，也与原子堆积紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的一个因素。 玻璃密度与成分、温度、压力、热历史都有很大关系。共四十七页4.1玻璃密度和成分的关系 在玻璃中加入R2O或

11、RO时，随着离子半径的增大，玻璃密度逐渐增大。 半径小的阳离子，如Li+、Mg2+等，虽然使网络发生(fshng)断裂，但是由于它们是填充在网络空隙中，因此实际上并没有引起网络结构的扩大，而是增大了密度。 再如K+、Ba2、La3+等，其半径比网络空隙大，使网络结构扩张，导致了结构紧密度下降。共四十七页4.1玻璃密度和成分的关系(gun x) 硼反常和铝反常。 B2O3以BO3的形式存在于玻璃结构中时，使玻璃结构松懈，密度下降；但是当以BO4的形式存在时，由于BO4的体积比SiO4小，因此使得结构紧密，密度增大。 而对于Al2O3来讲，当以AlO6的形式存在时，是充填于网络空隙的，使玻璃密度上

12、升；但是当以AlO4形式存在时，由于AlO4的体积比SiO4大，又导致结构松懈，密度下降。共四十七页4.2密度与温度的关系 随着温度升高，玻璃密度下降(xijing)。 淬冷玻璃比退火玻璃的密度一般都低一些。共四十七页4.3密度与热历史的关系 玻璃密度与退火温度、保温(bown)时间、降温速度等都有很大关系： （一）玻璃从高温状态冷却时，急冷玻璃比慢冷玻璃的密度低； （二）在一定的退火温度下，保温一定时间后，玻璃密度趋向平衡，而急冷玻璃处于较大的不平衡； （三）冷却速度越快，偏离平衡密度的温度越高。共四十七页4.2玻璃的热学(rxu)性质 玻璃的热学(rxu)性质包括热膨胀系数、导热性、比热、

13、热稳定性和热后效应等。其中以热膨胀系数最为重要。共四十七页1.玻璃(b l)的热膨胀系数 玻璃的热膨胀对玻璃的成形、退火、钢化、玻璃与玻璃、玻璃与金属、玻璃与陶瓷的封接，以及玻璃的热稳定性等性质都有重要(zhngyo)意义。线膨胀系数体膨胀系数共四十七页咖啡壶、玻璃壶等，以硼硅酸盐玻璃为主，膨胀系数低，耐温急变性强。 炊烧器皿、蒸煮灶具等，热稳定性好、机械强度大。排除钢化玻璃，应选用微晶玻璃，尤其是灶台。共四十七页1.1热膨胀系数(png zhng xsh)与成分的关系 热膨胀系数可以通过加和法进行计算。在膨胀曲线的转变温度以下，热膨胀系数与温度成直线关系，并受外界影响很小，主要决定于网络结构

14、和外体离子配位状态的统计规则。 常温下玻璃这类性质大致可以看成各氧化物组份性质的总和。各组成(z chn)氧化物都有其大致的膨胀计算系数i。共四十七页1.1热膨胀系数(png zhng xsh)与成分的关系 当温度上升时，玻璃(b l)中质点的热振动振幅增加，质点间距相应增大，因而玻璃(b l)呈现膨胀。 膨胀系数与键力有关，而玻璃的膨胀又与质点间的作用力有关。Si-O键力大，因此组份SiO2的计算系数小。R+-O键力弱，故R2O的引入使玻变大。共四十七页组份氧化物，对玻的影响如下： （一）各组份对网络的作用有两方面：断网和补网。断网者使玻上升，补网使玻下降。 （二）因组分所担当的“角色”不同

15、，其对玻的影响不同，如网络生成体、中间体和外体。 （三）对于R2O和RO来说，断网作用是主要的。但对于高键力高配位离子来说，积聚作用是主要的。 （四）网络生成体使玻下降，网络中间体在有足够游离(yul)氧的条件下也使玻下降。共四十七页1.2热膨胀系数(png zhng xsh)与温度的关系 计算热膨胀系数实际上是平均值，是与转变温度下某一温度段相对应的。因此，与实际样品的热膨胀系数是有一定区别的，只是(zhsh)一种近似。所以，最终通过计算获得的热膨胀系数是一些线段的组合。共四十七页1.3玻璃微晶化对热膨胀系数(png zhng xsh)的影响 微晶玻璃以能制得很大范围的热膨胀系数而著称。一方

16、面可以(ky)制得具有负的热膨胀系数的材料，另一方面又可以(ky)制得很高的正热膨胀系数的材料。而两者之间还有一些热膨胀系数几乎等于零的微晶玻璃材料。共四十七页1.3玻璃微晶(wi jn)化对热膨胀系数的影响 对材料随温度变化而产生尺寸变化的研究是非常重要的。比如要求(yoqi)材料具有很高的热冲击能力，则其热膨胀系数要尽可能低，以便把材料中由温度应力造成的破坏降到最低。又如要把玻璃焊接到金属器件上时，需要它们的热膨胀系数近似匹配，防止结合件在加热或冷却时产生高应力。在大型光学镜头应用中，随着温度变化，玻璃尺寸的稳定性是非常重要的，此时需要一种热膨胀系数接近零的玻璃材料。 这些单纯依靠均匀的无

17、定形玻璃体是不能完成的，就要靠微晶玻璃。共四十七页 防 火 玻 璃 的 耐 火 性 能 取 决 于 玻 璃 材 质 ， 在 一 定 时 间 内 可 保 持 完 整 性 和 稳 定 性 的 玻 璃 构 件 有 玻 璃 砖 、 低 膨 胀 系 数 的 玻 璃 如 石 英 玻 璃 、 微 晶 玻 璃 、 钢 化 玻 璃 、 夹 丝 玻 璃 、 小 块 平 板 玻 璃 、 夹 层 玻 璃 及 多 层 玻 璃 都 有 一 定 的 防 火 作 用 。 防 火 夹 层 玻 璃 耐 火 试 验 ， 可 保 证 几 十 分 钟 的 防 火 效 果 ， 是 目 前 防 火 玻 璃 品 种 中 首 选 。 共四十七

18、页2.玻璃(b l)的比热 在某一温度(wnd)下单位质量的物质升高1所需的热量称为比热，用C表示单位为J/(KgK)。d为消耗的热量。共四十七页 玻璃的比热随稳定升高而增加，在转变区域内比热开始增长得特别快，在熔融(rngrng)状态下比热也随温度不断增长。共四十七页 比热(br)与玻璃的化学组成有关。SiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O，特别是Li2O能提高玻璃的比热，含有大量PbO或BaO的玻璃比热较低，其余氧化物的影响不大。共四十七页 比热按下式计算(j sun)（Pi为某种氧化物的重量百分比，Ci为玻璃比热的计算(j sun)系数）： 或按下式计算0t的平均(pngjn)

19、比热：其中，共四十七页3.玻璃(b l)的导热系数 玻璃的导热(dor)系数是用在稳定梯度等于1时，在单位时间内通过试样单位横截面积上的热量来测定的。如下所示，其中为导热(dor)系数，Q为热量，S为截面积，t为温差，为样品厚度。共四十七页 玻璃的导热系数随稳定的升高而增加(zngji)，下图为石英玻璃的导热系数与温度的关系。共四十七页 玻璃中增加SiO2、Al2O3、B2O3、Fe2O3时，导热系数随之增加，而含大量(dling)PbO或BaO时玻璃的导热系数较低。 导热系数的计算也可以用加和的方式。共四十七页4.玻璃(b l)的热稳定性 玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能成为(chngwi)热稳定性。热稳定性的大小，用试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差来表示。 影响热稳定性的因素有很多，但是影响最大的还是热膨胀系数，此外，玻璃样品的厚度对其热稳定性的影响也很大。共四十