第5章玻璃性能及加工技術(shù)

第5章玻璃的性能及加工技術(shù)玻璃是古老而又新興奇特而又美麗的材料美化環(huán)境豐富生活晶瑩剔透冰清玉潔5.1玻璃概述

玻璃的使用可追溯到石器時代，人們用天然的火山玻璃(黑曜巖火山玻璃)做切削工具。人工玻璃是在燒制陶器的時候，（火、沙子和天然碳酸鈉結(jié)合）很偶然地被發(fā)現(xiàn)的，至今為止發(fā)現(xiàn)的最古老的人工制造的玻璃是在古埃及的國王陵墓里發(fā)現(xiàn)地玻璃珠，可追溯到公元前3500年。

在中國,從出土的玻璃器來看，我國西周至戰(zhàn)國時期的玻璃工藝已趨于成熟。春秋末戰(zhàn)國初出現(xiàn)了蜻蜓眼玻璃珠和仿玉玻璃器，漢代玻璃產(chǎn)地分布在中原地區(qū)，生產(chǎn)鉛鋇玻璃（西方古玻璃一直以鈉鈣為主)。魏晉南北朝時期，隨著羅馬、波斯玻璃器的大量輸入，我國自制玻璃減少。

到了清初，當(dāng)歐洲制造的晶瑩的玻璃制品傳入我國后，頗受皇室喜愛。當(dāng)時清宮征調(diào)了最優(yōu)秀的制作人員在玻璃供職，同時還有歐洲的技術(shù)人員進行技術(shù)指導(dǎo)與制作，于是，中西方的玻璃制造技術(shù)在清宮玻璃廠匯合了。

現(xiàn)代玻璃的應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于光纖技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、化工、建筑等領(lǐng)域。

玻璃是以石英砂、長石、石灰石等為主要原料，加入某些金屬氧化物、化合物等輔助原料，經(jīng)高溫加熱熔融、冷卻凝固所得的非晶態(tài)無機材料。(1)強度：理論上是高的，但實際上是低的。強度取決于其化學(xué)組成、雜質(zhì)含量及分布、制品的形狀、表面狀態(tài)和性質(zhì)、加工方法等。一種脆性材料，其強度一般用抗壓、抗拉強度等來表示。玻璃的抗拉強度較低，玻璃的抗壓強度約為抗拉強度的14~15倍。5.2玻璃的基本性能(2)硬度：很高

硬度僅次于金剛石、炭化硅等材料，它比一般金屬硬，不能用普通刀和鋸進行切割；玻璃的硬度值在莫氏硬度5~7之間，可根據(jù)玻璃的硬度選擇磨料、磨具和加工方法，如雕刻、拋光、研磨和切割等。(3)光學(xué)性質(zhì)：吸收、透過、折射和反射光線。高度透明的物質(zhì)，具有一定的光學(xué)常數(shù)、光譜特性，具有吸收或透過紫外線和紅外線、感光、光變色、光儲存和顯示等重要光學(xué)性能．通常光線透過愈多，玻璃質(zhì)量越好。5.2玻璃的基本性能(4)電學(xué)性能

常溫下玻璃是電的不良導(dǎo)體。溫度升高時，玻璃的導(dǎo)電性迅速提高，熔融狀態(tài)時則變?yōu)榱紝?dǎo)體。(5)熱性質(zhì)玻璃的導(dǎo)熱性很差，一般經(jīng)受不了溫度的急劇變化。制品越厚，承受溫度急劇變化的能力越差。

5.2玻璃的基本性能(6)化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定。大多數(shù)工業(yè)用玻璃都能抵抗除氫氟酸以外酸的腐蝕．但耐堿腐蝕性較差。長期在大氣和雨水的侵蝕下，表面會失去光澤。一些光學(xué)玻璃儀器易受周圍介質(zhì)(如潮濕空氣)等作用，表面形成白色斑點或霧膜，破壞玻璃的透光性，所以在使用和保存中應(yīng)加以注意。(7)密度相對密度：與化學(xué)組成有關(guān)，溫度升高后會減小。

5.2玻璃的基本性能

玻璃的制品制造工藝過程基本上可分為配料、熔化和成型三個階段，一般采用連續(xù)性的工藝過程，如圖所示。5.3玻璃的工藝特性玻璃制品制造工藝過程玻璃原料分為主要原料和輔助原料兩類。前者決定了玻璃制品的物理化學(xué)性質(zhì)，后者賦予玻璃制品某些特殊性能和加速熔制過程。5.3.1玻璃原料（1）主要原料石英砂：又稱硅砂，主要成分是SiO2，以硅氧四面體[SiO4]的結(jié)構(gòu)組元形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，是玻璃的骨架。硼酸、硼砂及含硼礦物：向玻璃中引入B2O3的原料。作用：降低玻璃的膨脹系數(shù)，提高其熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光澤。還起助溶劑作用。

5.3.1玻璃原料（1）主要原料長石、瓷土、蠟石：向玻璃中引入Al2O3的原料。作用：提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、機械強度、硬度和折射率。純堿、芒硝：向玻璃中引入堿金屬氧化物Na2O的主要原料。作用：降低玻璃粘度，使其易于熔融和成型。方解石、石灰石、白堊：向玻璃中引入CaO的主要原料。作用：作為穩(wěn)定劑，含量高時易使玻璃發(fā)脆。含量不超過12.5%。5.3.1玻璃原料（1）主要原料硫酸鋇、碳酸鋇：向玻璃中引入BaO的主要原料。作用：吸收輻射性能力較強，用于制作高級器皿玻璃、光學(xué)玻璃、防輻射玻璃等。鉛化合物：向玻璃中引入堿金屬氧化物PbO的主要原料。作用：能增加玻璃密度，提高折射率，使玻璃制品具有特殊的光澤和良好的電性能。5.3.1玻璃原料（2）輔助原料澄滴劑：向玻璃配合料或玻璃溶液中加入一種高溫時本身能氣化或分解放出氣體，以促進排除玻璃中氣泡的添加物稱為澄滴劑.著色劑：使玻璃制品著色的添加劑稱為著色劑，通常使用錳、鈷、鎳、銅、金、硫、硒等金屬和非金屬化合物，其作用是使玻璃對光線產(chǎn)生選擇性吸收，從而顯出一定的顏色。5.3.1玻璃原料（2）輔助原料脫色劑：為提高無色玻璃的透明度，常在玻璃熔制時，向配合料中加入脫色劑，以去除玻璃原料中含有的鐵、鉻、鈦、釩等化合物和有機物的有害雜質(zhì)。乳濁劑：使玻璃制品對光線產(chǎn)生不透明的乳濁狀態(tài)的添加物禰為乳濁劑．助熔劑：能促使玻璃熔制過程加速的添加物稱為助熔劑或加速劑。5.3.1玻璃原料5.3.2玻璃熔制

玻璃熔制是將配好的原料經(jīng)過高溫加熱，形成均勻的無氣泡的玻璃液（一個很復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程）。玻璃的熔制在熔窯內(nèi)進行。熔窯主要有兩種類型：一種是坩堝窯，另一種是池窯。5.3.2玻璃熔制

各種配合料在加熱至高溫并形成玻璃的過程，大致可分為硅酸鹽的形成、玻璃的形成、澄清、均化和冷卻五個階段。鈉-鈣-硅玻璃的熔制過程

坩堝窯結(jié)構(gòu)示意圖坩堝窯

玻璃料盛在坩堝（一般用黏土、石墨等耐火材料制成，用于熔化金屬或其他物質(zhì)的器皿）內(nèi)，在坩堝外面加熱。現(xiàn)在僅有光學(xué)玻璃和顏色玻璃采用坩堝窯生產(chǎn)。池窯玻璃料在窯池內(nèi)熔制，明火在玻璃液面上部加熱。玻璃的熔制溫度大多在1300~1600℃。池窯主要由用耐火磚砌建的熔制池和蓄熱室或換熱室等所組成。用于制造平板玻璃、瓶罐玻璃、玻璃管等。

5.3.3玻璃的成型工藝

玻璃的成型是將熔融的玻璃液加工成具有一定形狀和尺寸的玻璃制品的工藝過程。常見的玻璃成型方法有：壓制成型、吹制成型和拉制成型、壓延成型。1.壓制成型

壓制成型是在模具中加入玻璃熔料，加壓成形，多用于玻璃盤碟、玻璃磚。下圖為玻璃壓制成型示意圖。壓制成型示意圖2.吹制成型

吹制成型是先將玻璃粘料壓制成雛形型塊，再將壓縮氣體吹入處于熱熔態(tài)的玻璃型塊中，使之吹脹成為中空制品。下圖為機械吹制法成型廣口瓶的示意圖。機械吹制成型示意圖

吹制成型可分為機械吹制成型和人工吹制成型，用來制造瓶、罐、器皿、燈泡等。3.拉制成型

拉制成型是利用機械拉引力將玻璃熔體制成制品，分為垂直拉制和水平拉制，主要用來生產(chǎn)平板玻璃、玻璃管、玻璃纖維等。垂直引上拉管及產(chǎn)品4.壓延成型

壓延成型是用金屬輥將玻璃熔體壓成板狀制品，主要用來生產(chǎn)壓花玻璃、夾絲玻璃等，該成型分為平面壓延與輥間壓延成型。下圖為壓延成型的示意圖。壓延成型示意圖浮法成型是生產(chǎn)平板玻璃的主要方法。浮法玻璃的成型是在通入保護氣體（N2及H2）的錫槽中完成的。熔融玻璃從池窯中連續(xù)流入并漂浮在相對密度大的錫液表面上，在重力和表面張力的作用下，玻璃液在錫液面上鋪開、攤平，再經(jīng)過一系列的處理，得到上下表面平整、互相平行、厚度均勻的平板玻璃。

5.浮法成型5.4玻璃制品的二次加工

成型后的玻璃制品，除極少數(shù)能直接符合要求外(如瓶罐等)，大多數(shù)還須作進一步加工，以得到符合要求的制品。經(jīng)過二次加工可以改善玻璃制品的表面性質(zhì)、外觀質(zhì)量和外觀效果。玻璃制品的二次加工可分為冷加工、熱加工和表面處理三大類。1.玻璃制品的冷加工冷加工是指在常溫下通過機械方法來改變玻璃制品的外形和表面狀態(tài)所進行的工藝過程。

冷加工的基本方法包括研磨、拋光、切割、噴砂，鉆孔和車刻等。

研磨：磨除玻璃制品的表面缺陷或成形后殘存的凸出部分，使制品獲得所要求的形狀，尺寸和平整度。拋光：用拋光材料消除玻璃表面在研磨后仍殘存的凹凸層和裂紋，以獲得光滑、平整的表面。切割：用金剛石或硬質(zhì)合金刀具劃割玻璃表面并使之在劃割處斷開的加工過程。1.玻璃制品的冷加工鉆孔：利用硬質(zhì)合金鉆頭、鉆石鉆頭或超聲波等方法對玻璃制品進行打孔。磨邊：磨除玻璃邊緣棱角和粗糙截面的方法。噴砂：通過噴槍用壓縮空氣將磨料噴射到玻璃表面以形成花紋圖案或文字的加工方法。

1.玻璃制品的冷加工1.玻璃制品的冷加工車刻：通過車刻工具,對玻璃進行雕刻,拋光,從而使玻璃表面產(chǎn)生出晶瑩剔透的立體線條,構(gòu)成簡潔明快的現(xiàn)代畫面,廣泛用于門窗,書柜,灑柜,起到點綴裝飾作用。

2.玻璃制品的熱加工

有很多形狀復(fù)雜和要求特殊的玻璃制品，需要通過熱加工進行最后成型。此外，熱加工還用來改善制品的性能和外觀質(zhì)量。熱加工的方法主要有：火焰切割、火拋光、鉆孔、鋒利邊緣的燒口等。3.玻璃制品的表面處理

表面處理包括玻璃制品光滑面與散光面的形成(如器皿玻璃的化學(xué)刻蝕、燈泡的毛蝕、玻璃化學(xué)拋光等)、表面著色和表面涂層(如鏡子鍍銀、表面導(dǎo)電)等。(1)玻璃彩飾：利用彩色釉料對玻璃制品進行裝飾的過程。常見的彩飾方法有：描繪、噴花、貼花和印花。

(1)玻璃彩飾描繪：按圖案設(shè)計要求用筆將釉料涂繪在制品表面；噴花：將圖案花樣制成鏤空型版緊貼在制品表面，用噴槍將釉料噴到制品上；貼花：先用彩色釉料將圖案印刷在特殊紙上或薄膜上制成花紙，然后將花紙貼到制品表面；印花：采用絲網(wǎng)印刷方式用釉料將花紋圖案印在制品表面。

(2)玻璃蝕刻：利用氫氟酸的腐蝕作用，使玻璃獲得不透明毛面的方法。先在玻璃表面涂覆石蠟、松節(jié)油等作為保護層并在其上刻繪圖案，再用氫氟酸溶液腐蝕刻繪所露出的部分。蝕刻程度可通過調(diào)節(jié)酸液濃度和腐蝕時間來控制，蝕刻完畢除去保護層。多用于玻璃儀器的刻度和標(biāo)字，玻璃器皿和平板玻璃的裝飾等。5.5常用玻璃材料5.5.1玻璃材料的分類(1)按玻璃的用途和使用環(huán)境分類日用玻璃—瓶罐玻璃、器皿玻璃、裝飾玻璃等。技術(shù)玻璃—光學(xué)玻璃、儀器玻璃、管道玻璃、電器用玻璃、醫(yī)藥用玻璃、特種玻璃等。建筑玻璃—窗用平板玻璃、鏡用平板玻璃、裝飾用平板玻璃、安全玻璃。玻璃纖維—無堿纖維、低堿纖維、中堿纖維、高堿纖維等。以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，直徑相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。玻璃纖維通常用作復(fù)合材料中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等領(lǐng)域。玻璃纖維(2)按玻璃的特性分類按玻璃的氣密性、適光性，光學(xué)特性、化學(xué)耐久性、電及熱特性、強度，硬度、加工性以及裝飾性等特性可將玻璃分為容器玻璃光學(xué)玻璃電真空玻璃工藝美術(shù)玻璃建筑用玻璃光纖玻璃照明器具玻璃特種玻璃(3)按玻璃的功能分類鋼化玻璃吸熱玻璃熱反射玻璃夾層玻璃夾絲玻璃中空玻璃曲面玻璃吸熱玻璃：能吸收大量熱射線并保持良好透明度，具有控制陽光與熱能透過的功能。吸熱玻璃是在普通硅酸鹽玻璃中引入一定量的著色氧化物或在玻璃表面噴涂著色氧化物薄膜而具有吸熱性。常見的吸熱玻璃顏色有茶色、藍色、灰色、綠色等。多用作建筑物門窗、幕墻及車、船風(fēng)擋玻璃等，起采光、裝飾、防眩、節(jié)能作用。是采用本體著色工藝制得的吸熱玻璃產(chǎn)品。該產(chǎn)品良好的吸熱功能，可降低太陽光的直接透射比，收到一定的節(jié)能效果；顏色的多彩性，賦予現(xiàn)代建筑愉悅的裝飾功能。該產(chǎn)品又可作為鍍膜玻璃的優(yōu)良基板。浮法彩色玻璃幕墻夾層玻璃：利用透明、粘接力強的塑料膜片將兩塊或兩塊以上的平板玻璃在高溫高壓作用之下粘接起來的玻璃。主要用作汽車、飛機的風(fēng)擋玻璃，防彈玻璃，也用于有特殊安全要求的建筑物門窗、幕墻及展示陳列等方面。防彈玻璃的結(jié)構(gòu)示意圖鋼化玻璃：又稱強化玻璃。經(jīng)強化處理而具有良好機械性能和耐熱震性能的玻璃。通常鋼化玻璃多指經(jīng)風(fēng)淬火處理的玻璃。鋼化玻璃破碎后裂成圓鈍的小碎片，碎片不帶尖銳棱角，可減少對人的傷害。鋼化玻璃不能進行機械切割、鉆孔等加工。多用于交通運瑜車輛的車窗和建筑門窗，隔墻等。夾絲玻璃：又稱防碎玻璃和鋼絲玻璃。它是把普通平板玻璃加熱到紅熱軟化狀態(tài)，將預(yù)熱處理的金屬絲或金屬網(wǎng)壓入玻璃中間而制成的。夾絲玻璃在遭受沖擊或溫度劇變時破而不缺，裂而不散，具有較好的安全性和防火性。常用于建筑物的門窗、走廊、天井等處。中空玻璃：又稱隔熱玻璃，是在兩塊或多塊平板玻璃之間充以干噪氣體，四周邊緣用膠接、焊接或熔接的方法密封而成的玻璃制品。具有優(yōu)良的保溫、隔熱、隔聲及防結(jié)露等性能。可用彩色玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃、鍍膜玻璃等作外層原片，以改善性能和裝飾效果。廣泛用干鐵路車輛、建筑物、冷藏庫、冷藏櫥柜等處。(4)按玻璃的化學(xué)成分分類玻璃由二氧化硅、純堿、石灰石等在1550~1600℃高溫下熔融后經(jīng)過拉制或壓制而成。如果在玻璃中加入某些金屬氧化物、化合物或經(jīng)過特殊工藝處理，又可制得具有各種同特殊性能的特種玻璃。鈉鈣玻璃鋁鎂玻璃鉀玻璃硼硅玻璃鉛玻璃石英玻璃5.6玻璃在設(shè)計中的應(yīng)用

玻璃以其天然的、極富魅力的透明性和變化無窮的色彩感和流動感，充分展現(xiàn)了玻璃的材質(zhì)美。器皿藝術(shù)、裝飾品家具建筑燈具汽車玻璃1.器皿玻璃當(dāng)