玻璃的性质汇总

　　玻璃是一种脆性材料，它的机械强度一般用耐压、抗折、抗张、抗冲击强度 等指标表示。玻璃具有耐压强度高，硬度高，抗折和抗张强度不高，特别是脆性 较大，使得玻璃的应用受到了一定的限制。 为了改善玻璃的机械性质，可采用多种方法，例如：退火、钢化(淬火)，表 面处理与涂层、微晶化，与其它材料制成复合材料等。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。

　　玻璃的弹性主要是指弹性模量E(即杨氏模量)，剪切模量G，泊松比μ和体积 压缩模量K。 弹性模量是表征材料应力与应变关系的物理量，是表示材料变形的抵抗力。 （1）玻璃的弹性模量与成分的关系 玻璃的弹性模量直接与其内部组成质点间化学键强度有关，键 力越强变形越小。例如石英玻璃的弹性模量相当于705.6×108Pa。 在石英玻璃中添加碱金属氧化物Na2O及K2O后弹性模量下降，但在加 入Li2O时弹性模量反而上升，这显然与加入Li2O后玻璃分子体积的 缩小有关。 各种氧化物对玻璃弹性模量的提高作用是： CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaOZnOPbO

　　大气的侵蚀实质上是水汽、CO2、SO2等作用的总和。玻璃受潮湿大气 侵蚀的过程，首先从表面开始。

　　1.玻璃表面的某些 离子吸附了空气中的 水分子，水分子以OH离子基团的形式存在 于玻璃表面。这些原 子团不断吸收水分， 形成厚达几十个分子 的薄层；

　　酒精的PH值为6.9，葡萄酒的PH值主要取决于 其酒石酸的含量，通常为2.7-3.8.

　　除氢氟酸外，一般的酸并不直接与玻璃发生作用，它是通过水的作用 侵蚀玻璃。因此，浓酸不如稀酸对玻璃的侵蚀大。

　　玻璃强度这样低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂纹(尤其是表 面微裂纹)和不均匀区(力学弱点)所引起。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。

　　影响玻璃强度的因素 化学键强度，微不均匀性、结构缺陷、微裂纹和外界条件如温度、 活性介质、疲劳等。

　　应变的存在使玻璃的弹性模量下降，因此相同组成淬火玻璃的 弹性模量较退火玻璃小，一般要低2-7%。 玻璃纤维的弹性模量要比同组成的退火玻璃为低；这是由于玻璃 纤维是在几十分之一秒的瞬间凝固而成的，例如，块状玻璃的弹性 模量E为803.6×108Pa，而同成分的玻璃纤维E仅为774.2×108Pa， 这可能解释为常温下玻璃纤维的结构在一定程度上保持了高温状态 的结构，但玻璃纤维只要在300-350C热处理若干时间后再冷却至室 温，弹性模量与块状玻璃的就相同。

　　2.在玻璃表面涂覆一层与玻璃有很好的亲和力，但是与侵蚀介质反应活性较低 的物质。通常是涂覆有机化合物来提高玻璃的抗蚀性。比如硅有机化合物可以显著 提高玻璃的抗水性和抗酸性。也可以采用氟化物、氧化物和金属等进行无机涂膜。

　　玻璃的化学稳定性随温度的升高而剧烈变化。在100℃以下，温度每升高1 ℃， 介质对玻璃的侵蚀速度就增加50-150%。100 ℃以上时，侵蚀作用始终是显著的。只 有含锆多的玻璃才是稳定的。 压力对玻璃的化学稳定性影响也很大。当压力提高到29.4~98×108 pa （标准大 气压是1.01×105pa）时，比较稳定的玻璃也可以在短时间内剧烈地被破坏，同时会 有大量的氧化硅进入溶液中。高压水位计玻璃受侵蚀的现象，就是典型代表。

　　水侵蚀的产物---金属氢氧化物，受到酸的中和，起着两种相反的效果： 一是使玻璃和水溶液之间的离子交换反应加速进行，从而增加玻璃的失重； 二是降低溶液的pH值，使Si(OH)4的溶解度减小，从而减少玻璃的失重。 当玻璃中R2O含量较高时，前一种效果是主要的； 反之，当玻璃含SiO2较高时，则后一种效果是主要的。 就是说，高碱玻璃的耐酸性耐水性；而高硅玻璃的耐酸性耐水性。

　　玻璃在微晶化后弹性模量增高。对不同组成的L2O-K2O-Al2O3-SiO2系统玻璃， 以Au为成核剂诱导析晶后，其弹性模量普遍增高，其值可达10%左右随组成而有不 同，当A12O3含量为7%时出现最高值。

　　2.如果Na2O、CaO等碱性氧化物含量较少，这些薄层形成后就不再发展；如 果碱性氧化物含量较多，被吸附的水膜就变成了氢氧化物的溶液，并进一步 吸收水分，使玻璃表面受到破坏。

　　玻璃的化学稳定性主要取决于玻璃的化学成分，而热处理、表面处理等 对化学稳定性也有一定的影响。 （一）化学组成的影响

　　（1）碱金属氧化物含量越高，硅氧四面体的连接程度越差，表现为化学稳定 性越差； （2）在硼硅酸盐玻璃中，少量Li2O的存在，可以减弱分相的作用，加强网络 连接，提高化学稳定性；但是，当Li2O含量较高时，又由于积聚作用，促使分相加 剧，导致化学稳定性下降；

　　介质对玻璃的侵蚀首先从玻璃表面开始。 通常可以用表面处理的方法改变玻璃的表面状态，达到提高化学稳定性的目的。 方法主要有两大类： 1.从玻璃表面移除对侵蚀介质具有亲和力的成分，如碱金属氧化物。通常采用 酸性气体、水和酸性溶液等来进行处理，使玻璃表面生成一定厚度的高硅氧膜，以 提高化学稳定性。

　　按照Orowan估算玻璃的理论强度可以近似地表示为： σn ≈0.2E E—弹性模量当，E=58.8GPa时，玻璃的理论抗折强度等于11.76GPa。表面 上无严重缺陷的玻璃纤维，其平均强度可达686Mpa，理论强度的1/2；窗玻璃和 瓶罐玻璃的实际抗折强度6.86Mpa，与理论强度相差2~3个数量级。

　　（4）硼反常现象。[BO4]可以加强网络，提高化学稳定性；而[BO3]却会促使 水溶度上升，导致化学稳定性下降；

　　（5）[AlO4]的存在，可以对硅氧网络起修补的作用，提高玻璃的耐水性；但是当 [AlO4]含量较高时，由于其体积比[SiO4]大，因而使网络紧密程度下降，玻璃的化学稳 定性随之下降； （6）以二价、三价、四价的氧化物取代Na2O时，可以显著提高玻璃的化学稳定性。

　　硅酸盐玻璃耐酸、不耐碱。 碱对玻璃的侵蚀是通过OH-离子破坏硅氧骨架，使SiO2溶解在溶液中。在侵蚀的过 程中，会出现玻璃表面层脱落的现象。 玻璃受碱的侵蚀共分三个阶段： 一.碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面上； 二.阳离子在吸附玻璃表面的同时，也有束缚周围OH-离子的作用。并且随着周围 OH-浓度的升高，对于硅氧键的攻击和断裂表面键的作用越来越明显； 三.硅氧骨架被破坏后，与吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱 溶液中。 由此，加剧了玻璃的侵蚀。

　　硅酸盐玻璃在水中的溶解过程比较复杂。水对玻璃的侵蚀开始于水中的H和玻璃 中的Na离子进行交换。 随着水化反应的进行，Si原子周围的四个桥氧原子全部成为OH，这就是水分子 对硅氧骨架的直接破坏。 但是，当玻璃中含有Ca2等其他较大半径的离子存在时，能够极大地阻碍Na离 子的扩散，从而在很大程度上阻止了水对玻璃的侵蚀。

　　在退火处理的过程中，玻璃当中的碱性氧化物要转移到表面。 当酸性气体（比如SO2）存在的条件下,部分碱性氧化物会被酸性气体中和，而形成 “白霜”（主要为硫酸钠），通常称为“硫霜化”。这部分白霜可以阻止碱性氧化物 的继续逸出，并且容易被除掉，因此提高了玻璃的化学稳定性。

　　但是，当在没有酸性气体存在的条件下，碱性氧化物在玻璃表面大量富集，就会降 低玻璃的化学稳定性。

　　玻璃制品在使用过程中要受到水、酸、碱、盐类、气体及其它化学试 剂溶液的侵蚀，玻璃对这些侵蚀的抵抗能力叫做化学稳定性。

　　玻璃的化学稳定性决定于侵蚀介质(水、酸、碱、大气等)的种类和特性 以及玻璃的抗蚀能力。 侵蚀时的温度、压力等也有一定的影响。玻璃对于不同介质的抗侵蚀能 力是不同的。

　　大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降。这是由于离 子间距离增大，相互作用力降低，从而弹性模量也随着降低。此外， 高温时质点热运动动能的增加也是一个原因。 但是，对于石英玻璃、高硅氧玻璃和派来克斯玻璃由于其膨胀系数小，当温度 升高时，其弹性模量反而增加。

　　（三）玻璃的硬度和脆性 硬度是表示物体抵抗其他物体侵入的能力。硬度的表示方法有： 莫氏硬度(划痕法)，显微硬度(压痕法)、研磨硬度(磨损法)和刻划硬 度(刻痕法)等等。 玻璃的硬度决定于化学成分,石英玻璃和含有10-12%的B2O3的硼硅酸盐玻璃硬度 最大，多铅的或碱性氧化物的玻璃硬度较小。各种氧化物组份对玻璃硬度提高的作 用大致是： SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO 一般玻璃硬度值在莫氏硬度5-7之间。 玻璃的脆性 玻璃的脆性，是指当负荷超过玻璃的极限强度时，立即破裂 的特性。玻璃没有屈服延伸阶段，特别是在受到突然施加的负荷 (冲击)时，玻璃内部的质点来不及作出适应性的流动，就相互分 裂。松弛速度低是脆性的重要原因。 玻璃的脆性通常用它破坏时所受到的冲击强度来表示。

　　实践证明，对于玻璃来讲，水气比溶液对其侵蚀更大。 水溶液对玻璃的侵蚀是由于玻璃中的Na与溶液中H的交换，当表面层 中Na逐渐减少后，使侵蚀变得缓慢，最后趋于停止。 但是，水气是以微粒水滴粘附在玻璃表面的。释放出的碱没有被移走， 而是在不断积累。随着侵蚀的进行，碱浓度越来越大，使PH值上升，最后 类似于碱，从而大大加速对玻璃的侵蚀。 因此，水气对玻璃的侵蚀，先是以离子交换为主的释碱过程，后来逐 步过渡到以破坏网络结构为主的溶蚀过程。

　　在钠硼硅酸盐玻璃中，退火过程中会发生分相。形成富钠硼相和富硅氧相。 分相后，如果形成孤岛滴状结构：即富钠硼相被SiO2相包围，使富钠硼相免受 介质的侵蚀，从而提高玻璃的化学稳定性。 但是，如果形成两相连通的结构，则会大大降低玻璃的化学稳定性。因为富 钠硼相容易被介质所侵蚀。