工学]玻璃的性质

　　[工学]玻璃的性质玻璃的性能br郑伟宏brbrlogobrbr 2brbr introduction to glass：brbr将一块成品玻璃卖给一个客户，意味着将 一系列性能以一定的价格卖出。  而价格涉及到产量、竞争和市场等方面。brbr在这里不是我们将主要探讨的问题，而玻br璃的性能则将是我们主要探讨的问题。brbr3brbr 玻璃的性能跟什么密切相关？b

　　glass：将一块成品玻璃卖给一个客户，意味着将一系列性能以一定的价格卖出。而价格涉及到产量、竞争和市场等方面。在这里不是我们将主要探讨的问题，而玻璃的性能则将是我们主要探讨的问题。玻璃的性能跟什么密切相关？玻璃的性能通常跟它们的组成、它们的制备工艺(热历史)密切相关。它们三者之间的关系非常密切。首先玻璃的应用领域对玻璃提出某些性能的要求，而这些性能的要求使得我们必须确定某些合适的系统组组成确定之后，它们的制备工艺同样被确定了，而组成和制备工艺反过来影响着玻璃的性能和应用。可见，玻璃的性能同组成、制备工艺(热历史)有着复杂的联系这也是《玻璃的性能》这节课程将重点讨玻璃的密度虽然玻璃的密度在使用上没有太大的意义，但由于许多原因还是把这一性能在这里先介绍，因为人们常要用这些数值来计算其它性能。玻璃的密度表示玻璃单位体积的质量，它主要取决于构成玻璃原子的质量，也与原子的堆积紧密程度以及配位数有关，是表征玻璃结构的一个标在考虑玻璃制品的质量以及玻璃池窑的热工计算时都要用到有关玻璃密度的数据。在实际生产中，通过测定玻璃的密度来控制工艺过程，借以控制玻璃成分。密度测定是控制玻璃组成稳定的一种简单方法。按照定义，密度ρ是单位体积中的质量，国际单位制(简称SI)为千克/米1．1密度与组成的关系玻璃的密度与组成(成分)的关系十分密切，在各种实用玻璃中，密度的差别是很大的。石英玻璃密度最小，仅为2.21g/cm含有大量PbO的重火石玻璃可达6.5g/cm某些防辐射玻璃的密度可达8g/cm普通钠钙硅玻璃的密度为2.5g/cm10在硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐玻璃中引入RO和RO氧化物时，一般随着它们离子半径的增大，使玻璃密度增加。加入半径小的阳离子如Li等可要填充网络的空隙，虽然其使硅氧四面体的连接断裂但并不引起网络结构的扩大，使结构紧密度增加。加入半径大的阳离子如K等其半径较网络间空隙大，因此使网络结构扩张，使结构紧密度下降。11同一种氧化物在玻璃中的配位状态改变时，对其密度也产生明显的影响。如B2O3从硼氧三角体[BO]，或者中间体氧化物Al等从网络内四面体[RO]而填充于网络空隙中，均使密度增大。因此当连续改变这类氧化物的含量至产生配位数的变化时，在玻璃组成－性能变化曲线上就出现了极值和转折点。12补充知识点：玻璃的结构？NEW……聚合物观点在实际应用中，根据O和Si的摩尔数比，将玻璃的网络结构大致分类，可分为：(骨)架状、层状、链13在Na由三角体转变为四面体，把结构网络中断裂的键连接起来，且[BO]体积小，使玻璃结构紧密，密度增加。当Na的含量比小于1时，由于Na]，促使玻璃结构疏松，密度下降，出现“硼反常现14Al对玻璃密度的影响更为复杂。一般在玻璃中引入Al使密度增加；但在钠钙硅酸盐玻璃中，当Na的含量比大于1时，Al]体积大于[SiO]，其密度减小；当Na作为网络外体位于八面体[AlO]中，填充于结构网络的空隙，使玻璃密度增大，出现“铝反常现象”。15四面体[AlO]，其密度减小；当Na作为网络外体位于八面体[AlO]中，填充于结构网络的空隙，使玻璃密度增大，出现“铝反常现象”。在玻璃中含有B对玻璃密度的影响更为复杂。由于[AlO时，先形成[AlO玻璃的密度可通过玻璃的化学组成和比容关系进行计算16玻璃的密度可通过玻璃的化学组成和比容关系进行计算其中，ρ－密度Vm－各种组分的计算系数，如下表1－1中所示。fm－玻璃中氧化物的质量分数17表1－1玻璃的比容Vm计算系数值18表1－1中Nsi为Si与O的原子比，对于相同的氧化物Nsi不同则其系数不同。例如SiO玻璃的Nsi＝0.5，添加其他氧化物则Nsi0.5。Nsi的计算方法如下。其中，Psi－玻璃中SiOSiSisi60191．2密度与温度的关系随着温度的升高，玻璃的密度随之下降。对于一般工业玻璃，当温度自室温升高到1300时，密度下降约为6％～12％。在弹性变化范围内密度的下降与玻璃的热膨胀系数有关。玻璃的密度不仅与温度有关，而且与热处理有关(详见“玻璃的热历史”)玻璃在退火温度范围内，密度的变化存在下述规律。2021玻璃从高温状态冷却下来，同成分的淬火(急冷)玻璃的密度较退火(慢冷)玻璃的低。在一定退火温度下保持一定时间后，淬火玻璃和退火玻璃的密度趋向该温度时的平衡密度冷却速度较快，偏离平衡密度的温度愈高，其Tg温度愈高22根据这些规律，在生产中可以用密度值来判断退火质量的好坏，详见表1－2。表1－2不同热处理情况下玻璃瓶密度的变化热处理情成形后未退火2．5000退火较差2．50500．005退火良好2．50700．007231．3密度与热处理的关系玻璃析晶是一个结构有序化过程，因此玻璃析晶后密度是增大的。玻璃晶化(包括微晶化)后密度的大小主要取决于析出晶相的种类。由此可通过控制热处理条件，得到不同的晶粒，制得具有不同物理性能的微晶玻璃。241．4密度与压力的关系当玻璃承受高压或者超高压后，使得玻璃的密度发生变化，且在一定温度下，随着压力的增加玻璃的密度随之增大。这是由于在高压后玻璃网络结构的容积减小，使玻璃密度增大。例如石英玻璃在承受20010Pa压力后密度由2.22g/cm，除去压力后，此密度的增大可在室温下持久地保存下来，只有把这种密度的玻璃重新退火后才能恢复原状。25玻璃密度的变化幅度除与压力大小有关外，还与玻璃的组成有关。在高压下，不同的玻璃组成其密度有很大差别。一般来说，含网络形成离子多的玻璃具有较大的空隙，因而在加压下密度增加较大。但含网络外体多的玻璃，由于它们填充于网络空隙中，因此加压后密度变化很小。261．5密度在生产中的应用在玻璃生产中，经常会发生一些如配合料称量不准确、料方计算错误、原料成分改变、配合料输送过程中的分层及意外因素、温度制度波动等引起的玻璃质量波动，这些都能通过玻璃密度的变化反映出来。例如沙子的含水量在3％～10％范围内波动，可导致玻璃密度产生10010-4g/cm的变化。所以，可以利用玻璃密度的变化控制生产工艺。27在实际生产中，常通过测定玻璃密度和热膨胀系数的方法来监测生产工艺过程运转是否正常，分析波动原因以指导日常的稳定生产。但必须注意：取样时必须定点、定时、定条件，否则会影响测定的正确性，从而失去可比性。28玻璃的力学性能主要包括：玻璃的脆性292.2.1玻璃的强度玻璃易脆，这是人尽皆知的。玻璃是一种脆性材料。玻璃的力学性能一般用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度等指标表示。其中抗折强度在使用上是十分重从机械性能的角度看，玻璃之所以得到广泛应用，原因之一就是它的耐热强度高、硬度高。然而，由于它的抗折强度和抗张强度不高，而且脆性较大，玻璃的应用受到一定限制。30为改善玻璃的强度，可采用多种方法，例如退火、钢化、表面处理与涂层、微晶化、与其它材料制成复合材料等方法， 这些方法都是行之有效的，有的可能使玻璃抗折强度成倍增 加，有的甚至增强十几倍以上。 玻璃的强度与组成、表面和内部的状态、温度、热处理条件 等因素有关。 这一节首先介绍玻璃的理论强度和实际强度，然后讨论断裂 过程，接着介绍强度与组成的关系，最后介绍强度的测定方 31脆性与弹性(材料力学) 在介绍玻璃理论强度和实际强度之前，我们先了解一下 “材料力学”方面的相关知识。 形变：各种材料在外力作用下，发生形状和大小的变化。 不同材料的变形行为是很不同的，如图2-1所示。 绝大多数无机材料的变形行为如图中曲线a所示，即在弹性变形后没有塑性形变(或塑性形变很小)，接着就是断裂，总弹性应变能 非常小，这是所有脆性材料的特征。 对于延性材料，如低碳钢，开始微弹性形变，接着有一段弹塑性形变，然后才断裂，总变形能很大，如图中曲线b所示。 橡皮这类高分子材料具有极大的弹性形变，如图中曲线c所示，是没有残余形变的材料，称为弹性材料。 32 应力的定义为单位面积上受到的内力。 应变是用来描述物体内部各指点之间的相对位移的。 无机材料（玻璃）在正常温度下，当应力不大时其变形时 单纯的弹性变形，应力与应变之间的关系已由实验建立， (在材料力学讲解虎克定律时应该重点介绍过了) 33虎克定律 格里菲斯裂纹理论 弹性模量E 泊松比μ 剪切模量G 因为时间关系，略过34 理论强度与实际强度 所谓材料的理论强度，就是从不同的理论角度来来 分析材料所能承受的最大应力火分离原子(离子或 分子等)所需的最小应力。其值取决于原子间的相 互作用及运动。 玻璃的理论强度可通过不同的方法进行计算，其值 约为10 10 ～1.510 10 Pa。由于晶体和无定形物质结 构的复杂性，物质的理论强度可近视地按σ th ＝xE计 其中，E为弹性模量；x为与物质结构和键型有关的常数，一般x＝0.1~0.2。按此式计算，石英玻璃的理论强度为 1.210 10 Pa。 35 材料名称 弹性模量E10 10 Pa 系数x 理论强度10 10 Pa 实际强度10 10 Pa 石英玻璃纤维 离子共价键 12.4 0.1 1.24 1.05 玻璃纤维 离子共价键 7.2 0.1 0.72 0.2~0.3 块状玻璃 离子共价键 7.2 0.1 0.72 8~15 下表2－1中列出了不同材料的弹性模量、理论强度与实际强度的数据。 36 表中可以看出，块状玻璃的实际强度较理论强度低 得多，与理论强度相差2～3个数量级。 块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃的脆 性、玻璃中存在有微裂纹(尤其是表面微裂纹)和内 部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的(由 于玻璃受到应力作用时不会产生流动，表面上的微 裂纹便急剧扩展，并且应力集中，以致破裂)。 其中表面微裂纹对玻璃强度的影响尤为重要。