《無機(jī)材料工學(xué)教學(xué)》10-玻璃工藝

第一章玻璃的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1.1玻璃的結(jié)構(gòu)

1.1玻璃的通性物質(zhì)氣態(tài)液態(tài)固態(tài)晶體非晶體（無定形態(tài)）玻璃——非晶態(tài)固體——過冷液體玻璃工藝

編輯ppt各向同性遠(yuǎn)程無序,統(tǒng)計均勻物理化學(xué)性質(zhì)各方向相同介穩(wěn)性高能狀態(tài)，有析晶的趨勢無固定溶點(diǎn)與晶態(tài)物質(zhì)不同玻璃加熱變?yōu)槿垠w過程也是漸變玻璃工藝

編輯ppt性質(zhì)變化的連續(xù)性與可逆性熔融狀態(tài)→固態(tài)性質(zhì)變化連續(xù)可逆玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)取決于成分和熱歷史

CKETgTMDBAFMV、Q

過冷液體晶體玻璃態(tài)玻璃工藝

編輯ppt1.2玻璃的理論近程有序，遠(yuǎn)程無序晶子學(xué)說由微晶與無定形物質(zhì)組成強(qiáng)調(diào)了玻璃結(jié)構(gòu)的近程有序性

網(wǎng)絡(luò)學(xué)說多面體頂角相連的三維無序排列著重說明玻璃結(jié)構(gòu)的連續(xù)性、統(tǒng)計均勻性和無序性

玻璃工藝

編輯ppt鈉硅玻璃[SiO4]頂角相連的三維無序架狀結(jié)構(gòu)。氧化鈉使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生斷裂，玻璃結(jié)構(gòu)減弱。機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等一系列性能差，一般沒有實(shí)用價值。玻璃工藝

編輯ppt鈉鈣硅玻璃在鈉硅玻璃的基礎(chǔ)上加CaO,鈣離子限制鈉離子活動，強(qiáng)化了玻璃的結(jié)構(gòu)，改善了玻璃的性能。目前大多數(shù)實(shí)用玻璃都以鈉鈣硅玻璃為基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步改善玻璃的性能，在鈉鈣硅玻璃的基礎(chǔ)上還須加入少量的Al2O3和MgO玻璃工藝

編輯ppt2玻璃的生成規(guī)律

形成玻璃的條件熱力學(xué)條件玻璃態(tài)比晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)能大，有向晶態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變的趨勢。動力學(xué)條件粘度大，來不及結(jié)晶。熔體玻璃化和結(jié)晶化是矛盾的兩個方面，對結(jié)晶不利的因素對形成玻璃有利。玻璃工藝

編輯ppt影響結(jié)晶的因素溫度—過冷度增大，成核和結(jié)晶驅(qū)動力增大；同時，粘度上升，成核和結(jié)晶阻力也增大。粘度—對質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散的阻礙，限制結(jié)晶。雜質(zhì)—起成核作用，促進(jìn)結(jié)晶。晶面能—固體的界面能越小，結(jié)晶速度越形成玻璃就要防止結(jié)晶，冷卻速度很重要！玻璃工藝

編輯ppt*微晶玻璃有控制的析晶是基礎(chǔ)，控制成核和晶體長大是實(shí)現(xiàn)有控制析晶的關(guān)鍵。選擇適當(dāng)?shù)牟ＡС煞终_選擇成核劑與熱處理制度。微晶玻璃有一系列優(yōu)良性能，如機(jī)械強(qiáng)度和硬度高、化學(xué)及熱穩(wěn)定性好。玻璃工藝

編輯ppt玻璃的分相玻璃在高溫下為均勻的熔體，在冷卻過程中或在一定溫度熱處理時，由于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的遷移，某些組分分別濃集，從而形成兩種或兩種以上化學(xué)組成不同的互不相溶的玻璃相。穩(wěn)定分相對玻璃生產(chǎn)不利，產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)、乳濁。玻璃工藝

編輯ppt*高硅氧玻璃選取SiO2-B2O3-Na2O中適當(dāng)組成，按一般玻璃生產(chǎn)方法制成半成品，在600℃左右熱處理，使其分相，再分離為高Na2O-B2O3相和高SiO2相，每相中富集區(qū)都很小。退火后用酸溶液與Na2O-B2O3相反應(yīng)，反應(yīng)后再用弱堿水洗去。此時制品就成為高SiO2相的多孔玻璃。此后再經(jīng)1200℃左右的溫度燒結(jié)，即可制成高硅氧玻璃制品。價格比石英玻璃低，許多性能與石英玻璃相似。燒結(jié)前多孔性，氣孔連通，比表面積大，可作吸收劑、催化劑、氣液分離器、細(xì)菌過濾器等。

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編輯ppt3玻璃的性質(zhì)

1.3.1玻璃熔體的性質(zhì)玻璃的粘度（η）

f

=

η·S·dv/dxη與化學(xué)組成、溫度、時間（轉(zhuǎn)變區(qū)域）有關(guān)。直接影響著玻璃的熔制、澄清、均化、成型、退火及其加工熱處理等各個過程。玻璃工藝

編輯ppt與溫度的關(guān)系T↓η↑，從熔體到固態(tài)，η連續(xù)變化。玻璃的料性—粘度隨溫度變化的快慢與玻璃成分的關(guān)系SiO2、Al2O3、ZrO等提高粘度，R2O降低粘度，堿土金屬引起粘度增加的能力：Mg2+＞Ca2+＞Sr2+＞Ba2+，PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。玻璃工藝

編輯ppt粘度的參考點(diǎn)生產(chǎn)控制中常用的參考粘度，并據(jù)溫度與粘度的關(guān)系曲線，同相應(yīng)的溫度聯(lián)系起來。

應(yīng)變點(diǎn)：應(yīng)力在幾小時內(nèi)消除，η=1013.6Pa·S退火點(diǎn)：應(yīng)力在幾分鐘內(nèi)消除，η=1012Pa·S變形點(diǎn)：η=1010-11Pa·S軟化點(diǎn)：η=（3-5）×106Pa·S操作點(diǎn)：上限η=102-3Pa·S、下限η=105玻璃工藝

編輯ppt粘度的計算奧霍琴法：T=Ax+By+Cz+Dx、y、z分別為Na2O、CaO+3%MgO、Al2O3、的重量百分?jǐn)?shù)，A、B、C、D分別為Na2O、CaO+3%MgO、Al2O3、和SiO2的特性常數(shù)，隨粘度值變化，可查表得到。計算某粘度下的溫度。是經(jīng)驗(yàn)式，有適應(yīng)范圍。玻璃工藝

編輯ppt表面張力（σ）在玻璃的澄清、均化、成形、玻璃液與耐火材料的相互作用等過程中均起重要作用。氣泡的成長、溶解和排出玻璃液中條紋及節(jié)瘤的擴(kuò)散和溶解成型過程借助表面張力達(dá)到一定形狀平板玻璃表面平滑、平板玻璃拉制、生產(chǎn)玻璃薄膜克服表面張力引起收縮玻璃工藝

編輯ppt玻璃的密度密度與化學(xué)組成、溫度和熱歷史有關(guān)石英玻璃密度比鈉鈣硅玻璃小（無填隙作用）淬冷玻璃密度＜退火玻璃密度，退火溫度下保溫兩者趨于平衡，冷卻速度越快，偏離平衡密度越大。測定密度是玻璃工廠作為生產(chǎn)控制的手段之一。1.3.2固體玻璃的性質(zhì)玻璃工藝

編輯ppt玻璃的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度差２～３個數(shù)量級與玻璃組成、溫度、內(nèi)應(yīng)力、缺陷等有關(guān)脆性玻璃的最大弱點(diǎn)是脆性硬度彈性

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編輯ppt玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性玻璃抵抗氣體、水、酸、堿、鹽和各種化學(xué)試劑侵蝕的能力決定于玻璃的組成、結(jié)構(gòu)、熱歷史、表面狀況、侵蝕介質(zhì)的性質(zhì)，侵蝕時的溫度、壓力等。硅酸鹽玻璃耐酸性強(qiáng)（氫氟酸除外）硅酸鹽玻璃一般不耐堿OH-破壞硅氧骨架，使網(wǎng)絡(luò)解體玻璃工藝

編輯ppt玻璃的熱學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)包括熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱穩(wěn)定性等熱膨脹系數(shù)是玻璃最重要的熱學(xué)性質(zhì)提高玻璃的熱穩(wěn)定性主要是降低熱膨脹系數(shù)一般有利于玻璃網(wǎng)絡(luò)的氧化物對降低熱膨脹系數(shù)有利

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編輯ppt玻璃的光學(xué)性質(zhì)折射率玻璃的著色離子、硫硒化物及金屬膠體著色

玻璃的電學(xué)性質(zhì)玻璃常溫下一般是電絕緣體，隨著溫度上升，導(dǎo)電性迅速提高，到熔融狀態(tài)，玻璃變成良導(dǎo)體。玻璃工藝

編輯ppt第二章玻璃的原料及配合料制備

2.1玻璃的原料

2.2.1主要原料各種組成的氧化物原料引入SiO2的原料硅砂、砂巖引入Al2O3的原料鉀（鈣、鈉）長石,K2O（CaO、Na2O）·Al2O3·6SiO2高嶺土,又稱粘土,（Al2O3·6SiO2·2H2O）玻璃工藝

編輯ppt引入Na2O的原料純堿（Na2CO3）芒硝（Na2SO4）引入CaO的原料石灰石、方解石（CaCO3）引入其它成分的原料MgO—白云石、B2O3—硼酸、硼砂、BaO—硫酸鋇、碳酸鋇、ZnO—ZnO粉、菱鋅礦PbO—鉛丹玻璃工藝

編輯ppt為獲得必要性質(zhì)和加速熔制過程而采用的少量原料澄清劑凡在玻璃熔制過程中能分解產(chǎn)生氣體，或能降低玻璃粘度，促使玻璃中氣泡排除的原料。如氧化砷、硫酸鹽、氟化物。著色劑、脫色劑、氣化劑、還原劑其它碎玻璃、工業(yè)廢渣，等2．1．2輔助原料玻璃工藝

編輯ppt玻璃性能要求各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求原料來源、價格與供應(yīng)可靠性等能源、資源、環(huán)保要求2．1．3原料的選擇玻璃工藝

編輯ppt玻璃組成的設(shè)計滿足預(yù)定性能要求根據(jù)組成、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系玻璃析晶小根據(jù)形成圖與相圖適應(yīng)熔制、成型、加工等工序要求根據(jù)生產(chǎn)條件價格低廉、原料易得、環(huán)保2．2配合料的制備玻璃工藝

編輯ppt玻璃配合料制備的工藝過程經(jīng)過破碎、篩分，按配方稱量、混合對配合料質(zhì)量要求化學(xué)組成和顆粒組成合理、均勻、穩(wěn)定含一定水分使石英顆粒表面形成水膜，純堿和芒硝溶于水膜中，有助于加速熔化。含一定氣體率有利于澄清和均化顆料組成—提高熔制速度、玻璃液的均勻度，提高混合質(zhì)量、防止分層。玻璃工藝

編輯ppt第三章玻璃的熔制及成型

3.1玻璃的熔制過程

配合料到均質(zhì)玻璃液的過程

可分五個段：

硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化、冷卻

熔融階段精煉階段玻璃工藝

編輯ppt硅酸鹽形成階段配合料硅酸鹽和剩余SiO2的燒結(jié)物主要固相反應(yīng)結(jié)束鈉鈣硅玻璃800-900℃終結(jié)玻璃工藝

編輯ppt玻璃的形成階段硅酸鹽和剩余SiO2的燒結(jié)物透明玻璃體石英砂粒熔解和擴(kuò)散比其它硅酸鹽的速度低得多，玻璃形成的速度取決于石英砂粒的熔解和擴(kuò)散速度。玻璃液中存在大量的氣泡、化學(xué)組成和性質(zhì)不均勻，有很多條紋。玻璃工藝

編輯ppt玻璃液的澄清排除玻璃液中可見氣泡過程鈉鈣硅玻璃在1400-1500℃完成澄清過程中，消除可見氣泡的方式氣泡體積增大，漂浮出玻璃表面后破裂消失小氣泡被吸收而消失

與配合料組成、熔制制度、氣氛組成與壓力、澄清劑等有關(guān)。玻璃工藝

編輯ppt玻璃液的均化消除玻璃液不均體，達(dá)到化學(xué)均勻與熱均勻?；瘜W(xué)不均體對玻璃制品的不利影響熱膨脹系數(shù)—結(jié)構(gòu)應(yīng)力（炸裂）、光學(xué)常數(shù)—光畸變、粘度—波筋、條紋均化方式熔解、擴(kuò)散、對流、空氣攪拌玻璃工藝

編輯ppt玻璃液的冷卻降溫以獲得成型所需的粘度鈉鈣硅玻璃降到1000-1100℃要求冷卻的玻璃液溫度均勻一致熱不均勻性導(dǎo)致產(chǎn)品厚薄不勻、波筋、炸裂

防止產(chǎn)生二次氣泡玻璃工藝

編輯ppt五個階段各有特點(diǎn)，又相互聯(lián)系和相互影響在實(shí)際熔制中常常是同時進(jìn)行或交錯進(jìn)行主要決定于熔制工藝制度和玻璃窯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)池窯中—不同空間，同一時間坩堝爐中—不同時間，同一空間

玻璃工藝

編輯ppt根據(jù)我國目前能源情況，基本上采用火焰池窯。其結(jié)構(gòu)主要包括：玻璃熔制，熱源供給，余熱回收和供氣排煙四部分。3.2玻璃池窯主要結(jié)構(gòu)

玻璃熔制部分

熔化部：它是進(jìn)行配合料溶化和玻璃的澄清與均化的部分。熔化部上部為火焰空間，下部為窯池?；鹧嬷饕尚t燃燒口噴出。玻璃工藝

編輯ppt投料口：配合料從投料口投入窯內(nèi)，受火焰空間和玻璃液來傳遞熱量；冷卻部：它是熔化好的玻璃液進(jìn)一步均化和冷卻的部位，也是玻璃液分配供料的通道。熱源供給部分空氣、煤氣通道：煙氣從火焰空間排至蓄熱室所經(jīng)過的通道玻璃工藝

編輯ppt空氣、煤氣通道：煙氣從火焰空間排至蓄熱室所經(jīng)過的通道預(yù)燃室：指空氣、煤氣出水平通道后，借助氣流渦動、分子擴(kuò)散與相互撞擊，在入窯前預(yù)先進(jìn)行部分混合。噴火口：指噴出火焰的地方。玻璃工藝

編輯ppt余熱回收部分

利用煙氣余熱來加熱助燃空氣和煙氣，進(jìn)而達(dá)到提高火焰溫度和節(jié)能的效果。供氣排煙部分

包括交換器，空氣、煙氣煙道，中間煙道，鼓風(fēng)機(jī)，總煙道和煙囪。玻璃工藝

編輯ppt玻璃工藝

編輯ppt3．3影響玻璃熔制過程的工藝因素玻璃成分高熔點(diǎn)組分多，熔化速度慢低熔點(diǎn)組分多，熔化速度快原料及配合料的性質(zhì)石英顆大小和形狀、雜質(zhì)的難熔性、氣體率、均勻性、碎玻璃等。加速劑的使用氟化物、B2O3等，加速熔制過程加料方式、熔制制度、輔助電熔和攪拌玻璃工藝

編輯ppt3．4玻璃的成型玻璃的粘度隨溫度下降而增大的特性是玻璃制品成型和定形的基礎(chǔ)。長性玻璃—在102—106

Pa·S范圍內(nèi)相應(yīng)的溫度范圍大的玻璃短性玻璃—在102—106

Pa·S范圍內(nèi)相應(yīng)的溫度范圍小的玻璃玻璃工藝

編輯ppt日用玻璃成型吹制成型包括人工成型和機(jī)械成型平板玻璃成型主要有浮法、垂直引上法、平拉法玻璃工藝

編輯ppt浮法玻璃的生產(chǎn)過程熔融玻璃液進(jìn)入盛有熔融錫液的錫槽中，玻璃液浮在錫液表面上，在表面張力的作用下，使玻璃具有光潔平整表面，并在以后冷卻硬化過程加以保持。經(jīng)過定型、冷卻后，進(jìn)入退火窯退火、冷卻，最后經(jīng)切割成為原片。玻璃質(zhì)量高，拉引速度快，產(chǎn)量大，厚度可控，便于生產(chǎn)自動化。浮法玻璃工藝示意圖

玻璃工藝

編輯ppt第四章玻璃的退火與淬火4.1玻璃的應(yīng)力暫時應(yīng)力在溫度低于應(yīng)變點(diǎn)時，玻璃處于彈性變形溫度范圍，在經(jīng)受不均勻溫度變化時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力隨溫差的存在而存在，隨溫差的消失而消失。不會對玻璃制品造成損害，如果溫度急劇變化,暫時應(yīng)力超過玻璃的機(jī)械強(qiáng)度時，也能使玻璃破裂。玻璃工藝

編輯ppt永久應(yīng)力當(dāng)玻璃冷卻到室溫，溫度梯度消失后仍然存在的應(yīng)力稱為永久應(yīng)力或剩余應(yīng)力。產(chǎn)生的基本條件：冷卻的速度快，開始冷卻的溫度在玻璃應(yīng)變點(diǎn)之上。除非經(jīng)退火處理，否則永久應(yīng)力將一直存在于玻璃制品中。玻璃工藝

編輯ppt定義與目的消除玻璃制品在成型或加工后殘留在制品內(nèi)的永久應(yīng)力的過程。防止炸裂和提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度任何玻璃制品在加工過程中都存在著剩余熱應(yīng)力或永久應(yīng)力。4.2玻璃的退火玻璃工藝

編輯ppt玻璃的退火工藝制度玻璃的退火溫度必須把玻璃加熱到轉(zhuǎn)變溫度附近，保溫均熱，消除溫度梯度，使應(yīng)力松弛，從而消除永久熱應(yīng)力。這個選定的溫度叫退火溫度。退火溫度上限溫度3min消除95%下限溫度3min消除5%在轉(zhuǎn)變溫度附近,玻璃具有粘彈性,可經(jīng)