玻璃的力學(xué)性能及熱學(xué)性能 高職講解

1、第五章 玻璃的力學(xué)性能 及熱學(xué)性能 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 ?5.1 玻璃的力學(xué)性能 ?5.1.1玻璃的機(jī)械強(qiáng)度 ?5.1.2 玻璃的彈性 ?5.1.3 玻璃的硬度和脆性 ?5.1.4 玻璃的密度 ?5.2玻璃的熱學(xué)性能玻璃的熱學(xué)性能 ?5.2.1 玻璃的熱膨脹系數(shù) ?5.2.2 玻璃的比熱 ?5.2.3 玻璃的導(dǎo)熱性玻璃的導(dǎo)熱性 ?5.2.4 玻璃的熱穩(wěn)定性 5.1.1.1理論強(qiáng)度與實際強(qiáng)度 ?所謂材料的理論強(qiáng)度，就是從不同理論角度來分析 材料所能承受的最大應(yīng)力或分離原子（離子或分子 等）所需的最小應(yīng)力。取決于原子間的相互作用及 熱運(yùn)動。 5.1.1 玻璃的機(jī)械強(qiáng)度玻璃的機(jī)械強(qiáng)度 th=xE E：

2、彈性模量 X：為與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和鍵型有關(guān)的常數(shù)，一般為0.10.2 E：彈性模量 ：形成單位新表面所做的功 a：每一緊鄰原子對的間距 材料名稱 鍵型 彈性模量 E/Pa 系數(shù)x 理論強(qiáng)度 /Pa 實際強(qiáng)度 /Pa 石英玻璃纖維 離子-共價鍵 12.41010 0.1 1.241010 1.051010 玻璃纖維 離子-共價鍵 7.21010 0.1 0.721010 0.20.31010 塊狀玻璃 離子-共價鍵 7.21010 0.1 0.721010 815107 氯化鈉 離子鍵 4.01010 0.06 0.241010 0.44107 有機(jī)玻璃 共價鍵 0.40.61010 0.1 0.04

3、0.06 1010 1015107 鋼 金屬鍵 201010 0.15 3.01010 0.10.21010 不同材料的彈性模量、理論強(qiáng)度與實際強(qiáng)度不同材料的彈性模量、理論強(qiáng)度與實際強(qiáng)度 ? 塊狀玻璃的實際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度相差 23個數(shù)量級。 ?原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂紋（尤其是表 面微裂紋）和內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷的存在造成應(yīng)力 集中。 5.1.1.2玻璃的斷裂力學(xué) ?斷裂力學(xué)的基本概念 ?脆性斷裂理論 假定在一個無限大的平板內(nèi)有一橢圓形裂紋，它與外力垂 直分布，長度為2c，在一定應(yīng)力的作用下，此裂紋處的彈 性應(yīng)變能為： E c? 22 ? 而同時產(chǎn)生兩個新裂口表面，相應(yīng)的表面斷裂能為：

4、c Z ?4 因而在外力作用下，裂紋得以擴(kuò)展的條件為： 得到： 這時的相當(dāng)于斷裂應(yīng)力f，則： 04 22 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? E c c d d z c ? ? 0 2 4 2 ? E c Z ? ? c E Z f ? ? ? 2 ? ?玻璃材料的缺陷及裂紋的擴(kuò)展玻璃材料的缺陷及裂紋的擴(kuò)展 ?玻璃材料由于在其表面和內(nèi)部存在著不同的雜質(zhì)、玻璃材料由于在其表面和內(nèi)部存在著不同的雜質(zhì)、 缺陷或微不均勻區(qū)，在這些區(qū)域引起應(yīng)力的集中或微不均勻區(qū)，在這些區(qū)域引起應(yīng)力的集中 導(dǎo)致導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。裂紋尖端處的應(yīng)力超過臨界的產(chǎn)生。裂紋尖端處的應(yīng)力超過臨界 應(yīng)力時，裂紋就迅速分裂，使應(yīng)力時

5、，裂紋就迅速分裂，使 玻璃斷裂。 ?玻璃斷裂過程分為兩個階段：玻璃斷裂過程分為兩個階段： ?第一階段主要是初生裂紋緩慢增長，形成斷裂表面的鏡 面部分；面部分； ?第二階段，隨著初生裂紋的增長，次生裂紋同時產(chǎn)生和 增長，在其相互相遇時形成以鏡面為中心的輻射狀碎裂增長，在其相互相遇時形成以鏡面為中心的輻射狀碎裂 條紋。條紋。 從裂紋擴(kuò)展過程中的能量平衡，推導(dǎo)出臨界裂紋應(yīng)力 c的一般式： 近似為： ?Ac E c 2 1? ? ? ? ? c E A c ? ? 5.1.1.3 影響玻璃強(qiáng)度的因素 ?化學(xué)鍵、化學(xué)組成 ?鍵強(qiáng)：橋氧，非橋氧鍵強(qiáng)不同；堿金屬、堿土金 屬鍵強(qiáng)也不同。 ?鍵數(shù)：網(wǎng)絡(luò)的疏密程

6、度。 ?化學(xué)組成：不同組成的玻璃結(jié)構(gòu)骨架不同。 ?表面微裂紋表面微裂紋 ?格里菲斯認(rèn)為玻璃破壞時是從表面微裂紋開始； ?據(jù)測定，1mm 2玻璃表面上含有300個左右的微裂紋； ?微裂紋的存在使玻璃抗張、抗折強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的 1/101/15； ?提高玻璃強(qiáng)度的兩個途徑： ?減少和消除玻璃的表面缺陷； ?使玻璃表面形成壓應(yīng)力，以克服表面微裂紋的作用。 ?微不均勻性微不均勻性 ?電鏡觀察玻璃中存在微相和微不均勻結(jié)構(gòu)； ?結(jié)構(gòu)中的微不均勻性降低了玻璃強(qiáng)度； ?原因：微相之間易生成裂紋，兩相交界面間結(jié)合力較弱， 兩相成分不同，熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生應(yīng)力。兩相成分不同，熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生應(yīng)力。 ?玻璃

7、中的宏觀、微觀缺陷玻璃中的宏觀、微觀缺陷 ?宏觀缺陷：氣泡、條紋、結(jié)石。因成分與主體玻璃不一致， 熱膨脹系數(shù)不同而造成內(nèi)應(yīng)力； ?微觀缺陷：點缺陷、局部析晶、晶界。常在宏觀缺陷的地 方集中導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。方集中導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。 ?活性介質(zhì)活性介質(zhì) ?活性介質(zhì)指水、酸、堿、某些鹽類等?；钚越橘|(zhì)指水、酸、堿、某些鹽類等。 ?活性介質(zhì)對玻璃表面的兩種作用活性介質(zhì)對玻璃表面的兩種作用 ?一是滲入裂紋像楔子一樣使裂紋擴(kuò)展； ?二是與玻璃起化學(xué)作用破壞結(jié)構(gòu)。 ?活性介質(zhì)中玻璃的強(qiáng)度降低?；钚越橘|(zhì)中玻璃的強(qiáng)度降低。 ?玻璃強(qiáng)度的測定最好在真空或液氮中進(jìn)行，以免玻璃強(qiáng)度的測定最好在真空或液氮中進(jìn)行，以免 受活性介

8、質(zhì)的影響。受活性介質(zhì)的影響。 ?溫度溫度 ?低溫和高溫對玻璃強(qiáng)度的影響是不同的； ?接近絕對零度至200，強(qiáng)度隨溫度升高而降低； ?200為強(qiáng)度最低點； ?高于200，強(qiáng)度逐漸增大。 ?玻璃中的應(yīng)力 ?玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布 不均勻的殘余應(yīng) 力，使強(qiáng)度大為降低。 ?玻璃鋼化后，表面產(chǎn)生 均勻的壓應(yīng)力，內(nèi)部形成 均勻的張應(yīng)力，機(jī)械強(qiáng)度大大提高。 ?玻璃的疲勞現(xiàn)象玻璃的疲勞現(xiàn)象 ?定義：常溫下，玻璃的破壞強(qiáng)度隨加荷速度或加荷時間 而變化。加荷速度越大或加荷時間越長，破壞強(qiáng)度越小， 短時間不會破壞的負(fù)荷，時間久了就可能破壞，這種現(xiàn) 象稱為玻璃的疲勞現(xiàn)象。 ?定義：材料在外力作用下發(fā)生變形，外力

9、去掉后能 恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。 ?表征彈性的參數(shù) ?彈性模量 E ?剪切模量 G ?泊松比 ?體積壓縮模量 K 5.1.2 玻璃的彈性 ?12 G E ?213 ? K E 5.1.2.1彈性模量與成分的關(guān)系彈性模量與成分的關(guān)系 ?E主要取決于內(nèi)部質(zhì)點間 化學(xué)鍵的強(qiáng)度，同時也與 結(jié)構(gòu)有關(guān)。質(zhì)點間化學(xué)鍵的強(qiáng)度越大，變形越小， E就越大；玻璃結(jié)構(gòu)越堅實， E也越大。 ?鍵強(qiáng)：與原子半徑和價電子數(shù)有關(guān)。 E是原子序 數(shù)的周期函數(shù)。同一族元素，隨原子序數(shù)的遞增 和原子半徑的增大， E降低。 與離子間的吸引力 呈直線關(guān)系。同一氧化 物處于高配位時E比處于低配位時高。 結(jié)論：離子半徑較大、電荷較低的離子不

10、利于提 高E，相反有利于提高 E。 2 2 a Z ?結(jié)構(gòu)：石英玻璃具有三維空間的 架狀結(jié)構(gòu)， E較 高，705.6108Pa；純B 2O3玻璃具有層狀結(jié)構(gòu)， E很低，僅175108Pa。 硼反常 硼鋁反常 結(jié)論： E的增減實質(zhì)上反映了玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變 化。 5.1.2.2 彈性模量與溫度的關(guān)系彈性模量與溫度的關(guān)系 ?大多數(shù)硅酸鹽玻璃 E隨溫度升高而降低。 ?對于石英玻璃、高硅氧玻璃、派來克斯玻璃， E與 溫度的關(guān)系出現(xiàn)反常，隨溫度升高而增加。 5.1.2.3 彈性模量與熱處理的關(guān)系彈性模量與熱處理的關(guān)系 ?淬火玻璃比退火玻璃低，一般低淬火玻璃比退火玻璃低，一般低 27%。 ?玻璃纖維（玻璃纖

11、維（774.2108Pa）比塊狀玻璃）比塊狀玻璃 （803.6108Pa）低。）低。 ?微晶化后微晶化后E增高，增高幅度主要取決于析出的主晶增高，增高幅度主要取決于析出的主晶 相的種類和性質(zhì)。相的種類和性質(zhì)。 5.1.3 玻璃的硬度和脆性 5.1.3.1 玻璃的硬度 ?硬度：固體材料抵抗另一固體深入其內(nèi)部而不產(chǎn)生 殘余形變的能力。 ?表示方法： ?莫氏硬度（劃痕法） ?顯微硬度（壓痕法） ?研磨硬度（磨損法） ?刻化硬度（刻痕法） ?一般玻璃用一般玻璃用顯微硬度表示。方法：利用金剛石正方表示。方法：利用金剛石正方 錐體以一定負(fù)荷在玻璃表面打入壓痕，測量壓痕對錐體以一定負(fù)荷在玻璃表面打入壓痕，測

12、量壓痕對 角線的長度。角線的長度。 2 854. 1 L P H ? ?玻璃的硬度主要取決于化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。一般來說：玻璃的硬度主要取決于化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。一般來說： ?網(wǎng)絡(luò)生成離子使玻璃硬度增加，網(wǎng)絡(luò)外體離子使玻璃硬 度降低。 ?硼反常、硼鋁反常、壓制效應(yīng)在硬度-組成關(guān)系中同樣存 在。 ?硬度隨陽離子的配位數(shù)的增加而增大。 ?玻璃的硬度還與溫度、熱歷史有關(guān)。玻璃的硬度還與溫度、熱歷史有關(guān)。 5.1.3.2 玻璃的脆性 ?定義：當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時，不產(chǎn)生明顯 的塑性變形而立即破裂的性質(zhì)。 ?表示方法： ?破壞時受到的沖擊強(qiáng)度 ?脆弱度玻璃抗壓強(qiáng)度與抗沖擊強(qiáng)度之比 ?脆裂負(fù)荷測定顯微硬度時

13、壓痕發(fā)生破裂時的負(fù)荷值 V Ph S ? ? S C D ? 5.1.4 玻璃的密度玻璃的密度 ?玻璃的密度主要取決于構(gòu)成玻璃 原子的質(zhì)量、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 一個標(biāo)志。 ?實際生產(chǎn)中，通過測定玻璃的密度來控制工藝過程， 借以控制玻璃成分。 5.1.4.1 玻璃密度與成分的關(guān)系 ? 不同組成玻璃密度差別很大。 ? 一般單組分玻璃的密度最小，添加網(wǎng)絡(luò)外體密度增大。 ? 玻璃中引入R2O和RO氧化物，隨離子半徑的增大，玻璃密 度增加。 ? 同一氧化物配位狀態(tài)改變，對密度也產(chǎn)生影響。 ?B2O3從BO 3到BO4密度增加； ?中間體從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)四面體RO 4轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)外八

14、面體RO6密度增加； ? 硼反常、鋁反常、硼鋁反常 5.1.4.2 玻璃密度與溫度及熱處理的關(guān)系 ?隨溫度升高，玻璃密度下降。 ?一般工業(yè)玻璃，溫度從室溫升至 1300，密度下降 約為612%。 ?玻璃從高溫狀態(tài)冷卻下來，同成分的淬火玻璃比退 火玻璃具有較低的密度。 ?在一定退火溫度下保持一定時間后，淬火玻璃和退 火玻璃的密度趨向該溫度的平衡密度?；鸩ＡУ拿芏融呄蛟摐囟鹊钠胶饷芏取??冷卻速度越快，偏離平衡密度的溫度愈高，其冷卻速度越快，偏離平衡密度的溫度愈高，其 Tg溫溫 度也愈高。 熱處理情況 d/(g/cm 3) d 成形后未退火 2.5000 0 退火較差 2.5050 0.005 退

15、火良好 2.5070 0.007 不同熱處理情況下玻璃瓶密度的變化不同熱處理情況下玻璃瓶密度的變化 5.1.4.3 玻璃密度與壓力的關(guān)系 ?一定溫度下，隨壓力的增加玻璃的密度隨之增大。 ?密度變化的幅度與加壓方法、玻璃組成、壓力大小、 加壓時間有關(guān)。 5.2.1 玻璃的熱膨脹系數(shù)玻璃的熱膨脹系數(shù) 5.2.1.1玻璃的熱膨脹 ?線膨脹系數(shù) 和體膨脹系數(shù) ? 和 之間存在近似關(guān)系： =3 ? 的測定比 簡便而精確，通常采用 討論玻璃的 熱膨脹性質(zhì)。 ?不同組成玻璃的熱膨脹系數(shù)在 5.815010-7/范 圍內(nèi)變化，非氧化物玻璃甚至超過 20010-7 /， 微晶玻璃則可獲得零膨脹或負(fù)膨脹。 ?硬質(zhì)

16、玻璃和軟質(zhì)玻璃 5.2.1.2 玻璃熱膨脹系數(shù)與成分的關(guān)系玻璃熱膨脹系數(shù)與成分的關(guān)系 ? 根本上取決于質(zhì)點間的作用力，即各種陽離子與根本上取決于質(zhì)點間的作用力，即各種陽離子與 O2-之間的鍵力f。 ?從玻璃整體結(jié)構(gòu)看，網(wǎng)絡(luò)骨架對 起著重要作用。起著重要作用。 2 2 a z f ? ?組分氧化物對組分氧化物對的影響歸納如下：的影響歸納如下： ?在比較各組成氧化物對的作用時，首先區(qū)分氧化物的種 類，即網(wǎng)絡(luò)生成體、中間體和網(wǎng)絡(luò)外體。 ?能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的組分使降低，能斷裂網(wǎng)絡(luò)的組分使上升。 ?R2O和RO的斷網(wǎng)作用是主要的，積聚作用是次要的，使 上升；而對于高鍵強(qiáng)、高配位離子積聚作用是主要的， 使下降。

17、 ?網(wǎng)絡(luò)生成體使下降，中間體有足夠“游離氧”也使下 降。 5.2.1.3 熱膨脹系數(shù)和溫度的關(guān)系 ?熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增大。 ?在Tg溫度以上，隨溫度升高顯著增大，直到軟化。 5.2.1.4 熱處理對熱膨脹系數(shù)的影響熱處理對熱膨脹系數(shù)的影響 ?熱處理對有明顯的影響，組成相同的淬火玻璃較 退火玻璃的大百分之幾。 ?退火玻璃和淬火玻璃的熱膨脹曲線。 ?在約330 以下，曲線2在曲線1之上； ?330500 之間，曲線2在曲線1之下； ?500570 之間，曲線2折向下行，玻璃不是膨脹而是收 縮； ?在570 處，兩條曲線都急轉(zhuǎn)向上，此溫度為Tg。 ?在某一溫度下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高 1所需的熱

18、量。 ?實際計算中多采用 t 1t2溫度范圍內(nèi)的平均比熱 cm 5.2.2 玻璃的比熱玻璃的比熱 dt d m c ? ? 1 12 1 ttm cm ? ? ? ?比熱與溫度的關(guān)系比熱與溫度的關(guān)系 ?同其他物質(zhì)一樣，在絕對零度時為零。 ?隨溫度升高比熱逐漸增大，在隨溫度升高比熱逐漸增大，在 轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域內(nèi)增 長較快。 ?熔融狀態(tài)下，比熱隨溫度升高逐漸增大。 ?比熱與組成的關(guān)系比熱與組成的關(guān)系 ?SiO 2、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，其余氧化物影響不大。 ?導(dǎo)熱性：物質(zhì)依靠質(zhì)點的振動將熱能傳遞至較低溫

19、 度物質(zhì)的能力。 ?物質(zhì)的導(dǎo)熱性以熱導(dǎo)率 來表示。 ?熱導(dǎo)率：溫度梯度等于 1時，單位時間內(nèi)通過試樣 單位橫截面積上的熱量。單位 W/(mK) ?熱導(dǎo)率表征物質(zhì)傳遞熱量的難易，玻璃是一種熱的 不良導(dǎo)體，其熱導(dǎo)率較低，介于0.7121.340W/(mK) 之間。 5.2.3 玻璃的導(dǎo)熱性玻璃的導(dǎo)熱性 ?熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 ?熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加。熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加。 ?熱導(dǎo)率與組成的關(guān)系 ?石英玻璃的熱導(dǎo)率最大，1.340W/(mK)； ?硼硅酸鹽玻璃的熱導(dǎo)率也很大， 1.256W/(mK)； ?普通鈉鈣硅玻璃為0.963W/(mK)； ?含有PbO和BaO 的玻璃熱導(dǎo)率較低， 0.796W/(mK)。