玻璃的粘度,表面性質(zhì),力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)

1、第4章 玻璃的粘度和表面性質(zhì)4.1 玻璃的粘度o定義 粘度是指面積為S的兩平行液面，以一定的速度梯度dV/dx移動(dòng)時(shí)所需克服的內(nèi)摩擦阻力f。 f=So粘度在玻璃生產(chǎn)過程中的作用o影響粘度的因素：化學(xué)組成、溫度、熱處理時(shí)間dxdV在熔制過程中，原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴(kuò)散均化在熔制過程中，原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴(kuò)散均化在成形過程中，不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料性在成形過程中，不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料性在退火過程中，對(duì)制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度有重要的影響在退火過程中，對(duì)制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度有重要的影響4.1.1 粘度與溫度的關(guān)系o晶體與玻璃熔體的粘度隨

2、溫度變化不同o不同組成玻璃熔體隨溫度的變化其粘度變化的速度料性o在不同溫度區(qū)域玻璃粘度的變化高溫未發(fā)生締合低溫締合基本完成陰離子基團(tuán)不斷發(fā)生締合，產(chǎn)生大陰離子基團(tuán)，因此不是直線關(guān)系4.1.2 粘度與熔體的關(guān)系o熔體隨溫度降低形成大陰離子團(tuán)熔體隨溫度降低形成大陰離子團(tuán)粘度增大粘度增大o溫度較高時(shí)，硅氧四面體群有較大的空隙，可以容納小型體群通溫度較高時(shí)，硅氧四面體群有較大的空隙，可以容納小型體群通過過粘度減小粘度減小o溫度降低時(shí)，空隙變小溫度降低時(shí)，空隙變小粘度增大粘度增大o高溫時(shí)熔體中的堿金屬和堿土金屬氧化物以離子狀態(tài)自由移動(dòng)，高溫時(shí)熔體中的堿金屬和堿土金屬氧化物以離子狀態(tài)自由移動(dòng)，同時(shí)減弱硅氧

3、鍵的作用，因此使粘度減小。而在低溫時(shí)，某些金同時(shí)減弱硅氧鍵的作用，因此使粘度減小。而在低溫時(shí)，某些金屬氧化物可能起到積聚作用，使粘度增大。屬氧化物可能起到積聚作用，使粘度增大。4.1.3 粘度與組成的關(guān)系o有利于形成大陰離子基團(tuán)的組成使粘度增大（SiO2、Al2O3、ZrO2等）o提供游離氧，破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，則使粘度減?。粓?chǎng)強(qiáng)較大的可能產(chǎn)生復(fù)雜的作用：高溫降粘，低溫增粘o 氧硅比 鍵強(qiáng)、離子的極化（R2OSiO2） 結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性（B2O3、P2O5、SiO2） 配位數(shù)（B2O3、Al2O3） 氧硅比較大，意味著大型的氧硅比較大，意味著大型的SO4群分解為小型群分解為小型SO4群，粘滯活化能降群

4、，粘滯活化能降低，粘度減小低，粘度減小 總體來說，鍵強(qiáng)大，則粘度大總體來說，鍵強(qiáng)大，則粘度大但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對(duì)粘度的影響但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對(duì)粘度的影響是不同的是不同的 取決于對(duì)形成緊密、對(duì)稱的三維架取決于對(duì)形成緊密、對(duì)稱的三維架狀結(jié)構(gòu)的作用狀結(jié)構(gòu)的作用4.1.4 粘度參考點(diǎn)1013.6Pas，退火下限溫度1012Pas，退火上限溫度1012.4Pas，Tg10101011Pas106107Pas，操作溫度下限102103Pas，操作溫度上限10Pas4.1.5 粘度在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用o玻璃的熔制（石英的擴(kuò)散、澄清、均化）o玻璃的成形o玻璃的退火（粘滯流動(dòng)、彈性松弛

5、）o玻璃的鋼化、微晶化、分相、顯色等過程中溫度制度的制定，都必須考慮粘度的影響。4.1.6 粘度的計(jì)算和測(cè)定方法方法適用范圍適用范圍原理原理備注備注旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)法1107Pas通過測(cè)定旋轉(zhuǎn)體由于玻璃粘滯阻力而產(chǎn)通過測(cè)定旋轉(zhuǎn)體由于玻璃粘滯阻力而產(chǎn)生的扭力矩得到玻璃的粘度生的扭力矩得到玻璃的粘度落球法落球法1103Pas斯托克斯定律：球體以自由落體形式進(jìn)斯托克斯定律：球體以自由落體形式進(jìn)入無限液體空間作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體對(duì)入無限液體空間作等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體對(duì)其作用的大小其作用的大小必須考慮有限邊界條必須考慮有限邊界條件帶來的影響件帶來的影響壓入法壓入法1071012Pas在平板試樣上，用加有一定負(fù)荷的針

6、狀、在平板試樣上，用加有一定負(fù)荷的針狀、球狀或棒狀的壓頭壓入，從壓頭壓入的球狀或棒狀的壓頭壓入，從壓頭壓入的速度求得粘度速度求得粘度拉絲法拉絲法1071014Pas用一定長(zhǎng)度和直徑的無缺陷玻璃絲，在用一定長(zhǎng)度和直徑的無缺陷玻璃絲，在直立的管狀電爐中受一定的荷重作用而直立的管狀電爐中受一定的荷重作用而伸長(zhǎng)，通過測(cè)定其黏性均勻伸長(zhǎng)的速率伸長(zhǎng)，通過測(cè)定其黏性均勻伸長(zhǎng)的速率來獲得粘度來獲得粘度10001100120013002.42.73.03.33.63.9logh (cP)Temperature (oC)490500510520530678910logh (cP)Temperature (oC)4

7、.2 玻璃的表面張力o熔融玻璃表面層的質(zhì)點(diǎn)受到內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的作用而趨向于熔體內(nèi)部，使表面呈現(xiàn)收縮的趨勢(shì)。o表面張力對(duì)氣泡排除，條紋溶解，玻璃成形的益處o表面張力對(duì)模壓制品、薄膜、平板玻璃生產(chǎn)造成的不利影響4.2.2 表面張力與組成、溫度的關(guān)系o氧硅比越小，陰離子基團(tuán)越大。作用力矩e/r越小，則表面張力降低o堿金屬加入使復(fù)合陰離子解離，表面張力增大o表面活性物質(zhì)劇烈降低表面張力o溫度升高，體積膨脹，表面張力降低o含有表面活性物質(zhì)的玻璃系統(tǒng)，則由于表面活性物質(zhì)在高溫下的“解吸”，而出現(xiàn)表面張力隨溫度升高而增大的反?，F(xiàn)象。o此外玻璃熔融的氣氛對(duì)表面張力也有一定的影響：極性氣體對(duì)表面張力影響大，明顯降低表

8、面張力；還原氣氛下熔制，玻璃表面張力較氧化氣氛大204.2.3 玻璃的潤(rùn)濕性影響因素o氣體介質(zhì)o溫度o玻璃的組成4.3 玻璃的表面性質(zhì)o玻璃的表面組成和表面結(jié)構(gòu)o玻璃表面的離子交換o玻璃的表面吸附第5章 玻璃的力學(xué)性能和熱學(xué)性能玻璃的力學(xué)性能：玻璃的力學(xué)性能： 機(jī)械強(qiáng)度、彈性、硬度、脆性、密度機(jī)械強(qiáng)度、彈性、硬度、脆性、密度一、機(jī)械強(qiáng)度一、機(jī)械強(qiáng)度o抗壓強(qiáng)度高，硬度高抗壓強(qiáng)度高，硬度高o抗折、抗張強(qiáng)度低（僅為抗壓的抗折、抗張強(qiáng)度低（僅為抗壓的710）o脆性大脆性大o實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度（實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度（23數(shù)量級(jí)）數(shù)量級(jí)） 玻璃的脆性、玻璃中玻璃的脆性、玻璃中存在的微裂紋和內(nèi)部不均存

9、在的微裂紋和內(nèi)部不均勻區(qū)和缺陷的存在造成應(yīng)勻區(qū)和缺陷的存在造成應(yīng)力集中所引起力集中所引起5.1.1.3 影響玻璃強(qiáng)度的因素o化學(xué)組成化學(xué)組成o表面微裂紋表面微裂紋o微不均勻性微不均勻性o結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷o活性介質(zhì)活性介質(zhì)o溫度溫度o玻璃中的應(yīng)力玻璃中的應(yīng)力o玻璃的疲勞現(xiàn)象玻璃的疲勞現(xiàn)象o各質(zhì)點(diǎn)的鍵強(qiáng)各質(zhì)點(diǎn)的鍵強(qiáng)o單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目o減少和消除玻璃的表面缺陷減少和消除玻璃的表面缺陷（火焰拋（火焰拋光、氫氟酸腐蝕）光、氫氟酸腐蝕）o使玻璃表面形成壓應(yīng)力，克服表面微使玻璃表面形成壓應(yīng)力，克服表面微裂紋的作用裂紋的作用（物理、化學(xué)鋼化）（物理、化學(xué)鋼化）o各微相之間易產(chǎn)生裂紋各微相之

10、間易產(chǎn)生裂紋o微相間相互結(jié)合的力比較弱微相間相互結(jié)合的力比較弱o由于成分不同，微相間產(chǎn)生應(yīng)力由于成分不同，微相間產(chǎn)生應(yīng)力o宏觀缺陷：結(jié)石、氣泡、條紋等缺陷宏觀缺陷：結(jié)石、氣泡、條紋等缺陷與主體玻璃成分不一致，造成內(nèi)應(yīng)力與主體玻璃成分不一致，造成內(nèi)應(yīng)力o且宏觀缺陷為微觀缺陷（點(diǎn)缺陷、晶且宏觀缺陷為微觀缺陷（點(diǎn)缺陷、晶界、局部析晶）提供了界面，使其常界、局部析晶）提供了界面，使其常常在此處集中，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生常在此處集中，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生o滲入裂紋產(chǎn)生劈楔作用，使裂紋擴(kuò)展?jié)B入裂紋產(chǎn)生劈楔作用，使裂紋擴(kuò)展o與玻璃發(fā)生化學(xué)作用破壞結(jié)構(gòu)與玻璃發(fā)生化學(xué)作用破壞結(jié)構(gòu)o200以下，由于裂紋端分子熱運(yùn)動(dòng)以下，

11、由于裂紋端分子熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致鍵的斷裂，因此強(qiáng)度隨溫增強(qiáng)，導(dǎo)致鍵的斷裂，因此強(qiáng)度隨溫度升高而降低度升高而降低o200以上，由于裂口鈍化，從而緩以上，由于裂口鈍化，從而緩解了應(yīng)力集中，因此強(qiáng)度隨溫度升高解了應(yīng)力集中，因此強(qiáng)度隨溫度升高而增加而增加o分布不均的殘余應(yīng)力使玻璃強(qiáng)度大大分布不均的殘余應(yīng)力使玻璃強(qiáng)度大大降低降低o鋼化形成均勻的表面壓應(yīng)力則能提高鋼化形成均勻的表面壓應(yīng)力則能提高機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度510倍倍o加荷速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，其破壞強(qiáng)加荷速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，其破壞強(qiáng)度越小度越小o由于加荷作用下微裂紋的加深所致由于加荷作用下微裂紋的加深所致5.1.2 玻璃的彈性o材料在外力作用下產(chǎn)生變形，

12、當(dāng)去掉外力后能夠恢材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)去掉外力后能夠恢復(fù)原來的形狀的性質(zhì)稱為復(fù)原來的形狀的性質(zhì)稱為彈性彈性。o彈性模量彈性模量取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵的強(qiáng)度，同取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵的強(qiáng)度，同時(shí)也與結(jié)構(gòu)有關(guān)時(shí)也與結(jié)構(gòu)有關(guān)o鍵強(qiáng)越大，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，變形越小，彈性模量就越鍵強(qiáng)越大，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，變形越小，彈性模量就越大大彈性模量與成分的關(guān)系彈性模量與成分的關(guān)系彈性模量與溫度的關(guān)系彈性模量與溫度的關(guān)系彈性模量與熱處理的關(guān)系彈性模量與熱處理的關(guān)系5.1.3 玻璃的硬度和脆性o硬度硬度固體材料抵抗另一種固體材料深入其內(nèi)部而固體材料抵抗另一種固體材料深入其內(nèi)部而不產(chǎn)生殘余應(yīng)變的能力。不產(chǎn)生殘余應(yīng)變的能力

13、。o測(cè)試方法：測(cè)試方法：莫氏硬度莫氏硬度（劃痕）法、（劃痕）法、顯微硬度顯微硬度（壓痕）（壓痕）法、法、研磨硬度研磨硬度（磨損）法、（磨損）法、刻劃硬度刻劃硬度（刻痕）法等。（刻痕）法等。o玻璃的硬度主要取決于化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，還與溫度和玻璃的硬度主要取決于化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，還與溫度和熱處理歷史有關(guān)。對(duì)玻璃冷加工影響非常大。熱處理歷史有關(guān)。對(duì)玻璃冷加工影響非常大。o脆性脆性當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)，不產(chǎn)生明顯的當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)，不產(chǎn)生明顯的塑性變形而立即破裂的性質(zhì)。塑性變形而立即破裂的性質(zhì)。o通常采用破壞時(shí)受到的沖擊強(qiáng)度來表示：通常采用破壞時(shí)受到的沖擊強(qiáng)度來表示：o測(cè)量方法：落球法，壓

14、痕破壞法測(cè)量方法：落球法，壓痕破壞法 SCD 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度抗沖擊強(qiáng)度5.1.4 玻璃的密度 密度主要取決于構(gòu)成玻璃密度主要取決于構(gòu)成玻璃原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量，也與原子的也與原子的堆積緊密程度堆積緊密程度及及配位數(shù)配位數(shù)有關(guān)。有關(guān)。o網(wǎng)絡(luò)形成體網(wǎng)絡(luò)形成體o網(wǎng)絡(luò)外體網(wǎng)絡(luò)外體o“硼反?，F(xiàn)象硼反常現(xiàn)象”和和“鋁反?，F(xiàn)象鋁反常現(xiàn)象”在密度中在密度中的體現(xiàn)的體現(xiàn)體積：體積： BO4SiO4AlO4 BO4BO3當(dāng)其使硅氧四面體連接斷裂，但并不當(dāng)其使硅氧四面體連接斷裂，但并不引起網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大時(shí)（引起網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大時(shí)（Li,Mg），可以填充），可以填充與網(wǎng)絡(luò)空隙，使密度增加與網(wǎng)絡(luò)空隙，使密度增加當(dāng)其半徑較

15、大，網(wǎng)絡(luò)空隙容納不下時(shí)，當(dāng)其半徑較大，網(wǎng)絡(luò)空隙容納不下時(shí)，則使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，密度降低則使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，密度降低5.1.4 玻璃的密度o密度與溫度及熱處理歷史的關(guān)系o密度與壓力的關(guān)系5.2 玻璃的熱學(xué)性能5.2.1 玻璃的熱膨脹系數(shù)o線膨脹系數(shù)o熱膨脹系數(shù)與成分、溫度和熱處理歷史的關(guān)系tLLttLLL112112)(熱膨脹系數(shù)的測(cè)量方法o石英膨脹儀法石英膨脹儀法 利用置于石英玻璃管中的玻璃試樣與高純度石英玻璃的膨脹系數(shù)的不同，利用置于石英玻璃管中的玻璃試樣與高純度石英玻璃的膨脹系數(shù)的不同，測(cè)定兩者在加熱過程中的相對(duì)伸長(zhǎng)。測(cè)定兩者在加熱過程中的相對(duì)伸長(zhǎng)。o雙絲法雙絲法 用待測(cè)玻璃和已知膨脹系數(shù)的標(biāo)

16、準(zhǔn)玻璃棒或小塊玻璃熔合在一起，拉成用待測(cè)玻璃和已知膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃棒或小塊玻璃熔合在一起，拉成一定長(zhǎng)度和均勻厚度的絲，形成一個(gè)類似雙金屬的系統(tǒng)。若兩種玻璃的熱膨一定長(zhǎng)度和均勻厚度的絲，形成一個(gè)類似雙金屬的系統(tǒng)。若兩種玻璃的熱膨脹系數(shù)有差別時(shí)，雙玻璃絲冷卻后就會(huì)彎曲。通過測(cè)定玻璃絲彎曲的弦長(zhǎng)和脹系數(shù)有差別時(shí)，雙玻璃絲冷卻后就會(huì)彎曲。通過測(cè)定玻璃絲彎曲的弦長(zhǎng)和弦高，可計(jì)算出已知膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃和待測(cè)玻璃的膨脹系數(shù)之差，從而弦高，可計(jì)算出已知膨脹系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)玻璃和待測(cè)玻璃的膨脹系數(shù)之差，從而得到待測(cè)玻璃的膨脹系數(shù)。得到待測(cè)玻璃的膨脹系數(shù)。o干涉法干涉法 當(dāng)兩種的膨脹系數(shù)有差別時(shí)，在交界面上會(huì)產(chǎn)生永久應(yīng)力或不變應(yīng)力，當(dāng)兩種的膨脹系數(shù)有差別時(shí)，在交界面上會(huì)產(chǎn)生永久應(yīng)力或不變應(yīng)力，從而出現(xiàn)雙折射。從而出現(xiàn)雙折射。5.2.2 玻璃的比熱容o在某一溫度下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1所需的熱量5.2.3 玻璃的導(dǎo)熱性o物質(zhì)依靠質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)將熱能傳遞至較低溫度物質(zhì)的能力。o以熱導(dǎo)率表示（W/mK)o設(shè)計(jì)熔爐、玻璃成形模壓、計(jì)算玻璃生產(chǎn)工藝熱平衡影響熱導(dǎo)率因素：o玻璃內(nèi)部的導(dǎo)熱包括：熱傳導(dǎo)，熱輻射玻璃內(nèi)部的導(dǎo)熱包括：熱傳導(dǎo)，熱輻射o低溫時(shí)，熱傳導(dǎo)占主要地位，其大小主要取決低溫時(shí)，熱傳導(dǎo)占主要地位，其大小主