3 第3-5章-玻璃的力学性能及热学性能等12年

1、第3章玻璃的力学性能及热学性能,3.1玻璃的力学性质 3.2玻璃的热学性质,3.1玻璃的力学性质,3.1.1玻璃的机械强度（掌握） 3.1.2玻璃的弹性（熟悉） 3.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉） 3.1.4 玻璃的密度（掌握）,3.1.1玻璃的机械强度（掌握）,1理论强度与实际强度（掌握） 2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉） 3影响强度的主要因素（掌握）,玻璃的机械强度,耐压 抗折 抗张 抗冲击,机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示,理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能承受的最大应力。,玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。,1理论强度与实际强度（掌握）,奥鲁凡（Or

2、owan)假设,理论强度,弹性模量,0.1-0.2,3.1玻璃的力学性质,原因,玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃内部不均匀区及缺陷造成应力集中 表面微裂纹急剧扩展,据测定12玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5微米，宽0.010.02微米，光学显微镜分不出来。,2玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）,裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损伤等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷裂纹源,3.1玻璃的力学性质,裂纹扩展,在裂纹的尖端处存在着应力集中驱使裂纹扩展的动力。,裂纹扩展速度,弹性模量 密度,3影响强度的主要因素（掌握）,1）化学键与化学组成,玻璃的键强包括各种的强度及数目。 键强大，

3、机械强度好。 结构网络紧密，强度好。,3.1玻璃的力学性质,一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。 MgO、Fe2O3对强度作用不大。,常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：,CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3),常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：,Al2O3（SiO2、MgO、ZnO)B2O3Fe2O3 (PbO、CaO ),抗张强度和抗压强度可用加和性法则计算,3.1玻璃的力学性质,2）微不均匀性,玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一样，易产生应力，强度

4、下降。,3）宏观和微观缺陷,缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。,4）活性介质,渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展,起化学作用，使结构破坏,作用,水、酸、碱、某些盐类,3.1玻璃的力学性质,5）温度,低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，强度为最低。,高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）,6）应力,玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大下降。,3.1玻璃的力学性质,3.1.2玻璃的弹性（熟悉）,1概念 2弹性模量与成分的关系 3弹性模量与热处理的关系 4弹性模量与温度的关系,1概念,弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力

5、去掉后恢复原来形状的性质。,塑性：如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。,玻璃的弹性弹性模量E,应力,相对的纵向变形,表54,3.1玻璃的力学性质,2弹性模量与成分的关系,与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。结构紧密，弹性模量高。,常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：,CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaOZnOPbO,同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子（Li+Be+Mg2+Al3等）则提高弹性模量,在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。,Na2O或K2O弹性模量，PbO不起作用,玻璃的弹性模量可用加

6、和法 则进行近似计算,3.1玻璃的力学性质,3弹性模量与热处理的关系,退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃的密度大，结构牢固）,4弹性模量与温度的关系,大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高温时质点热运动动能增大）,Tg以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化,石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量(反常现象：T，离子间距增大而造成相互作用力，使E 下降的原因已不存在）,3.1玻璃的力学性质,3.1.3玻璃的硬度和脆性（熟悉）,概念 影响因素,1硬度概念,表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。 一般用显微硬度表示,利用金刚石正方

7、锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，在测量对角线的长度进行计算,2硬度影响因素（组成、结构）,网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度 温度升高，硬度下降 淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度 与玻璃的冷加工工艺有关,3.1玻璃的力学性质,结论,硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小； 各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为,SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO,一般玻璃硬度为57（莫氏硬度）,3.1玻璃的力学性质,3脆性概念,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能。,松驰速度低,

8、4脆性影响因素,化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。,3.1玻璃的力学性质,3.1.4玻璃密度（掌握）,1密度,玻璃的密度决定于构成玻璃的各原子质量和原子的堆积方式。,1密度概念 2密度与成份的关系 3密度与温度及热历史的关系 4密度与压力及析晶的关系,玻璃单位体积的质量称。,3.1玻璃的力学性质,2密度与成份的关系,成份发生微小变化，密度会敏感的反映出来。,生产中常以测定密度值来监控玻璃成份。,1）、在玻璃中加入R2O和RO时，密度随原子序数的增加而增加,2）、同种氧化物在玻璃中的配位数不同，对密度的影响也不同，Ba3+处于四面体比三角体时大，而Al3+正好相反。,3）、玻璃中同时含

9、有Al2O3和B2O3时，玻璃密度的变化变得复杂。,4）、玻璃密度可以根据组成氧化物含量进行计算。,3.1玻璃的力学性质,随温度升高，密度下降。,同成份玻璃的热历史不同，密度差别较大，如退火和淬火玻璃,4密度与压力及析晶的关系,在常压下不受压力的影响。当承受100200*108Pa时，密度变大并保持，当在Tg附近时，才恢复正常值。,析晶后质点进行有序排列，一般密度增大。,3密度与温度及热历史的关系,3.1玻璃的力学性质,3.2玻璃的热学性质,3.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握） 3.2.2玻璃的热稳定性（掌握）,3.2.1玻璃的热膨胀系数（掌握）,1热膨胀系数的概念 2热膨胀系数与成分的关系 3

10、热膨胀系数与温度及热历史的关系,1热膨胀系数的概念,玻璃平均线膨胀系数,（1/）,通常用室温300（或400）的平均线膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数,2热膨胀系数与成分的关系,能增强网络结构的，则，使网络断裂者，则,R2O与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使，同一主族的阳离子随原子半径增大，则,高价阳离子（Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则 ,网络形成体， ，对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能 ,Tg（转变温度）点以下，可以通过加和法则计算,3.2玻璃的热学性质,3热膨胀系数与温度及热历史的关系,Tg点以下，是线性的 Tg点以下，退火玻璃的淬火玻璃 Tg点附近，质

11、点开始移动，结构调整引起收缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方 Tg点以上，退火玻璃与淬火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用,补充：析晶使质点间作用力增强，（与析出晶相的种类与数量有关）,3.2玻璃的热学性质,3.2.2玻璃的热稳定性（掌握）,1概念 2影响因素,1概念,玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能称,表示,用试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差,破坏过程,温度急变沿玻璃厚度从表面到内部，各层温度不一样，膨胀量也不一样，则产生应力，当其超过极限强度时就造成破坏。,决定因素是抗张极限强度。,试样受急冷,3.2玻璃的热学性质,2影

12、响因素,组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都能提高热稳性；硅含量高而碱含量低时，热稳性好,制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差,制品越厚，热稳性差,提高热稳性的途径,降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。,凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热稳定性降低。,结论,3.2玻璃的热学性质,第4章玻璃的化学稳定性,玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。,4.1侵蚀机理（掌握） 4.2影响化学稳定性的因素（掌握）,4.1侵蚀机理（掌握）,4.1.1侵蚀剂的分类 4.1.2 水对玻璃的侵蚀 4.1.3酸对玻璃有侵蚀 4.1.4碱对玻璃的侵蚀 4.1.5大气对玻

13、璃的侵蚀玻4.1.6 玻璃的脱片现象,只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的R2O和RO等,不仅对上述氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起作用的物质。,4.1.1侵蚀剂的分类,4.1.2 水对玻璃的侵蚀,侵蚀过程,开始于H2O中H+和玻璃中的Na+进行交换，之后进行的是水化、中和三个反应。,H2O分子也能对硅氧骨架直接起反应而生成Si(OH)4极性分子，最后形成一层SiO2 XH2O薄膜，称硅酸凝胶保护膜。当PH8时此膜较稳定，能阻挡侵蚀过程，称自抑制作用。,第4章玻璃的化学稳定性,4.1.3酸对玻璃有侵蚀,除HF酸外，一般酸不和玻璃直接反应，而是通过其中水分子的作用而侵蚀的。,注意,酸

14、侵蚀的第一步反应与水相同； 1反应中产生的ROH很快被酸中和，即产生两种效果：一是加速了反应1，使侵蚀加快；二是阻碍了反应3，降低反应3，使反应速度减慢； 当玻璃中含R2O量高时，一作用是主要的。而当SiO2含量高时，二作用是主要的。,第4章玻璃的化学稳定性,碱中的OH-集中在玻璃表面，并把玻璃中各种阳离子吸附于玻璃的表面。,OH-直接破坏网络结构，使Si-O键断裂。,产生的硅氧群最后变成硅酸离子或与吸附于表面上的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解于碱液中。,4.1.4碱对玻璃的侵蚀,过程,反应如下,第4章玻璃的化学稳定性,结论,碱对玻璃侵蚀是不会产生高硅保护膜的，侵蚀会不断的进行下去。,碱的侵蚀速

15、度很大程度上决定于侵蚀中形成的硅酸盐的溶解度，溶解度小侵蚀慢。,玻璃的耐碱性与RO键强有关，键强越大，耐碱性好。因此，高场强的阳离子能提高玻璃的耐碱性。,第4章玻璃的化学稳定性,大气中含有H2O 、CO2、 SO2等对玻璃都有一定的侵蚀作用，其中潮湿大气最为严重。,过程：玻璃表面吸附水分子后，形成一层水膜类似于水的侵蚀开始，并且在玻璃表面释出碱而在原地不断的积累，到一定程度类似于碱的侵蚀，其速度大为加快。,4.1.5大气对玻璃的侵蚀,实质,先是以离子交换的释碱过程，后来过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。,说明,水气对玻璃的侵蚀远大于水的侵蚀。,第4章玻璃的化学稳定性,4.1.6 玻璃的脱片现象,

16、现象,盛装药液和饮料用的玻璃瓶，受到水或碱溶液的侵蚀后所出现的现象。,原因,(1)玻璃表面层中，可溶性成分溶出后，不溶性的高硅氧残存薄膜的剥离,(2)原溶液中存在（或玻璃中溶出）的多价金属离子，在玻璃表面层形成含水硅酸盐薄膜后剥离。,(3)保温瓶脱片的主要成分是含低SiO2和高CaO、MgO等物质,结论,蒸馏水几乎不发生；自来水易；pH值低的不易，高的易；同样条件下的水，对于碱溶出量多的玻璃和组成中引入MgO的玻璃，易发生；温度和侵蚀时间延长，则脱片加剧。,第4章玻璃的化学稳定性,4.2.1化学组成 4.2.2热处理 4.2.3表面状态 4.2.4温度和压力,4.2影响化学稳定性的因素（掌握）

17、,第4章玻璃的化学稳定性,1）SiO2：硅酸盐玻璃的化稳性决定于SiO2与R2O(RO)的相对含量，其含量越高，化稳性越好。,2）含有一定的Al2O3、B2O3的玻璃，则Al、B具有一定的补网作用，可提高化稳性。较高则出现反常现象。,3）含有一定的Al2O3、P2O5，可提高化稳性。,4）含有少量的Li2O取代Na2O，可提高化稳性。,5）玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，其化稳性比单一的要好，混合碱效应。,4.2.1化学组成,第4章玻璃的化学稳定性,对于其它氧化物对化学稳定性的影响,耐水性,ZrO2Al2O3TiO2ZnOMgOCaOBaO,耐酸性,ZrO2Al2O3ZnOCaOTiO2MgOBaO,4.2.2热处理,退火玻璃比淬火玻璃的结构紧密，化稳性要好。,玻璃钢化处理后，其化稳性要好。,注意,硼硅酸盐玻璃，有时退火比淬火的化稳性差，因退火时有分相产生。,第4章玻璃的化学稳定性,4.2.3表面状态,用表面处理的方法改变玻璃的表面状态，以提高化稳性。,表面处理分两类,从玻璃表面层移除对侵蚀介质具有亲和力的成分（如Na2O、K2O等