玻璃表面張力的物理與工藝意義

玻璃表面張力的物理與工藝意義1.玻璃表面張力的物理與工藝意義玻璃表面張力指玻璃與另一相接觸的相分界面上（一般指空氣），在恒溫、恒容下增加一個單位表面時所做的功，單位為N/m和J/m2.硅酸鹽玻璃的表面張力為（200―380）*10-3N/m.玻璃的表面張力在玻璃的澄清、均化、成型、玻璃液與耐火材料相互作用等過程中起著重要的作用.2.玻璃表面張力與組成及溫度的關(guān)系各種氧化物對玻璃的表面張力有不同的影響，如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表面張力.K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量較大，則能大大降低表面張力.同時，Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多時也能降低表面張力.組成氧化物對玻璃熔體與空氣界面上表面張力的影響可分為三類.第"類組成氧化物對表面張力的影響關(guān)系，符合加和性法則.第Ⅱ類和第Ⅲ類組成氧化物對熔體的表面張力的關(guān)系是組成的復(fù)合函數(shù)，不符合加和性法則.由于這些組成的吸附作用，表面層的組成與蔣體內(nèi)的組成是不同的.氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6，硫酸鹽如芒硝，氯化物如NaCl等都能顯著地降低玻璃的表面張力，因此，這些化合物的加入，均有利于玻璃的澄清和均化.表面張力隨著溫度的升高而降低，二者幾乎成直線關(guān)系，實(shí)際上可認(rèn)為，當(dāng)溫度提高100℃時表面張力減少1%，然而在表面活性組分及一些游離的氧化物存在的情況下，表面張力能隨溫度升高而稍微增加.3.玻璃的力學(xué)性能3.1玻璃的理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度一般用抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等指標(biāo)表示玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.玻璃以其抗壓強(qiáng)度高、硬度高而得到廣泛應(yīng)用，也因其抗張強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度不高，脆性大而使其應(yīng)用受到一定的限制.玻璃的理論強(qiáng)度按照Orowan假設(shè)計算為11.76GPa，表面無嚴(yán)重缺陷的玻璃纖維，其平均強(qiáng)度可達(dá)686MPa.玻璃的抗張強(qiáng)度一般在34.3―83.3MPa之間，而抗壓強(qiáng)度一般在4.9――1.96GPa之間.但實(shí)際玻璃的抗折強(qiáng)度只有6.86MPa，比理論強(qiáng)度小2―3個數(shù)量級.這是由于實(shí)際玻璃中存在有微裂紋（尤其是表面微裂紋）和不均勻區(qū)（分相等）所致.目前常采用的提高玻璃機(jī)械強(qiáng)度的方法主要有退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其它材料制成復(fù)合材料等.這些方法能使玻璃的強(qiáng)度增加幾倍甚至十幾倍.3.1.1玻璃強(qiáng)度與化學(xué)組成的關(guān)系.不同化學(xué)組成的玻璃結(jié)構(gòu)間的鍵強(qiáng)也不同，從而影響玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.石英玻璃的強(qiáng)度最高.各種氧化物對玻璃抗張強(qiáng)度的提高作用順序是：CSO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>（MgO、FC2O3）各組成氧化物對玻璃抗壓強(qiáng)度提高作用的順序是：Al2O3>（MgO、SiO2、ZnO）>B2O3>Fe2O3>（B2O3、Cao、PbO）3.1.2玻璃中的缺陷.宏觀缺陷如固態(tài)夾雜物、氣態(tài)夾雜物、化學(xué)不均勻等，由于其化學(xué)組成與主體玻璃不一致而造成內(nèi)應(yīng)力.同時，一些微觀缺陷（如點(diǎn)缺陷、局部析晶、晶界等）常常在宏觀缺陷的地方集中，而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響玻璃的強(qiáng)度.3.1.3溫度.在不同的溫度下玻璃的強(qiáng)度不同，根據(jù)對-20℃―500℃范圍內(nèi)的測量結(jié)果可知，強(qiáng)度最低值位于200℃左右.一般認(rèn)為，隨著溫度的升高，熱起伏現(xiàn)象增加，使缺陷處積聚了更多的應(yīng)變能，增加了破裂的幾率.當(dāng)溫度高于200℃時，由于玻璃粘滯性流動增加，使微裂紋的裂口鈍化，緩和了應(yīng)力作用，從而使玻璃強(qiáng)度增大.3.1.4玻璃中的應(yīng)力.玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力，使強(qiáng)度大為降低.然而，玻璃進(jìn)行鋼化后，表面存在壓應(yīng)力，內(nèi)部存在張應(yīng)力，而且是有規(guī)則的均勻分布，所以玻璃強(qiáng)度得以提高.3.2玻璃的硬度硬度是表示物體抵抗其他物體侵人的能力.硬度的表示方法甚多，有莫氏硬度、顯微硬度、研磨硬度和刻劃硬度，玻璃的莫氏硬度為5―7.玻璃的硬度決定于組成原子的半徑、電荷大小和堆積密度，網(wǎng)絡(luò)生成體離子使玻璃具有硬度，而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使玻璃硬度降低.各種組成對玻璃硬度提高的作用大致為：SiO2〉SiO2（MgO、ZnO、BaO）〉A(chǔ)l2O3>Fe2O3>K2O>Na2O>PbO，玻璃的硬度隨著溫度的升高而降低.3.3玻璃的脆性玻璃的脆性是指當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時立即破裂的特性.玻璃的脆性通常用它被破壞時所受到的沖擊強(qiáng)度來表示.沖擊強(qiáng)度的測定值與試樣厚度及樣品的熱歷史有關(guān)，淬火玻璃的沖擊強(qiáng)度較退火玻璃大5―7倍.3.4玻璃的彈性在近代技術(shù)中玻璃愈來愈廣泛地被用作結(jié)構(gòu)材料，因此對玻璃的彈性進(jìn)行研究也日益增長.高空高速飛行需要具有一定剛度的高彈性模量材料，高功率激光通過玻璃介質(zhì)時所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)壓縮和松弛會導(dǎo)致密度和折射率的變化等.彈性已成為玻璃的一項(xiàng)重要物理性質(zhì).4.玻璃的密度與密度計算4.1玻璃的密度玻璃的密度表示玻璃單位體積的質(zhì)量，主要決定于玻璃的化學(xué)組成、溫度和熱歷史，也與玻璃的原子堆積緊密程度、配位數(shù)有關(guān)，是表征玻璃的密度與化學(xué)組成關(guān)系密切.玻璃組成不同密度相差很大.各種玻璃制品中，石英玻璃的密度最小，為2000kg/m3，普通鈉鈣硅玻璃為2500―2600kg/m3.而含有PbO、Bi2O3、Ta2O5、WO3的玻璃密度可達(dá)6000kg/m3.甚至某些防輻射玻璃的密度可高達(dá)8000kg/m3.玻璃的密度隨溫度升高而下降.一般工業(yè)玻璃，當(dāng)溫度由20℃升高1300℃時，密度下降約為6%―12%，在彈性形變范圍內(nèi)，密度的下降與玻璃的熱膨脹系數(shù)有關(guān).玻璃的熱歷史是指玻璃從高溫冷卻，通過Tf―Tn區(qū)域時的經(jīng)歷，包括在該區(qū)域停留時間和冷卻速度等具體情況在內(nèi).熱歷史影響到固體玻璃結(jié)構(gòu)以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的許多性質(zhì).其對玻璃密度影響為：4.1.1玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時，淬冷玻璃的密度比退火玻璃的小.4.1.2在一定退火溫度下保溫一定時間后，玻璃密度趨向平衡.4.1.3冷