材料学导论-玻璃水泥.ppt

1、6、 玻 璃,6.1 玻璃的概念 玻璃是指熔体经过冷却，因粘度增加所得到的具有固体性质和一定结构特征的非晶态固体物质。,钠钙玻璃,铅玻璃,硼硅酸盐玻璃,石英玻璃,钢化玻璃,微晶玻璃,彩色玻璃,变色玻璃,玻璃的种类,磨砂玻璃,6.2 玻璃的特性 （1）各向同性 （2）介稳性 （3）物理化学性质变化的可逆性 （4）性质随成分变化的连续性和渐变性,6.3 玻璃的结构,三维连续网络形式 网络中一个氧原子最多同两个形成网络的阳离子M（如Si、Al、B等）相连接。成网阳离子在多元体（如硅氧四面体、铝氧三面体）的中央。 这些多面体通过顶角上的公共氧以“氧桥”相连而形成三维连续网架。但这种网架不象晶体那样有序

2、，而是完全无序的。其它变网阳离子分布在网络之间,现在，从有关玻璃性质及其结构的研究来看，可以认为短程有序和长程无序是玻璃态结构的特点。在宏观上玻璃主要表现在无序、均匀和连续性方面，而在微观上它又是有序、微不均匀和不连续性的。,无规则网络结构学说示意图,（a）石英晶体结构模型 （b）石英玻璃结构模型 (c) 钠钙玻璃结构示意图,6.4 玻璃的性质,力学性质,理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。 硬度高，脆性大。,物理性质,高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见光和红外线。热膨胀性随成分变化较大。,化学性质,化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。,6.5 普通玻璃生产工艺,6.5.1玻璃

3、的原料 玻璃的混合料是由多种原料混合而成，根据各种原料的用量和作用的不同，可分为主要原料和次要原料，其中为了引入玻璃主要成分的原料，称为主要原料，而为了满足某种需要或使玻璃具有某些必要性能而引入的原料，称为辅助原料，如澄清剂、助熔剂等。 最广泛用的玻璃成分以SiO2、CaO和NaO为主，用来制造平板玻璃、瓶罐玻璃、灯泡玻璃等。迄今为止，超过95%的玻璃制品仍然属钠钙硅酸盐系统的范畴。,钠钙硅酸盐玻璃（平板玻璃、瓶罐玻璃、器皿玻璃） SiO2 69%75% Al2O3 02.5 % CaO 5%10% MgO 1%4.5% Na2O 13%15% K2O 02%,（1）硅质原料：硅质原料是指引入

4、SiO2成分的原料。主要包括石英砂、砂岩、石英岩、粉石英等。 （2）引入Al2O3原料： 在玻璃中引入Al2O3的原料有长石、粘土、Al(OH)3等。 （3）引入CaO的原料：CaO是通过方解石、石灰石、沉淀CaCO3等原料来引入的。在一般玻璃中，CaO含量不超过12.5%。 （4）引入MgO的原料：引入MgO的原料有白云石（MgCO3、CaCO3）、菱镁矿（MgCO3）。 （5）引入Na2O的原料：主要有纯碱（Na2CO3）和芒硝（Na2SO4）。,6.5.2 玻璃的熔制 将配合料经过高温加热形成均匀的、无气泡的、符合成型要求的玻璃液过程，称为玻璃的熔制。 玻璃的熔制过程是一个包括一系列物理

5、、化学反应的复杂过程，如配合料加热、吸附水分蒸发排除、组分熔融、多晶转变等物理过程，固相反应、各种盐类的分解、化学结合水排除、组分间相互反应及硅酸盐生成等化学反应。 玻璃的熔制过程大致可分为五个阶段：硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。,6.5.3 玻璃的成型 玻璃的成型通常指热塑成型。是指将玻璃液冷凝成具有一定几何形状的固体玻璃的过程。 （1）浮法 拉制成形 （2）垂直引上法 （3）平拉法 吹制成形 压制成形 加工纤维,6.6 特种玻璃,6.6.1 特种玻璃的发展 日用器皿玻璃和平板玻璃是以Na2OCaOSiO2系统为基础的传统玻璃。 随着社会发展和科学技术的进步，对玻璃提出了某些特殊性

6、能的要求，这些玻璃逐渐脱离原来玻璃成分范围，形成了专业应用的新型玻璃，即特种玻璃。如光学玻璃、微晶玻璃、光纤玻璃、激光玻璃、变色玻璃等。,6.6.2 光学玻璃 光学玻璃是一种能改变光的传播方向，并能改变紫外、可见或红外光的相对光谱分布的玻璃。光学玻璃主要用来制成各种曲率的球面或非球面透镜和反射镜，以及各种复杂的棱镜，如眼镜、显微镜、照相机、电影机、电视机、光谱仪等。,6.6.3 光导纤维 (1)定义及传光原理 光导纤维（简称光纤）是利用光在玻璃中全反射原理而达成高质量光传导的玻璃纤维。 光纤由纤维芯和纤维包皮组成，一般呈圆柱状，直径从几微米到几百微米，光被约束在纤维内曲折向前传播。为了使光具有

7、足够强度，把许多纤维（加上光学绝缘层）结合起来，制成光缆。,光纤是利用全反射原理来传导光能的，如图所示。当进入光纤的光线射入纤芯和包层界面的入射角时，则在入射点的光线可能分为两束，一束为折射光，另一束为反射光，它们服从光线的折射和反射定律：入射角等于反射角 即 = n1sin= n2sin,全内反射 ：当折射角时= 90，临界角c的正弦可以表示为 sinc= n2/n1,为了使之能在光纤中远距离传输，一定要具备光在光纤中反复发生反射的条件。实现全反射的条件： n1 n2 c,（2）光损耗 影响光纤导光的主要障碍是光损耗。光在玻璃中传播时的损耗分为散射损耗和吸收损耗。 散射损耗的主要原因是玻璃或

8、纤维内部存在着不均匀性。玻璃棒制备时会带来条纹、气泡、分相甚至极其微小的结晶体或夹杂物。光波愈长则散射损耗愈小。 光吸收损耗是由过渡金属离子和水在玻璃中形成羟基（OH）基引起的。,长飞光纤公司的PCVD光纤预制棒生产设备,6.6.3 微晶玻璃 微晶玻璃是由于玻璃的微晶化而制得的多晶固体。主要是玻璃工艺特点，而结构却类似于陶瓷，故又称为玻璃陶瓷。 微晶玻璃的制备过程是把通过各种成型方法制得的玻璃，再经过热处理，使之产生晶核及结晶相生长而转变为微晶固体的过程。,微晶玻璃的生产工艺流程为： 配合料制备 玻璃熔融 成型 加工 微晶化热处理 再加工,微晶玻璃生产的技术的关键是通过组成、晶核剂和热处理条件

9、的调节来控制晶体组成、尺寸和含量以制取预定性质的微晶玻璃。 微晶玻璃与陶瓷的不同是微晶化过程的晶相全由一个均匀玻璃中的晶体生长而产生的。 微晶玻璃与玻璃的不同之处是其大部分是晶相（可含 5598% 小于1m的微晶），而玻璃则是非晶态。,尽管微晶玻璃的结构、性能和生产方法与玻璃和陶瓷各异，但是微晶玻璃集中了后两者的特点，成为一类独特的材料。 这类材料具有优异的性能，如它的热膨胀系数变化范围大，机械强度高，耐化学腐蚀，使用温度高及坚硬的耐磨性等。,作业 1、玻璃的结构。 2、光导纤维的导光原理及应用。 3、如何制备微晶玻璃？,7、 水泥,什么是水泥？水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体，既能在空气

10、中硬化，又能在水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。,水泥的种类,硅酸盐水泥,铝酸盐水泥,硫铝酸盐水泥,氟铝酸盐水泥,火山灰水泥,硅酸盐水泥,原料：石灰石、粘土、铁粉、煤粉、矿化剂等,CaO,Al2O3 SiO2,Fe2O3,工艺：,配料,粉磨,成球,煅烧,粉磨,包装,13001450,水泥的熟料,矿渣,石膏,水泥的熟料,粉煤灰,火山灰,普通水泥,矿渣水泥,粉煤灰水泥,火山灰水泥,不掺其它料,硅酸盐水泥的主要矿物成分,硅酸三钙 3CaOSiO2，C3S,硅酸二钙 2CaOSiO2，C2S,铝酸三钙 3CaOAl2O3，C3A,铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3，C

11、4AF,四种矿物单独与水作用的特性 矿 物 水化速度 凝结硬化速度 水化热 早期强度 强度 硅酸三钙（C3S） 快 快 高 高 高 硅酸二钙（C2S） 慢 慢 最小 低 高 铝酸三钙（C3A） 最快 快 最高 低 铁铝酸四钙（C4AF）次于C3A 小 低,主要矿物成分对水泥性能的影响,提高C3S可以提高水泥的强度，得到高强水泥,提高C3A，C3S，可以得到快硬水泥,降低C3A和C3S，提高C2S，可以得到中低热水泥,提高C4AF，降C3A，可以得到道路水泥,水泥的强度与标号 水泥强度是指水泥石能够承受外力的能力，它是评定水泥质量的重要指标，一般用水泥标号作为水泥强度的等级划分标准。 标号的确定是水泥、标准砂及规定用水量，按灰砂比12.5伴制成塑性水泥胶砂，按规定制成4416（cm）的制件，测其3d、7d、28d的抗折、抗压值。 根据28d的抗压强度值，确定水泥标号。例如：425水泥28d的抗压强度值42.5MPa 水泥的抗压强度值42.5MPa，但不足52.5MPa，标号为425。,体积安定性 体积安定性是指水泥制品在硬化后体积变化是否均匀的性质。如硬化后产生不均匀的体积变化，即为体积安定性不良。它能使构