玻璃工艺学第4章.ppt

1、玻璃的性质,玻璃的粘度和表面张力 玻璃的力学性能及热学性能 玻璃的化学稳定性 玻璃的电学及磁学性能 玻璃的光学性能 玻璃的着色和脱色,定义：指玻璃对外界因素的作用所作出的反应。 外因 玻璃性质 热 热稳定性、热膨胀系数、导热系数 电 电导率、介电损耗 光 折射率、反射、光吸收 机械力 机械强度、弹性模量、硬度 化学介质 化学稳定性,玻璃性质概述,性质分类： 三类性质：迁移性质、非迁移性质、其它性质,1.迁移性质 可用离子迁移时克服势垒的能量衡量。 成分与性质间不符合加和法则。 包括电导、电阻、粘度、化稳性等。 在Tg,Tf内逐渐变化,2.非迁移性质,和玻璃成分间关系符合加和法则。 包括折射率、

2、色散、弹性模量、硬度、热膨胀系数、介电常数等。 在Tg,Tf内突变。,3.其它性质 光吸收、颜色等。是由于电子在离子内跃迁、在不同离子间的电荷迁移及原子或原子团的振动引起。,4 玻璃的粘度和表面张力,4.1 玻璃的粘度,4.2 玻璃的表面张力和表面性质,物理概念,影响因素,温度 熔体结构 玻璃组成 热历史,特征点,测定与计算,工艺意义,4.1 玻璃的粘度,一、粘度的物理意义 粘度是用来衡量粘滞流动的，它表示了液体的内摩擦力。这种内摩擦力是液体结构的外在表现。,定义： 粘度指面积为S的两平行液层以一定的速度梯度 （dv/dx）移动时需克服的内摩擦阻力f。,f= S (dv/dx) (4-1) 粘

3、度或粘度系数,单位： 国际单位：帕斯卡秒（Pa S） 常用单位：泊（P） 1 Pa S=10 P,20C水 =10 -3 Pa S 20C玻璃= 1018 Pa S 玻液=10 Pa S,二、粘度和温度的关系,1.玻璃的-T曲线,用 d/dT 表示料性 d/dT 大即料性短（B）曲线较陡 d/dT 小即料性长（A）曲线较平缓 料性短的玻璃可有较高的成型机速。, =A eu/KT （4-2） =1/ =A eu/KT （4-3） u - 粘滞活化能（势垒） - 流动度 Lg=+ /T (u是常数) （4-4） = LgA = (u/K) Lge,2.粘度与温度关系的量化 质点移动（流动）需有克服

4、一定势垒（u）的能量。 u 流动性 粘度,高温 熔体基本无聚合， 低温 聚合趋于完毕， u都为常数。,bc中温段 冷却时不断发生聚合， u随温度变化较大（增大）， 故此段为非线性关系。,1.组成,（2） R2+ 高温解聚（断网） ，；低温积聚，n ,（3）高场强离子 积聚作用很强，n ,三、粘度和熔体结构的关系,（1）R+断网聚合度n 熔体自由体积 ,2.温度,高温 自由体积较多较大，利于小四面体移动， 较小。 低温 积聚作用使网络连接程度变大， ,1.氧硅比 O/Si表现了网络连接程度。 O/Si大时 Onb多，n低，较小。 O/Si 小时 Onb少，n高，较大。,其它阴离子/硅 对粘度影响

5、显著 例如：OH使降低。 氟化物取代氧化物降低，因为 2F 代一个O2,四、粘度与玻璃组成的关系,R2O-SiO2中R+使粘度降低 （1）O/Si 高时 负离子团呈孤岛状，网络需R-O连接。 键强大 大。 Li Na K,（2）O/Si 低时 网络较完整， R+主要起断网作用， Li+ 对 Ob的极化作用强， Li Na K,2.化学键的强度 其他条件相同时化学键越强粘度越大。,3.阳离子极化力 阳离子极化力大，减弱硅氧键的作用强，使降低。 非惰性气体型阳离子极化力 惰性气体型 如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。,4. 结构对称性 结构对称则结构缺陷较

6、少，粘度较大。,例如：（1） 石英 硼玻璃 （2） 石英 磷玻璃,5 . 配位数 氧化硼表现明显。 硼反常 BO4 BO3, 电荷相同时N越大越大。 如 In2O3(N=6) Al2O3 (N=4) ZrO2 (N=8) TiO2 (N=6) GeO2 (N=4),小结,五、粘度与热历史的关系 快冷得到的玻璃粘度较小。,（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等增加粘度。,（2）碱金属氧化物降粘度。,（3）PbO、CdO、Bi2O3 、SnO等降低粘度。,（4）碱土金属氧化物 降高温粘度，升低温粘度。（使料性变短） 增加粘度的顺序Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+,六、粘度特征点 （Pa S） 对应

7、温度 10 熔化温度（玻璃可以一般速度熔化） 102103 自动供料温度 103106.6 操作范围 31061.5107 软化温度（成型下限）,1081010 膨胀软化点Tf 1012 退火上限 1012.4 转变点Tg 1013.5 应变点（退火下限）,1.测量（常测高温粘度）（ 帕 秒 ） 拉丝法： 1071014 压入法： 1041012 平行平板法：102108 弯梁法： 1071014,七、粘度的测量与计算,2.粘度的计算 注意各公式的适用范围,A.奥霍琴法 适用于含MgO，Al2O3的钠钙硅系统，当Na2O为1216%， ( CaO+MgO) 为512%,，Al2O3为05%,S

8、iO2为6480%时： T=Ax+By+Cz+D 其中：T 该粘度对应的温度值 x,y,z Na2O，CaO+MgO3%,，Al2O3为的质量分数 A，B，C，D 特性常数,随粘度值而变化,B.富尔切尔法(Fulcher) 适用范围:实用工业玻璃,以SiO2为1.00mol来表示, 适用成分: SiO21.00mol,Na2O0.150.20mol,CaO0.120.20mol, MgO0.000.05mol,Al2O30.00150.0730mol.,其中:A=-1.4788Na2O+0.835K2O+1.6030CaO+5.4936MgO-1.5183Al2O3+1.4550 B= =-6

9、039.7Na2O-1439.6K2O-3919.3CaO+6285.3MgO+2253.4Al2O3+5736.4 T0= =-25.07Na2O-321.0K2O+544.3CaO-384.0MgO+294.4Al2O3+198.1,注意:单位为P,粘度范围:101012pas.偏差3 C,1.熔化 石英砂的熔化包括表面溶解和扩散，粘度小利于扩散。,八、粘度的工艺意义,2.澄清 气泡上升速度与粘度成反比。,3.均化 实际是质点的扩散，粘度小有利。,4.成形 料性短的玻璃可较快成形。 TWTL过小易析晶。,5.退火 在 =1011.51013帕 秒内通过粘滞流动消除应力，温度 较低（ 101

10、3帕秒）时有部分应力通过弹性松弛消除。,4.2 玻璃的表面张力和表面性质 surface tension & surface property,一、物理意义 1. 定义：作用在单位长度液体表面使之收缩的力。 或 玻璃与另一相接触的相界面上，在恒温、恒容下增加 一个单位表面所作的功。 单位：N/m 或 J/m2,2. 产生原因 表面质点受力不均衡。体现了质点间吸引力或键力的强弱。 1000C以上 玻璃熔体 =22038010-3 N/m 20 C 水 =7810-3 N/m,1.R2O,由图可知， Na2O对无明显影响， Li2O使增大，K2O使减小。,场强小对表面张力的贡献小。 即Li Na

11、K,二、玻璃组成对表面张力的影响,2.RO 因场强较大，故CaO、MgO、ZnO等使增大。 PbO有吸附作用，可降低。,3.R2O3 Al2O3使增大， B2O3使减小。 B2O3降,可能因为表面多为BO3而内部为BO4 能显著降低的称为表面活性物质，如K2O、PbO、B2O3,4.阴离子 （1）-OH 不影响 （2）F- 降低 800C时引入1wt%，可使降710-3N/m。 （3）SO42- 降低,（1）非表面活性组分 符合加和法则 （2）中间性质组分 （3）难熔表面活性强组分,5、组成氧化物分类,不符合加和法则,三、温度对的影响 = 0（1 bT）,在温变过程中不发生缔合或解聚的液体在一

12、定范围内为直线关系。,一般d/dT0,五、大气对的影响 水蒸气分压增大， 减小,六、 的计算（自学）,四、气氛对的影响 还原比氧化大20%左右。,1.澄清 Vr2 大，气泡长大难，澄清难。,七、 的工艺意义,2.均化 大时，力求成球，均化难。,3.成形 拉边器 自抛光,4.热加工 烧口 火抛光,规律：固体表面氧化程度低 润湿好 T 润湿性好 同价离子r小 润湿性好 KNaLi 气体介质 氧气、空气中好（ 小）,三力平衡时 sg= lgcos + sl 为润湿角 =0完全浸润 小利于封接,八、玻璃的润湿能力和润湿角,九、玻璃表面组成、结构与表面性质,1.玻璃表面组成 一般：表面富硅少碱。 原因：表面与炉气、大气发生作用 各种氧化物对表面能作用不同，降低表面能的 组分在表面富集。 成型过程,若含Al、P、B同样会水化 进一步吸附水,Si-O-R+H2OSiOH+ROH 若ROH被冲去，则表面比内部缺少R+,3.表面性质 强度 表面微裂纹使强度。H+取代R+使表面 产生张应力，常会产生微裂纹。 表面析晶能力强,.玻璃的表面反应 （1）水化反应硅羟团的生成及其对