玻璃工藝學第四章

1、一、玻璃的機械(jxi)性質二、玻璃的熱學(rxu)性質第四章共四十七頁4.1玻璃的機械(jxi)性質機械(jxi)強度；彈性；硬度和脆性；密度共四十七頁鍍膜、鋼化(n hu)節(jié)能裝飾(zhungsh)、鋼化共四十七頁鋼化玻璃 將平板玻璃加熱至軟化溫度附近，用空氣快速、均勻冷卻。外部因冷卻而迅速固化，內部冷卻較慢。從而(cng r)使玻璃表面產生壓應力，內部產生張應力，導致玻璃機械強度成倍提高，并且增強了熱穩(wěn)定性。特點 1.安全。沖擊后不易破碎，即使破碎也成小鈍角顆粒，對人體傷害較輕。 2.強度高。是普通玻璃耐沖擊強度的3-5倍。 3.熱穩(wěn)定性好。承受溫度突變范圍為220-250，而普通玻璃僅

2、為70-100 。 4.屬于“安全玻璃”，廣泛用于如玻璃門、建筑幕墻、室內隔斷、電梯、櫥窗、建筑主面窗、家具、家電等等。共四十七頁防彈玻璃 防彈玻璃通常是透明的材料。防彈玻璃通常包括(boku)聚碳酸酯纖維層夾在普通玻璃層之中。子彈容易擊穿外表的一層玻璃，但堅固的聚碳酸酯纖維層會在它可能擊穿玻璃內在的層之前停止子彈的運動。大塊的防彈玻璃已經在在第二次世界大戰(zhàn)期間做了公共的用途，通常厚達100毫米至120毫米，而且極端重。 單向防彈玻璃 單向防彈玻璃通常被制成二層：在外部的易碎的一層和在里面的柔韌的一層。當一個子彈從外部射出時，子彈會先擊中易碎的一層，并打碎一個區(qū)域。這會吸收一些 子彈的動能，并

3、且在一個更大的區(qū)域傳播動能。當減慢的子彈擊中柔韌的一層時，它就被擋住了。但是，當子彈從里面射出，它會先擊中柔韌的一層。子彈能把柔韌 的一層擊穿是因為它的能量集中于一個小范圍，脆的一層在柔韌的那層向外彈時向外碎裂，而且不妨害子彈的前進。 沙龍防彈玻璃掩護 察看隔離墻建設進展 共四十七頁 防爆玻璃貼膜具有十分常強大的抗爆防爆能力，試驗證明，防爆玻璃貼膜每平方厘米承壓力可達2500公斤以上，防盜防搶，是普通玻璃的近6倍以上，可以有效(yuxio)防止入屋偷盜、越窗搶劫等事件的發(fā)生。 共四十七頁1.玻璃(b l)的機械強度 玻璃是一種脆性材料，它的機械強度一般(ybn)用耐壓、抗折、抗張、抗沖擊強度等

4、指標表示。從機械性能的角度來看，玻璃得到廣泛應用的原因之一就是它的耐壓強度高，硬度也高。 但是，實際玻璃產品的強度都不是很高，原因就在于玻璃的脆性和其中存在的微裂紋，以及不均勻區(qū)造成的。當玻璃受力作用時，不像流體會產生流動，表面的微裂紋便急劇擴展，并且應力集中，以致破裂。 裂紋發(fā)散狀。共四十七頁缺陷導致玻璃材料強度低： 玻璃材料由于內部缺陷，表面反應與表面損傷的影響，使材料內部和表面形成了各種各樣的缺陷，可以把這些缺陷看成是一種裂紋源，這些裂紋的擴展，結合玻璃的脆性，是玻璃強度低的原因。 玻璃的實際裂紋長度可以用掃描電子顯微鏡或其他設備測定。只有(zhyu)小于臨界裂紋長度Ca的情況下，玻璃才

5、可以穩(wěn)定。共四十七頁影響玻璃強度(qingd)的因素 化學鍵強度、微不均勻性、結構缺陷、微裂紋和外界條件（溫度(wnd)、活性介質、疲勞等）。共四十七頁影響(yngxing)玻璃強度的因素1.1化學鍵強度 單位體積內的鍵數即與結構網的疏密程度。網絡(wnglu)密，強度高；網絡(wnglu)稀，強度低。 鍵的性質對強度影響很大。如CaO、B2O3等在補網的情況下，強度大；而Na2O、K2O等起到斷網的作用，玻璃強度則小。與具體組成關系很大。共四十七頁影響玻璃強度(qingd)的因素1. 2微不均勻性 結構的微不均勻性，降低了玻璃的結構。這是由于分相或析晶等的情況下，在兩相交界面處形成了裂紋核，

6、因為微相之間的結合力比較薄弱，并且兩相的成分不同，膨脹(png zhng)程度不一樣，產生應力，以致強度下降。共四十七頁影響玻璃(b l)強度的因素1. 3結構缺陷 宏觀缺陷固體夾雜物、氣泡、化學(huxu)不均勻等。 微觀缺陷點缺陷、局部析晶、晶界等。 宏觀可以造成結構不一致，從而產生應力。同時微觀缺陷常常在宏觀缺陷周圍集中，導致裂紋，嚴重影響玻璃強度。共四十七頁影響玻璃(b l)強度的因素1.4表面(biomin)微裂紋 格里菲斯認為玻璃破壞時是從表面微裂紋開始，隨著裂紋的擴展，導致整個樣品破裂。 實踐證明，在玻璃火焰中拉成纖維，并保持它不同任何其他物質接觸，以防止產生裂紋，測定結果，強度

7、大大提高。對此，作如下解釋：在拉絲過程中，表面裂紋被火焰熔去，并且在冷卻過程中表面產生壓應力，強化了表面，從而提高了強度。共四十七頁影響玻璃(b l)強度的因素1.5應力 玻璃中的殘余應力，特別是分布(fnb)不均勻的應力，使強度大大降低。但玻璃進行強化后，比如鋼化處理，使表面存在壓應力，內部為張應力，并且是有規(guī)律的均勻分布(fnb)，使強度大大提高。共四十七頁2.玻璃(b l)的彈性 彈性材料在外力作用下發(fā)生變形，當外力去掉后能恢復(huf)原來形狀的性質。 塑性如果外力去掉后仍保持完全或部分變形狀態(tài)的性質。 對于玻璃來講，塑性變形實際上是不存在的。 玻璃的彈性主要是指彈性模量，是表示材料對

8、變形的抵抗力。低溫下的玻璃基本上是服從虎克定律的彈性體。共四十七頁影響玻璃彈性(tnxng)的因素2.1成分(chng fn)2.2熱處理2.3溫度共四十七頁影響玻璃(b l)彈性的因素2.1成分 彈性模量直接(zhji)與其內部組成質點間化學鍵強度有關，鍵力越強變形越小。 例如，石英玻璃中添加Na2O、K2O后彈性模量下降，但加入Li2O時彈性模量反而上升，這顯然是由于加入Li2O后玻璃分子體積的縮小有關。共四十七頁影響(yngxing)玻璃彈性的因素2.2熱處理 相同組成(z chn)的條件下，快冷玻璃的彈性模量要比慢冷或退火玻璃的彈性模量小得多。 例如玻璃纖維，快冷的條件下，由于其結構保

9、持了高溫狀態(tài)的結構，因此彈性模量較小。但是經過退火或慢冷處理的玻璃纖維，其彈性模量卻可以接近塊狀玻璃的大小。共四十七頁影響(yngxing)玻璃彈性的因素2.3溫度 大多數硅酸鹽玻璃的彈性模量隨著穩(wěn)定的上升而下降(xijing)。 這是由于溫度升高，離子間距增大，相互作用力降低，從而彈性模量也隨著降低。此外，高溫時質點熱運動動能的增加也是一個原因。共四十七頁3.玻璃的硬度(yngd)和脆性 硬度是表示物體抵抗其他物體侵入的能力。 硬度的表示方法有：莫氏硬度（劃痕法）、顯微硬度（壓痕法）、研磨硬度（磨損法）和刻劃硬度（刻痕法）等。 對離子晶體來說，硬度與晶格能有關，即離子電價越高，正負離子間距(

10、jin j)越小，則硬度越高。 玻璃除服從離子晶體的規(guī)律外，還有其自己特性。網絡生成體使玻璃具有高硬度，而網絡外體離子則使硬度降低。共四十七頁 脆性是指當負荷超過玻璃的極限強度(qingd)時，立即破裂的特性。 通常沖擊強度的測定，是以一定高度的鋼球幾次沖擊試樣同一表面，根據開始出現(xiàn)裂縫時所作功與樣品體積的商來確定。共四十七頁4.玻璃(b l)的密度 物質單位體積的質量(zhling)成為密度。主要取決于構成玻璃的原子的質量，也與原子堆積緊密程度以及配位數有關，是表征玻璃結構的一個因素。 玻璃密度與成分、溫度、壓力、熱歷史都有很大關系。共四十七頁4.1玻璃密度和成分的關系 在玻璃中加入R2O或

11、RO時，隨著離子半徑的增大，玻璃密度逐漸增大。 半徑小的陽離子，如Li+、Mg2+等，雖然使網絡發(fā)生(fshng)斷裂，但是由于它們是填充在網絡空隙中，因此實際上并沒有引起網絡結構的擴大，而是增大了密度。 再如K+、Ba2、La3+等，其半徑比網絡空隙大，使網絡結構擴張，導致了結構緊密度下降。共四十七頁4.1玻璃密度和成分的關系(gun x) 硼反常和鋁反常。 B2O3以BO3的形式存在于玻璃結構中時，使玻璃結構松懈，密度下降；但是當以BO4的形式存在時，由于BO4的體積比SiO4小，因此使得結構緊密，密度增大。 而對于Al2O3來講，當以AlO6的形式存在時，是充填于網絡空隙的，使玻璃密度上

12、升；但是當以AlO4形式存在時，由于AlO4的體積比SiO4大，又導致結構松懈，密度下降。共四十七頁4.2密度與溫度的關系 隨著溫度升高，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。共四十七頁4.3密度與熱歷史的關系 玻璃密度與退火溫度、保溫(bown)時間、降溫速度等都有很大關系： （一）玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時，急冷玻璃比慢冷玻璃的密度低； （二）在一定的退火溫度下，保溫一定時間后，玻璃密度趨向平衡，而急冷玻璃處于較大的不平衡； （三）冷卻速度越快，偏離平衡密度的溫度越高。共四十七頁4.2玻璃的熱學(rxu)性質 玻璃的熱學(rxu)性質包括熱膨脹系數、導熱性、比熱、

13、熱穩(wěn)定性和熱后效應等。其中以熱膨脹系數最為重要。共四十七頁1.玻璃(b l)的熱膨脹系數 玻璃的熱膨脹對玻璃的成形、退火、鋼化、玻璃與玻璃、玻璃與金屬、玻璃與陶瓷的封接，以及玻璃的熱穩(wěn)定性等性質都有重要(zhngyo)意義。線膨脹系數體膨脹系數共四十七頁咖啡壺、玻璃壺等，以硼硅酸鹽玻璃為主，膨脹系數低，耐溫急變性強。 炊燒器皿、蒸煮灶具等，熱穩(wěn)定性好、機械強度大。排除鋼化玻璃，應選用微晶玻璃，尤其是灶臺。共四十七頁1.1熱膨脹系數(png zhng xsh)與成分的關系 熱膨脹系數可以通過加和法進行計算。在膨脹曲線的轉變溫度以下，熱膨脹系數與溫度成直線關系，并受外界影響很小，主要決定于網絡結構

14、和外體離子配位狀態(tài)的統(tǒng)計規(guī)則。 常溫下玻璃這類性質大致可以看成各氧化物組份性質的總和。各組成(z chn)氧化物都有其大致的膨脹計算系數i。共四十七頁1.1熱膨脹系數(png zhng xsh)與成分的關系 當溫度上升時，玻璃(b l)中質點的熱振動振幅增加，質點間距相應增大，因而玻璃(b l)呈現(xiàn)膨脹。 膨脹系數與鍵力有關，而玻璃的膨脹又與質點間的作用力有關。Si-O鍵力大，因此組份SiO2的計算系數小。R+-O鍵力弱，故R2O的引入使玻變大。共四十七頁組份氧化物，對玻的影響如下： （一）各組份對網絡的作用有兩方面：斷網和補網。斷網者使玻上升，補網使玻下降。 （二）因組分所擔當的“角色”不同

15、，其對玻的影響不同，如網絡生成體、中間體和外體。 （三）對于R2O和RO來說，斷網作用是主要的。但對于高鍵力高配位離子來說，積聚作用是主要的。 （四）網絡生成體使玻下降，網絡中間體在有足夠游離(yul)氧的條件下也使玻下降。共四十七頁1.2熱膨脹系數(png zhng xsh)與溫度的關系 計算熱膨脹系數實際上是平均值，是與轉變溫度下某一溫度段相對應的。因此，與實際樣品的熱膨脹系數是有一定區(qū)別的，只是(zhsh)一種近似。所以，最終通過計算獲得的熱膨脹系數是一些線段的組合。共四十七頁1.3玻璃微晶化對熱膨脹系數(png zhng xsh)的影響 微晶玻璃以能制得很大范圍的熱膨脹系數而著稱。一方

16、面可以(ky)制得具有負的熱膨脹系數的材料，另一方面又可以(ky)制得很高的正熱膨脹系數的材料。而兩者之間還有一些熱膨脹系數幾乎等于零的微晶玻璃材料。共四十七頁1.3玻璃微晶(wi jn)化對熱膨脹系數的影響 對材料隨溫度變化而產生尺寸變化的研究是非常重要的。比如要求(yoqi)材料具有很高的熱沖擊能力，則其熱膨脹系數要盡可能低，以便把材料中由溫度應力造成的破壞降到最低。又如要把玻璃焊接到金屬器件上時，需要它們的熱膨脹系數近似匹配，防止結合件在加熱或冷卻時產生高應力。在大型光學鏡頭應用中，隨著溫度變化，玻璃尺寸的穩(wěn)定性是非常重要的，此時需要一種熱膨脹系數接近零的玻璃材料。 這些單純依靠均勻的無

17、定形玻璃體是不能完成的，就要靠微晶玻璃。共四十七頁 防 火 玻 璃 的 耐 火 性 能 取 決 于 玻 璃 材 質 ， 在 一 定 時 間 內 可 保 持 完 整 性 和 穩(wěn) 定 性 的 玻 璃 構 件 有 玻 璃 磚 、 低 膨 脹 系 數 的 玻 璃 如 石 英 玻 璃 、 微 晶 玻 璃 、 鋼 化 玻 璃 、 夾 絲 玻 璃 、 小 塊 平 板 玻 璃 、 夾 層 玻 璃 及 多 層 玻 璃 都 有 一 定 的 防 火 作 用 。 防 火 夾 層 玻 璃 耐 火 試 驗 ， 可 保 證 幾 十 分 鐘 的 防 火 效 果 ， 是 目 前 防 火 玻 璃 品 種 中 首 選 。 共四十七

18、頁2.玻璃(b l)的比熱 在某一溫度(wnd)下單位質量的物質升高1所需的熱量稱為比熱，用C表示單位為J/(KgK)。d為消耗的熱量。共四十七頁 玻璃的比熱隨穩(wěn)定升高而增加，在轉變區(qū)域內比熱開始增長得特別快，在熔融(rngrng)狀態(tài)下比熱也隨溫度不斷增長。共四十七頁 比熱(br)與玻璃的化學組成有關。SiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O，特別是Li2O能提高玻璃的比熱，含有大量PbO或BaO的玻璃比熱較低，其余氧化物的影響不大。共四十七頁 比熱按下式計算(j sun)（Pi為某種氧化物的重量百分比，Ci為玻璃比熱的計算(j sun)系數）： 或按下式計算0t的平均(pngjn)

19、比熱：其中，共四十七頁3.玻璃(b l)的導熱系數 玻璃的導熱(dor)系數是用在穩(wěn)定梯度等于1時，在單位時間內通過試樣單位橫截面積上的熱量來測定的。如下所示，其中為導熱(dor)系數，Q為熱量，S為截面積，t為溫差，為樣品厚度。共四十七頁 玻璃的導熱系數隨穩(wěn)定的升高而增加(zngji)，下圖為石英玻璃的導熱系數與溫度的關系。共四十七頁 玻璃中增加SiO2、Al2O3、B2O3、Fe2O3時，導熱系數隨之增加，而含大量(dling)PbO或BaO時玻璃的導熱系數較低。 導熱系數的計算也可以用加和的方式。共四十七頁4.玻璃(b l)的熱穩(wěn)定性 玻璃經受劇烈的溫度變化而不破壞的性能成為(chngwi)熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性的大小，用試樣在保持不破壞條件下所能經受的最大溫度差來表示。 影響熱穩(wěn)定性的因素有很多，但是影響最大的還是熱膨脹系數，此外，玻璃樣品的厚度對其熱穩(wěn)定性的影響也很大。共四十