温大新型无机材料课件04特种玻璃

第4章特种玻璃

新的乐章第4章4.1玻璃基础理论

4.1玻璃基础理论

一、玻璃的分类

1.按组成分类

元素玻璃（如硫玻璃、硒玻璃等），氧化物玻璃（如钠钙硅酸盐玻璃）及非氧化物玻璃（如卤化物玻璃、硫族化合物玻璃等）三类。

2.按玻璃用途分类

建筑玻璃、日用玻璃、仪器玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、特种玻璃。

3.按性质、功能分类

光敏玻璃、声光玻璃、光色玻璃、高折射玻璃、反射玻璃、热敏玻璃、耐高温玻璃、低膨胀玻璃、高绝缘玻璃、导电玻璃、半导体玻璃、高介电玻璃、超导玻璃、高强玻璃、耐碱玻璃等等。

第4章4.1玻璃基础理论

二、玻璃的特性

1.各向同性

2.介稳性

3.变化的可逆性

4.无固定的熔点

5.可变性第4章4.1玻璃基础理论

三、玻璃的结构

1.玻璃的结构理论（1）无规则网络学说（2）晶子学说

2.石英玻璃的结构

3.普通玻璃的结构

4.玻璃的成分、结构、性能之间的关系玻璃的成分通过结构决定性能第4章4.1玻璃基础理论

四、玻璃的形成学

1.玻璃形成的热力学条件较大的内能

2.玻璃形成的动力学条件适当的冷却速度

3.玻璃形成的结晶化学条件熔体的结构,键性,键强第4章4.1玻璃基础理论

五、玻璃的析晶

1.玻璃析晶的原因热力学、动力学（103～105

Pa.s

）

2.析晶过程晶核形成，晶体生长

3.影响玻璃析晶的因素玻璃成分，玻璃的结构因素，分相的作用，工艺因素第4章4.2玻璃工艺学基础

一、玻璃生产工艺流程

配合料制备→玻璃熔制→成型→退火→加工二、玻璃生产工艺基础

1.玻璃原料的加工处理

2.配合料的制备

3.玻璃的熔制

4.玻璃的成型

5.玻璃的退火和淬火

6.玻璃体的缺陷

7.玻璃的加工第4章4.2玻璃工艺学基础

二、玻璃生产工艺基础

3.玻璃的熔制

第4章4.2特种玻璃

4.2特种玻璃

特种玻璃它是指除平板玻璃和日用器皿玻璃以外的，采用精制、高纯或新型原料，采用新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的具有特殊功能或特殊用途的玻璃。

一、特种玻璃的特点

1.组成

构成特种玻璃组成的元素不断的增加，组成范围不断的扩大，在氧化物玻璃发展的同时，又发展出非氧化物玻璃、混合玻璃，复合玻璃

。

2.形状

从传统的板状、块体发展至薄膜和纤维。另外，还有空心和实心及各种粒径范围的玻璃微球。

第4章4.2特种玻璃3.物质状态

从传统单一均匀的玻璃态发展到多种不互溶的玻璃态，玻璃态与可控大小的晶态或气态共存的新型玻璃（微分相的Vycor玻璃，乳浊玻璃、微晶玻璃和泡沫玻璃、空气薄膜玻璃）。另外，玻璃还和其他材料制成复合材料，例如，金属玻璃（玻璃和金属的复合）、夹层玻璃（玻璃和树脂膜的复合）、玻璃纤维增强水泥（玻璃和水泥的复合）、玻璃钢（玻璃和塑料的复合）等，而微晶玻璃也可看作是玻璃和陶瓷的复合。

4.功能

功能多样化、器件化。玻璃已从单纯的透光材料和包装材料发展成具有光、电、磁和声等特性的材料。

第4章4.2特种玻璃5.制备工艺特种玻璃熔制技术和制备方法及加工工艺的多样化

特种玻璃由高温熔融法制备已发展为电加热、高频感应加热、多层坩埚熔炼、高压真空熔炼、太阳炉熔化、等离子火焰熔化以及激光熔化等多种手段。制备玻璃的方法已有气相合成、真空蒸发和溅射、CVD和MOCVD等气相沉积、双辊急冷、低温合成、高能射线辐照以及当前发展相对较快的溶胶凝胶法等多种制备工艺。玻璃深加工工艺（物理方法以物理钢化工艺为代表，还有磨抛工艺、喷砂、车制等冷加工工艺以及激光加工工艺等，化学处理则包括有化学钢化（离子交换增强）、化学蚀剂、化学抛光、表面扩散着色以及化学涂层等工艺）发展迅速，开发了许多改性玻璃品种，如高稳定性、高强度、绝缘、导电、半透光、反射、吸热及绚丽多彩的艺术装饰玻璃。

第4章4.2特种玻璃

二、特种玻璃的分类

按功能分类

1.光学电磁功能玻璃光学功能玻璃主要包括光传输功能、激光发射功能、光记忆功能、光控制功能、非线性光学功能、感光及光调节功能、偏振光起偏功能等。

第4章4.2特种玻璃2.电磁功能玻璃电磁功能主要包括导电功能、光电转换功能、声波延迟功能、电子发射功能、电磁波防护功能、磁性等。第4章4.2特种玻璃3.热学功能玻璃热学功能主要包括耐热性、低膨胀性、导热性以及加热软化性等。

第4章4.2特种玻璃4.力学及机械功能玻璃力学及机械功能玻璃具有高强度和高韧性，有些玻璃可以像加工木材一样进行机械加工。

第4章4.2特种玻璃5.生物及化学功能玻璃它主要包括具有熔融固化、耐腐蚀、选择腐蚀、水溶性、杀菌、光化学反应、化学分离精制、生物活性、生物相容性以及疾病治疗等功能的特种玻璃。

第4章4.2特种玻璃

三、特种玻璃的制备与加工

1.溶胶-凝胶法

2.气相沉积法（光纤预制棒的制备）

3.高速冷却法（激光自旋熔化自由落下法、单筒法、轧辊法）

4.气氛调节熔融法

5.爆炸法

6.特种玻璃的加工技术（离子交换与注入、分相与晶化、镀膜等）

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四.微晶玻璃微晶玻璃

将加有成核剂（亦可不加）的特定组成的基础玻璃，在一定温度下经热处理后，而形成的具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料称之为微晶玻璃。

（一）微晶玻璃的分类

（1）按组成分类硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐等五大类；

（2）按性质分类耐高温、耐热冲击、高强度、耐磨、易机械加工、易化学蚀刻、耐腐蚀、低膨胀、零膨胀、低介电损失、强介电性、强磁性和生物相容等种类；第4章4.2特种玻璃

（3）按微晶化原理分类光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃；

（4）按所用材料分类技术微晶玻璃和矿渣微晶玻璃两类。

（5）按外观分类有透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃；

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（二）微晶玻璃的性质及应用

1力学性质（1）机械强度高微晶玻璃的机械强度比一般玻璃、陶瓷材料以及某些金属材料高很多。

（2）微晶玻璃硬度很高，具有突出的耐磨性能。其硬度高于高碳钢、花岗岩，接近淬火工具钢的硬度。

2热学性质（1）热膨胀系数采用不同组成及热处理制度，可以制得多种膨胀系数值的微晶玻璃。

（2）热稳定性由于微晶玻璃热膨胀系数低，所以具有优良的热稳定性。（3）软化温度较高。导热性比较低，是热绝缘材料。第4章4.2特种玻璃

3化学稳定性微晶玻璃的耐酸耐碱性高于一般玻璃，大致同硼硅酸盐玻璃相当。对王水有非常高的稳定性，仅有轻微的侵蚀。

4光学性质光敏微晶玻璃具有感光显影性质，可像一般照相胶片一样地进行曝光和显影。

5电学性质（1）微晶玻璃介电常数高达100，一般玻璃的介电常数为4～20，最高的是40（250C，1000Hz），高温高频条件下，微晶玻璃介电损失系数甚低，第4章4.2特种玻璃

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微晶玻璃的应用

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（三）微晶玻璃配方的要求玻璃易熔制且不被污染；熔制及成形过程中不析晶；成形后的玻璃有良好的加工性能；微晶化处理时能迅速实现整体析晶；产品能满足设计的理化性能要求。

（四）微晶玻璃的核化、晶化与成核剂微晶玻璃结晶过程中的核化多数属于非均相核化的类型。其基本原理是加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中均匀地溶解于玻璃熔融体中。当玻璃处在析晶温度区时，成核剂能降低玻璃晶核生成所需要克服的势垒，核化就可以在较低的温度下进行。这种晶化类型的特点是核化与晶化在整个玻璃体均匀地进行，新晶相在成核剂上附析，长大成为细小的晶体。

第4章4.2特种玻璃

微晶玻璃的成核剂（贵金属及氧化物两大类）（1）金属成核剂常见的有Au、Ag、Cu、Pt、Ru、Rh及Pd等，它们作为成核剂在玻璃中呈离子状态，吸收电子后转变为原子态。由于它们在玻璃中溶解度较小，就以胶体析出，变成析晶的成核剂。胶粒大小一般为8～10nm。

（2）氧化物成核剂微晶玻璃常用的有TiO2、ZrO2和P2O5。其配位数较高，并且阳离子的场强较大，在热处理过程中，容易从硅酸盐网络中分出，导致分相、结晶。ZrO2在玻璃熔体中（尤其是在低碱玻璃中）难以溶解，当同P2O5共同使用时，则能显著提高ZrO2的溶解度，因而得到广泛的使用。

第4章4.2特种玻璃

（四）微晶玻璃的基本生产过程

1.微晶玻璃的生产工艺流程

配合料制备→玻璃熔制→成型→加工→微晶化处理→再加工在上述工序中，热处理是微晶玻璃生产的关键工序。微晶玻璃的结构取决于热处理的温度制度。

2.微晶玻璃生产的温度制度（1）等温温度制度某些系统的基础玻璃，由于晶核形成的温度区域与晶体生长的温度区域重叠，也就是在它们共同范围中的某一温度下，能同时进行晶核形成和晶体生长两个过程。在这种情况下，这种基础玻璃可以采用等温温度制度来进行微晶化处理。

第4章4.2特种玻璃

（2）阶梯温度制度

一般采用分段的方式进行。第1阶段是在一定温度下保温，使玻璃中产生尽可能多的晶核；第2阶段是在较高一些的温度下令晶体生长，使基础玻璃转化为以微晶结构为主的微晶玻璃。第4章4.2特种玻璃

五、多孔玻璃

1.多孔玻璃

2.多孔玻璃的制备方法多孔玻璃可以通过微粒状玻璃粉的烧结，无机盐或有机金属（醇盐等）的水解以及玻璃的分相等方法来制备。玻璃分相制备多孔玻璃（1）玻璃熔融选择具有分相能力的玻璃组成，将其原料在1200～15000C的高温下熔融，冷却后获得均匀的玻璃。

第4章4.2特种玻璃

（2）分相处理将所得到的玻璃在稍高于玻璃转变温度条件下热处理一定的时间，使玻璃分相。通过调节热处理的温度和时间可以自由控制多孔玻璃的孔径。（3）酸处理通过分相处理而分离成两相的玻璃，通常一相易溶于酸，而另一相难溶于酸，所以，将分相玻璃浸渍在酸性溶液中，