玻璃工藝學(xué)第四章

1、一、玻璃的機(jī)械性質(zhì)二、玻璃的熱學(xué)性質(zhì)第四章4.1玻璃的機(jī)械性質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度；彈性；硬度和脆性；密度鍍膜、鋼化節(jié)能裝飾、鋼化鋼化玻璃 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(nèi)部冷卻較慢。從而使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生張應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃機(jī)械強(qiáng)度成倍提高，并且增強(qiáng)了熱穩(wěn)定性。特點(diǎn) 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(qiáng)度高。是普通玻璃耐沖擊強(qiáng)度的3-5倍。 3.熱穩(wěn)定性好。承受溫度突變范圍為220-250，而普通玻璃僅為70-100 。 4.屬于“安全玻璃”，廣泛用于如玻璃門、建筑幕墻、室內(nèi)隔斷、電梯、櫥窗、建筑主面窗、家具、家電

2、等等。防彈玻璃 防彈玻璃通常是透明的材料。防彈玻璃通常包括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(jiān)固的聚碳酸酯纖維層會在它可能擊穿玻璃內(nèi)在的層之前停止子彈的運(yùn)動。大塊的防彈玻璃已經(jīng)在在第二次世界大戰(zhàn)期間做了公共的用途，通常厚達(dá)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(dāng)一個(gè)子彈從外部射出時(shí)，子彈會先擊中易碎的一層，并打碎一個(gè)區(qū)域。這會吸收一些 子彈的動能，并且在一個(gè)更大的區(qū)域傳播動能。當(dāng)減慢的子彈擊中柔韌的一層時(shí)，它就被擋住了。但是，當(dāng)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

3、層擊穿是因?yàn)樗哪芰考杏谝粋€(gè)小范圍，脆的一層在柔韌的那層向外彈時(shí)向外碎裂，而且不妨害子彈的前進(jìn)。 沙龍防彈玻璃掩護(hù) 察看隔離墻建設(shè)進(jìn)展 防爆玻璃貼膜具有十分常強(qiáng)大的抗爆防爆能力，試驗(yàn)證明，防爆玻璃貼膜每平方厘米承壓力可達(dá)2500公斤以上，防盜防搶，是普通玻璃的近6倍以上，可以有效防止入屋偷盜、越窗搶劫等事件的發(fā)生。 1.玻璃的機(jī)械強(qiáng)度 玻璃是一種脆性材料，它的機(jī)械強(qiáng)度一般用耐壓、抗折、抗張、抗沖擊強(qiáng)度等指標(biāo)表示。從機(jī)械性能的角度來看，玻璃得到廣泛應(yīng)用的原因之一就是它的耐壓強(qiáng)度高，硬度也高。 但是，實(shí)際玻璃產(chǎn)品的強(qiáng)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(dāng)玻璃

4、受力作用時(shí)，不像流體會產(chǎn)生流動，表面的微裂紋便急劇擴(kuò)展，并且應(yīng)力集中，以致破裂。 裂紋發(fā)散狀。缺陷導(dǎo)致玻璃材料強(qiáng)度低： 玻璃材料由于內(nèi)部缺陷，表面反應(yīng)與表面損傷的影響，使材料內(nèi)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(kuò)展，結(jié)合玻璃的脆性，是玻璃強(qiáng)度低的原因。 玻璃的實(shí)際裂紋長度可以用掃描電子顯微鏡或其他設(shè)備測定。只有小于臨界裂紋長度Ca的情況下，玻璃才可以穩(wěn)定。影響玻璃強(qiáng)度的因素 化學(xué)鍵強(qiáng)度、微不均勻性、結(jié)構(gòu)缺陷、微裂紋和外界條件（溫度、活性介質(zhì)、疲勞等）。影響玻璃強(qiáng)度的因素1.1化學(xué)鍵強(qiáng)度 單位體積內(nèi)的鍵數(shù)即與結(jié)構(gòu)網(wǎng)的疏密程度。網(wǎng)絡(luò)密，強(qiáng)度高；網(wǎng)絡(luò)稀，強(qiáng)度低。

5、 鍵的性質(zhì)對強(qiáng)度影響很大。如CaO、B2O3等在補(bǔ)網(wǎng)的情況下，強(qiáng)度大；而Na2O、K2O等起到斷網(wǎng)的作用，玻璃強(qiáng)度則小。與具體組成關(guān)系很大。影響玻璃強(qiáng)度的因素1. 2微不均勻性 結(jié)構(gòu)的微不均勻性，降低了玻璃的結(jié)構(gòu)。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，因?yàn)槲⑾嘀g的結(jié)合力比較薄弱，并且兩相的成分不同，膨脹程度不一樣，產(chǎn)生應(yīng)力，以致強(qiáng)度下降。影響玻璃強(qiáng)度的因素1. 3結(jié)構(gòu)缺陷 宏觀缺陷固體夾雜物、氣泡、化學(xué)不均勻等。 微觀缺陷點(diǎn)缺陷、局部析晶、晶界等。 宏觀可以造成結(jié)構(gòu)不一致，從而產(chǎn)生應(yīng)力。同時(shí)微觀缺陷常常在宏觀缺陷周圍集中，導(dǎo)致裂紋，嚴(yán)重影響玻璃強(qiáng)度。影響玻璃強(qiáng)度的因素1.

6、4表面微裂紋 格里菲斯認(rèn)為玻璃破壞時(shí)是從表面微裂紋開始，隨著裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)樣品破裂。 實(shí)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(zhì)接觸，以防止產(chǎn)生裂紋，測定結(jié)果，強(qiáng)度大大提高。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(chǎn)生壓應(yīng)力，強(qiáng)化了表面，從而提高了強(qiáng)度。影響玻璃強(qiáng)度的因素1.5應(yīng)力 玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的應(yīng)力，使強(qiáng)度大大降低。但玻璃進(jìn)行強(qiáng)化后，比如鋼化處理，使表面存在壓應(yīng)力，內(nèi)部為張應(yīng)力，并且是有規(guī)律的均勻分布，使強(qiáng)度大大提高。2.玻璃的彈性 彈性材料在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。 塑性如果外力去掉后仍

7、保持完全或部分變形狀態(tài)的性質(zhì)。 對于玻璃來講，塑性變形實(shí)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。影響玻璃彈性的因素2.1成分2.2熱處理2.3溫度影響玻璃彈性的因素2.1成分 彈性模量直接與其內(nèi)部組成質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵強(qiáng)度有關(guān)，鍵力越強(qiáng)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(shí)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(guān)。影響玻璃彈性的因素2.2熱處理 相同組成的條件下，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(jié)構(gòu)保持

8、了高溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，因此彈性模量較小。但是經(jīng)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。影響玻璃彈性的因素2.3溫度 大多數(shù)硅酸鹽玻璃的彈性模量隨著穩(wěn)定的上升而下降。 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(shí)質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動動能的增加也是一個(gè)原因。3.玻璃的硬度和脆性 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(guān)，即離子電價(jià)越高，正負(fù)離子間距越小，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(wǎng)絡(luò)生

9、成體使玻璃具有高硬度，而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使硬度降低。 脆性是指當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)，立即破裂的特性。 通常沖擊強(qiáng)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(jù)開始出現(xiàn)裂縫時(shí)所作功與樣品體積的商來確定。4.玻璃的密度 物質(zhì)單位體積的質(zhì)量成為密度。主要取決于構(gòu)成玻璃的原子的質(zhì)量，也與原子堆積緊密程度以及配位數(shù)有關(guān)，是表征玻璃結(jié)構(gòu)的一個(gè)因素。 玻璃密度與成分、溫度、壓力、熱歷史都有很大關(guān)系。4.1玻璃密度和成分的關(guān)系 在玻璃中加入R2O或RO時(shí)，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(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷裂，但是由于它們是填充在網(wǎng)絡(luò)空隙中，因此實(shí)際上并沒

10、有引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，而是增大了密度。 再如K+、Ba2、La3+等，其半徑比網(wǎng)絡(luò)空隙大，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)緊密度下降。4.1玻璃密度和成分的關(guān)系 硼反常和鋁反常。 B2O3以BO3的形式存在于玻璃結(jié)構(gòu)中時(shí)，使玻璃結(jié)構(gòu)松懈，密度下降；但是當(dāng)以BO4的形式存在時(shí)，由于BO4的體積比SiO4小，因此使得結(jié)構(gòu)緊密，密度增大。 而對于Al2O3來講，當(dāng)以AlO6的形式存在時(shí)，是充填于網(wǎng)絡(luò)空隙的，使玻璃密度上升；但是當(dāng)以AlO4形式存在時(shí)，由于AlO4的體積比SiO4大，又導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松懈，密度下降。4.2密度與溫度的關(guān)系 隨著溫度升高，玻璃密度下降。 淬冷玻璃比退火玻璃的密度一般都低一些。4.3密

11、度與熱歷史的關(guān)系 玻璃密度與退火溫度、保溫時(shí)間、降溫速度等都有很大關(guān)系： （一）玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時(shí)，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(shí)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。4.2玻璃的熱學(xué)性質(zhì) 玻璃的熱學(xué)性質(zhì)包括熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、比熱、熱穩(wěn)定性和熱后效應(yīng)等。其中以熱膨脹系數(shù)最為重要。1.玻璃的熱膨脹系數(shù) 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(zhì)都有重要意義。線膨脹系數(shù)體膨脹系數(shù)咖啡壺、玻璃壺等，以硼硅酸鹽玻璃為主，膨脹系數(shù)低，耐溫急變性

12、強(qiáng)。 炊燒器皿、蒸煮灶具等，熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度大。排除鋼化玻璃，應(yīng)選用微晶玻璃，尤其是灶臺。1.1熱膨脹系數(shù)與成分的關(guān)系 熱膨脹系數(shù)可以通過加和法進(jìn)行計(jì)算。在膨脹曲線的轉(zhuǎn)變溫度以下，熱膨脹系數(shù)與溫度成直線關(guān)系，并受外界影響很小，主要決定于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和外體離子配位狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)規(guī)則。 常溫下玻璃這類性質(zhì)大致可以看成各氧化物組份性質(zhì)的總和。各組成氧化物都有其大致的膨脹計(jì)算系數(shù)i。1.1熱膨脹系數(shù)與成分的關(guān)系 當(dāng)溫度上升時(shí)，玻璃中質(zhì)點(diǎn)的熱振動振幅增加，質(zhì)點(diǎn)間距相應(yīng)增大，因而玻璃呈現(xiàn)膨脹。 膨脹系數(shù)與鍵力有關(guān)，而玻璃的膨脹又與質(zhì)點(diǎn)間的作用力有關(guān)。Si-O鍵力大，因此組份SiO2的計(jì)算系數(shù)小。R+-O鍵力弱

13、，故R2O的引入使玻變大。組份氧化物，對玻的影響如下： （一）各組份對網(wǎng)絡(luò)的作用有兩方面：斷網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)。斷網(wǎng)者使玻上升，補(bǔ)網(wǎng)使玻下降。 （二）因組分所擔(dān)當(dāng)?shù)摹敖巧辈煌?，其對玻的影響不同，如網(wǎng)絡(luò)生成體、中間體和外體。 （三）對于R2O和RO來說，斷網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)生成體使玻下降，網(wǎng)絡(luò)中間體在有足夠游離氧的條件下也使玻下降。1.2熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系 計(jì)算熱膨脹系數(shù)實(shí)際上是平均值，是與轉(zhuǎn)變溫度下某一溫度段相對應(yīng)的。因此，與實(shí)際樣品的熱膨脹系數(shù)是有一定區(qū)別的，只是一種近似。所以，最終通過計(jì)算獲得的熱膨脹系數(shù)是一些線段的組合。1.3玻璃微晶化

14、對熱膨脹系數(shù)的影響 微晶玻璃以能制得很大范圍的熱膨脹系數(shù)而著稱。一方面可以制得具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)的材料，另一方面又可以制得很高的正熱膨脹系數(shù)的材料。而兩者之間還有一些熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的微晶玻璃材料。1.3玻璃微晶化對熱膨脹系數(shù)的影響 對材料隨溫度變化而產(chǎn)生尺寸變化的研究是非常重要的。比如要求材料具有很高的熱沖擊能力，則其熱膨脹系數(shù)要盡可能低，以便把材料中由溫度應(yīng)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(shí)，需要它們的熱膨脹系數(shù)近似匹配，防止結(jié)合件在加熱或冷卻時(shí)產(chǎn)生高應(yīng)力。在大型光學(xué)鏡頭應(yīng)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(shí)需要一種熱膨脹系數(shù)接近零的玻璃材料。 這些

15、單純依靠均勻的無定形玻璃體是不能完成的，就要靠微晶玻璃。 防 火 玻 璃 的 耐 火 性 能 取 決 于 玻 璃 材 質(zhì) ， 在 一 定 時(shí) 間 內(nèi) 可 保 持 完 整 性 和 穩(wěn) 定 性 的 玻 璃 構(gòu) 件 有 玻 璃 磚 、 低 膨 脹 系 數(shù) 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(yàn) ， 可 保 證 幾 十 分 鐘 的 防 火 效 果 ， 是 目 前 防 火 玻 璃 品 種 中 首 選 。 2

16、.玻璃的比熱 在某一溫度下單位質(zhì)量的物質(zhì)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。 玻璃的比熱隨穩(wěn)定升高而增加，在轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)比熱開始增長得特別快，在熔融狀態(tài)下比熱也隨溫度不斷增長。 比熱與玻璃的化學(xué)組成有關(guān)。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。 比熱按下式計(jì)算（Pi為某種氧化物的重量百分比，Ci為玻璃比熱的計(jì)算系數(shù)）： 或按下式計(jì)算0t的平均比熱：其中，3.玻璃的導(dǎo)熱系數(shù) 玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)是用在穩(wěn)定梯度等于1時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過試樣單位橫截面積上的熱量來測定的。

17、如下所示，其中為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為熱量，S為截面積，t為溫差，為樣品厚度。 玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)隨穩(wěn)定的升高而增加，下圖為石英玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系。 玻璃中增加SiO2、Al2O3、B2O3、Fe2O3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增加，而含大量PbO或BaO時(shí)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)較低。 導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算也可以用加和的方式。4.玻璃的熱穩(wěn)定性 玻璃經(jīng)受劇烈的溫度變化而不破壞的性能成為熱穩(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(jīng)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(shù)，此外，玻璃樣品的厚度對其熱穩(wěn)定性的影響也很大。 凡是能夠降低玻璃熱膨脹系數(shù)的組份都能夠提高其熱穩(wěn)定性。例如，石英玻