第四章玻璃的性質(zhì)

1、玻玻璃璃工工藝藝學(xué)學(xué)葉葉巧巧明明教教授授第第四四章章 玻璃的性質(zhì)3(一一)玻璃玻璃的粘度的粘度粘度的物理意義粘度的物理意義v 粘度是液體的一種性質(zhì)，表示液體一部分對(duì)另一部分作相粘度是液體的一種性質(zhì)，表示液體一部分對(duì)另一部分作相對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力。對(duì)移動(dòng)時(shí)的阻力。v 設(shè)設(shè)有兩平行液層接觸面，當(dāng)上液層以恒速向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，有兩平行液層接觸面，當(dāng)上液層以恒速向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于液體間的內(nèi)摩擦，將帶動(dòng)下液面以速度梯度由于液體間的內(nèi)摩擦，將帶動(dòng)下液面以速度梯度dvdx向向前移動(dòng)，這時(shí)兩液層間具有的內(nèi)摩擦力前移動(dòng)，這時(shí)兩液層間具有的內(nèi)摩擦力f為：為： fsdvdx 式中：式中：熔體的粘度或粘滯系數(shù)熔體的粘度或粘滯系數(shù)

2、 s兩平行液層間的接觸面積（即界面積）兩平行液層間的接觸面積（即界面積） dvdx速度梯度，即單位距離上的速度變化速度梯度，即單位距離上的速度變化 單位：帕單位：帕斯卡斯卡秒（秒（Pas），1帕帕秒秒10分帕分帕秒秒（泊泊） 粘度的影響貫穿于玻璃生產(chǎn)的全過(guò)程。粘度的影響貫穿于玻璃生產(chǎn)的全過(guò)程。v熔熔化：化：石英砂的熔化包括表面溶解和擴(kuò)散，粘度小利于擴(kuò)散。v澄清：氣泡上升速度與粘度成反比。v均化：實(shí)際是質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散，粘度小有利。v成形：在成形過(guò)程，粘度的掌握是一個(gè)關(guān)鍵，不在成形過(guò)程，粘度的掌握是一個(gè)關(guān)鍵，不同的成形方法要求不同的粘度和料性。同的成形方法要求不同的粘度和料性。v退火：在 =1011.

3、51013帕 秒內(nèi)通過(guò)粘滯流動(dòng)消除應(yīng)力。v制品的制品的熱處理熱處理 粘度在顯色、分相、微晶化、燒結(jié)、鋼化等粘度在顯色、分相、微晶化、燒結(jié)、鋼化等熱加工和熱處理過(guò)程中熱加工和熱處理過(guò)程中也也是一個(gè)重要影響因素。是一個(gè)重要影響因素。 2粘度的工藝意義粘度的工藝意義vT的關(guān)系 如右圖可見(jiàn)： 玻璃的隨T而 從玻璃液到固態(tài)玻璃的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，粘度變化是連續(xù)的，沒(méi)有數(shù)值上的突變。v玻璃的料性 2粘度和溫度的關(guān)系粘度和溫度的關(guān)系料性：料性：玻璃隨溫度變化粘度變化的速率，或粘度玻璃隨溫度變化粘度變化的速率，或粘度隨溫度變化的速率。隨溫度變化的速率。 用用 d /dT 表示料性表示料性 d /dT 大即料性大即料

4、性短短（B）曲線較陡）曲線較陡 d /dT 小即料性小即料性長(zhǎng)長(zhǎng)（A）曲線較平緩）曲線較平緩v粘度與溫度的量化關(guān)系波爾茲曼公式 =A eu/KT （4-1） =1/ =A eu/KT （4-2）式中：流動(dòng)度， u質(zhì)點(diǎn)粘程活化能， A與組成有關(guān)的常數(shù)， K波爾茲曼常數(shù) T絕對(duì)溫度 將式（4-2）取對(duì)數(shù)，寫(xiě)成以10為底對(duì)數(shù)的形式，即為： loglogA（u/ KT）loge 簡(jiǎn)化為： lgT （u是常數(shù)時(shí)） （4-3） = LgA = (u/K) Lge 由此可見(jiàn)，lg與1T成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。高溫 熔體基本無(wú)聚合，低溫 聚合趨于完畢， u都為常數(shù)。bc中溫段 冷卻時(shí)不斷發(fā)生聚合， u隨溫度變化較大

5、（增大），故此段為非線性關(guān)系。E=180300550KJ/mol0.50 0.75 1.00 1.25(1/T)Log(dPa.s)151050鈉鈣硅酸鹽玻璃的鈉鈣硅酸鹽玻璃的Log1/T關(guān)系曲線關(guān)系曲線bc 粘滯活化能（粘滯活化能（u）是溫度的函數(shù)，其關(guān)系式為）是溫度的函數(shù)，其關(guān)系式為ubT，u與鍵強(qiáng)成正比，與鍵強(qiáng)成正比， 與絕對(duì)溫度成反比，與絕對(duì)溫度成反比，將上式代入（將上式代入（4-3）得：）得： lgabT2 (4-4） 式中：式中：bbK lge 注意：式（注意：式（4-3）式（）式（4-4）都是近似公式。）都是近似公式。富爾切爾（富爾切爾（Fulcher）公式）公式 logAB（T

6、-T0） （4-7） 式中：A、B常數(shù)， T0溫度常數(shù) T絕對(duì)溫度其它其它 3粘度和粘度和熔體熔體的關(guān)系的關(guān)系v組成 R+斷網(wǎng)聚合度n 熔體自由體積 R2+ 高溫解聚（斷網(wǎng)） ， 低溫積聚，n 高場(chǎng)強(qiáng)離子 積聚作用很強(qiáng)，n v溫度溫度 溫度高溫度高時(shí)，熔體的空隙較多較大，時(shí)，熔體的空隙較多較大，有利于小型四面體群的穿插移動(dòng)，表現(xiàn)有利于小型四面體群的穿插移動(dòng)，表現(xiàn)為為粘度下降粘度下降。 溫度下降溫度下降時(shí)，自由體積變小，四面體時(shí)，自由體積變小，四面體群移動(dòng)受阻，而且小型四面體群聚合為群移動(dòng)受阻，而且小型四面體群聚合為大型四面體群，網(wǎng)絡(luò)連接程度變大，表大型四面體群，網(wǎng)絡(luò)連接程度變大，表現(xiàn)為現(xiàn)為粘度

7、上升粘度上升。 在在g-f間，粘度隨溫度的變化非常間，粘度隨溫度的變化非常急劇。急劇。 玻璃成分與粘度之間存在復(fù)雜的關(guān)系，一般可以從氧硅比離子極化鍵強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性配位數(shù)等方面來(lái)分析。v氧硅比 O/Si表現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接程度。 O/Si大時(shí) Onb多，聚合度n低，較小。 O/Si小時(shí) Onb少，聚合度n高，較大。 其他陰離子硅對(duì)粘度也有顯著作用。 如水H2O一般以O(shè)H-狀態(tài)存在，使玻璃中的陰離子與硅的比值增大，降低玻璃粘度。 又如，當(dāng)玻璃中以氟化物取代氧化物時(shí)（如以CaF2取代CaO）， 由于陰離子與硅比值增大，粘度下降。4玻璃組成對(duì)粘度的作用玻璃組成對(duì)粘度的作用v化學(xué)鍵的強(qiáng)度化學(xué)鍵的強(qiáng)度 總趨勢(shì)：總

8、趨勢(shì)：在其它條件相同的前提下，粘度隨陽(yáng)在其它條件相同的前提下，粘度隨陽(yáng)離子與氧的鍵力增大而增大。離子與氧的鍵力增大而增大。例1：R+對(duì)R2OSiO2熔體粘度的影響隨R2O含量，體系粘度當(dāng)當(dāng)OSi低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接好，低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)連接好，對(duì)粘度起主要作用的是四面體對(duì)粘度起主要作用的是四面體SiO4之間的鍵力之間的鍵力R-O鍵的鍵力順序：鍵的鍵力順序： Li+-ONa+-OK+-O，所以對(duì)所以對(duì)Si-O鍵的削弱作用為：鍵的削弱作用為： Li+Na+K+故熔體粘度為：故熔體粘度為： LiNaK當(dāng)當(dāng)OSi很高很高時(shí)，時(shí)， 此時(shí)SiO4之間連接已接近島狀，孤立SiO4 很大程度上依靠堿金屬離子相連。再引入R2

9、O，鍵力最大的鍵力最大的Li+具具有最高的粘度，有最高的粘度，即：即：LiNaK例例2 R2對(duì)粘度作用 100806040200 0.50 1.00 1.50 2.00(P)SiMgZnNiCaSrBa PbCa Cu MnCd 堿土金屬氧化物對(duì)粘度的影響較為復(fù)雜。堿土金屬氧化物對(duì)粘度的影響較為復(fù)雜。 一方面：一方面：與與R+一樣，能使復(fù)合離子團(tuán)離解而引一樣，能使復(fù)合離子團(tuán)離解而引起起粘度減小粘度減?。ǜ邷貢r(shí)起主要作用）；（高溫時(shí)起主要作用）； 另一方面：另一方面：由于由于R2+電價(jià)較高，離子半徑又不大電價(jià)較高，離子半徑又不大，故鍵力較，故鍵力較R+大，可能奪取原來(lái)復(fù)合硅氧離子大，可能奪取原來(lái)

10、復(fù)合硅氧離子團(tuán)中氧離子來(lái)包圍自己，使團(tuán)中氧離子來(lái)包圍自己，使粘度增大粘度增大（低溫時(shí)起（低溫時(shí)起主要作用）。主要作用）。 降低粘度的能力：降低粘度的能力： Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+ CaO高溫降粘度，低溫升粘度。（高溫降粘度，低溫升粘度。（ZnO也類(lèi)似）也類(lèi)似） 例例3：中間體氧化物以四面體存在中間體氧化物以四面體存在，取代取代SiO2后，后，熔體粘度的變化也決定于熔體粘度的變化也決定于R-O鍵力的大小。鍵力的大小。所以有：所以有： Al2O3Ga2O3和和 SiO2GeO2 v離子的極化離子的極化陽(yáng)離子極化力大，減弱硅氧鍵的作用強(qiáng)，使降低。非惰性氣體型陽(yáng)離子極化力 惰性氣體型 非惰性

11、氣體型陽(yáng)離子，由于電子層結(jié)構(gòu)不對(duì)非惰性氣體型陽(yáng)離子，由于電子層結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，在高溫時(shí)容易在結(jié)構(gòu)中形成缺陷或不對(duì)稱(chēng)中稱(chēng)，在高溫時(shí)容易在結(jié)構(gòu)中形成缺陷或不對(duì)稱(chēng)中心，因而導(dǎo)致粘度下降，對(duì)高溫粘度表現(xiàn)特別明心，因而導(dǎo)致粘度下降，對(duì)高溫粘度表現(xiàn)特別明顯顯。因此因此PbO 在整個(gè)溫度范圍都有很大的粘度在整個(gè)溫度范圍都有很大的粘度降低作用。降低作用。 如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。v結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性 結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性好，則結(jié)構(gòu)缺陷較少，粘度較大。 如如B2O3、為硼氧三角體，為硼氧三角體，P2O5的的為帶雙鍵氧為帶雙鍵氧的四面體，的四面體，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性都不如結(jié)構(gòu)對(duì)

12、稱(chēng)性都不如SiO2，所以他們的，所以他們的粘度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英玻璃。粘度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英玻璃。0 8 16 24 32 B2O3(%)15141312111016Na2O xB2O3 (84-x)SiO2系統(tǒng)系統(tǒng)v配位數(shù)配位數(shù) 配位狀態(tài)對(duì)粘度有顯著影響配位狀態(tài)對(duì)粘度有顯著影響粘度有硼反?，F(xiàn)象粘度有硼反?，F(xiàn)象。電荷相同時(shí)N越大越大。如 In2O3(N=6) Al2O3 (N=4) ZrO2 (N=8) TiO2 (N=6) GeO2 (N=4) v小結(jié) SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度。堿金屬氧化物降低粘度堿土金屬氧化物對(duì)粘度的影響復(fù)雜。 增加粘度的順序Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+PbO

13、、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低溫粘度，降低高溫粘度的作用。v（1）定義）定義 作用在單位長(zhǎng)度液體表面使之收縮的力。 或： 玻璃與另一相接觸的相界面上，在恒溫、恒容下增加一個(gè)單位表面所作的功。 單位：N/m 或 J/m21000C以上，玻璃熔體 =22038010-3 N/m20 C 水 =7810-3 N/m(二二)玻璃的表面張力和表面性質(zhì)玻璃的表面張力和表面性質(zhì)1.玻璃表面張力的物理與工藝意義玻璃表面張力的物理與工藝意義v（2）表面張力的工藝意義）表面張力的工藝意義 表面張力在玻璃的澄清、均化、成形、玻表面張力在玻璃的澄清、均化、成形、玻璃液與

14、耐火材料相互作用等過(guò)程中趁著十分重璃液與耐火材料相互作用等過(guò)程中趁著十分重要的作用。要的作用。澄清 大，氣泡長(zhǎng)大難，澄清難。均化 大時(shí)，力求成球，均化難。成型 拉邊器 自拋光熱加工 燒口 火拋光2.影響玻璃表面張力的因素影響玻璃表面張力的因素（1）玻璃組成對(duì)表面張力的影響）玻璃組成對(duì)表面張力的影響 質(zhì)點(diǎn)間作用力越大，表面張力越大，凡影響質(zhì)點(diǎn)間作用力的因素，都將影響表面張力的大小。vR2O 對(duì)于對(duì)于R2O-SiO2系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)，隨著R+半徑半徑，依次依次即Li Na K 由右圖可知: Li2O使， Na2O對(duì)無(wú)明顯影響， K2O使。 R2O mol%N/m 103320280240200Li2

15、ONa2OK2O(R2O-SiO2 1300 C)vRO 作用類(lèi)似于R2O。 MgO CaO SrO BaO 因場(chǎng)強(qiáng)較大，故MgO、CaO、ZnO等使； BeO可形成BeO4進(jìn)入結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，形成大陰離子團(tuán)，； PbO極化率大，易作定向排列，可。vR2O3 Al2O3、La2O3使， B2O3使。 B2O3降，可能因?yàn)楸砻娑酁锽O3而內(nèi)部為BO4 v陰離子F- （如CaF2)、SO42-(如芒硝) 、Cl -（如NaCl）， 能顯著 這些化合物均有利于玻璃的澄清與均化。v組成氧化物分類(lèi)非表面活性組分 符合加和法則中間性質(zhì)組分難熔表面活性強(qiáng)組分不符合加和法則不符合加和法則v多數(shù)玻璃多數(shù)玻璃 T，在特

16、定溫度范圍內(nèi)： = 0（1 bT） 在溫變過(guò)程中不發(fā)生締合或解聚的液體在一定范圍內(nèi)為直線關(guān)系。在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域，在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域，發(fā)生急速變化。v個(gè)別情況個(gè)別情況 如PbO隨T，。 一般含表面活性物質(zhì)的系統(tǒng)均有與此相似的行為。（2）溫度對(duì)表面張力的影響）溫度對(duì)表面張力的影響 Tv干燥非極性氣體干燥非極性氣體 如：如：N2、H2、He等等 影響小影響小v極性氣體極性氣體 如：水蒸汽、如：水蒸汽、SO2、NH3、HCl等等 使使（3）玻璃表面張力與氣體的關(guān)系）玻璃表面張力與氣體的關(guān)系3.玻璃的潤(rùn)濕能力與潤(rùn)濕角玻璃的潤(rùn)濕能力與潤(rùn)濕角 sl lg sgv概念概念sg固-氣界面的表面張力；lg液-氣界面的表

17、面張力；sl 固-液界面的表面張力；潤(rùn)濕角。v三力平衡時(shí) sg= lgcos + sl =0，完全浸潤(rùn)；90，潤(rùn)濕； 90，不潤(rùn)濕；=180，完全不浸潤(rùn)。 v小有利于封接v影響玻璃表面潤(rùn)濕性的因素影響玻璃表面潤(rùn)濕性的因素 凡是影響表面張力的因素，也要影響潤(rùn)濕角。凡是影響表面張力的因素，也要影響潤(rùn)濕角。氣體介質(zhì)氣體介質(zhì) 在氧氣、空氣介質(zhì)中好，潤(rùn)濕好（ 小）； 一般純金屬，不被玻璃潤(rùn)濕；金屬表面氧化形成的表面氧化膜可促進(jìn)潤(rùn)濕作用。 潤(rùn)濕過(guò)程與固體表面的氧化程度有關(guān)，形成低價(jià)氧化物，則潤(rùn)濕性好。溫度溫度 T，即潤(rùn)濕性?；瘜W(xué)組成化學(xué)組成 基本類(lèi)似于表面張力，基本類(lèi)似于表面張力，同價(jià)離子r小 潤(rùn)濕性好，

18、如如 KNaLi。vSiO2玻璃一般表面結(jié)構(gòu) 每個(gè)陽(yáng)離子周?chē)难蹼x子數(shù)目不滿(mǎn)足形成了表面力，即表面自由能玻璃的表面張力、表面吸濕性等性能，并賦予玻璃表面較大的活潑性vSiO2玻璃新鮮斷面結(jié)構(gòu) 有斷鍵 與H2O反應(yīng)生成 Si OH （硅羥團(tuán)） 4.玻璃的表面性質(zhì)玻璃的表面性質(zhì)（1）玻璃表面結(jié)構(gòu)和表面成分）玻璃表面結(jié)構(gòu)和表面成分 SiOSi SiO + Si進(jìn)一步吸附水v硅酸鹽玻璃表面結(jié)構(gòu)硅酸鹽玻璃表面結(jié)構(gòu)若含P、B、Al、同樣會(huì)水化，生成POH、BOH團(tuán)、AlOH團(tuán)等對(duì)于含堿玻璃，R-O鍵也會(huì)斷 Si-O-R+H2OSiOH+ROH 由于H+半徑小于R+，交換后產(chǎn)生張應(yīng)力，會(huì)使表面出面微裂紋HH

19、O OSi Si H HOSi-O-H若ROH被沖去，則表面比內(nèi)部缺少R+R2O和和B2O3易在熱加工過(guò)程中揮發(fā)失去，也使易在熱加工過(guò)程中揮發(fā)失去，也使表面比內(nèi)部缺少R+，造成表面缺陷表面的SiOH可吸附各種氣體 因此，玻璃表面反應(yīng)的結(jié)果是生成了SiOH，并造成了R2O的損失。（2）玻璃表面性質(zhì)）玻璃表面性質(zhì)v強(qiáng)度： 表面微裂紋使強(qiáng)度。H+取代R+使表面產(chǎn)生張應(yīng)力，常會(huì)產(chǎn)生微裂紋。 玻璃的強(qiáng)度主要是表面強(qiáng)度，因此去除表面缺陷和強(qiáng)化表面結(jié)構(gòu)的措施都可提高玻璃的強(qiáng)度。 v表面析晶能力強(qiáng)BBAABADrDrDDnDD（3）玻璃的表面反應(yīng)）玻璃的表面反應(yīng)v離子交換現(xiàn)象：玻璃表面發(fā)霉、表面著色、玻璃的化

20、學(xué)鋼化、玻璃鍍膜等原因：在玻璃表面涂覆的某些鹽類(lèi)或浸在某些鹽類(lèi)熔融物中加熱，玻璃中的某些離子就會(huì)同熔鹽的離子相互交換機(jī)理：屬互擴(kuò)散反應(yīng) A+ (玻璃)+B+ (熔鹽)=B+ (玻璃)+A+(熔鹽) 是介于DA和DB之間的數(shù)值。 工業(yè)上常用大半徑陽(yáng)離子交換半徑小的工業(yè)上常用大半徑陽(yáng)離子交換半徑小的陽(yáng)離子，使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。陽(yáng)離子，使玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。影響壓應(yīng)力因素：v r比 v交換程度v 的變化v表面結(jié)構(gòu)重組產(chǎn)生的應(yīng)力松弛v壓應(yīng)力層的厚度（3050微米）v表面吸附表面吸附物理吸附物理吸附 壓力越大吸附量越多。(H2、N2、O2、CO2)化學(xué)吸附 通過(guò)共有原子或離子實(shí)現(xiàn)。v玻璃的力學(xué)性質(zhì)包括

21、機(jī)械強(qiáng)度、彈性、硬度等。玻璃的力學(xué)性質(zhì)包括機(jī)械強(qiáng)度、彈性、硬度等。v概述定義 ：玻璃在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去除后能恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)。包括：彈性模量、剪切模量、泊松比、體積壓縮模量。彈性模量 ：表示材料抵抗變形的能力。(三三)玻璃玻璃的力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)1.玻璃玻璃的的彈性彈性v 影響玻璃彈性模量的因素 組成 熱處理 溫度（1）組成 主要考察二方面：主要考察二方面：化學(xué)鍵強(qiáng)：化學(xué)鍵強(qiáng)：質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵越強(qiáng)，變形越小，E越大；質(zhì)點(diǎn)堆積的緊密程度：堆積緊密度高，E大。同族氧化物，隨同族氧化物，隨r ，E R2O使E減小，但Li2O使玻璃分子體積縮小而使E提高同周期氧化物，隨電荷數(shù)同周期氧化物，隨

22、電荷數(shù)Z ，E 半徑小，極化力大的離子使半徑小，極化力大的離子使E 如Li+、Be2+、Ti4+、Zr4+等 反之，大半徑，小Z的陽(yáng)離子氧化物不利于提高E。配位數(shù)的影響，配位數(shù)高的配位數(shù)的影響，配位數(shù)高的E大大如在硅酸鹽玻璃中引入Al2O3，使E 有硼反常（如右圖）硼鋁反常（鋁硼硅酸鹽） 當(dāng) 1時(shí) ， BO4、AlO4，E 當(dāng) 0 1 時(shí)， BO4、BO3、AlO4，E 當(dāng) 0 時(shí) ， BO3、AlO6、AlO4，E EB2O3%15(Na2OAl2O3)B2O3= （2）熱處理淬火玻璃E退火玻璃E 約27%玻纖EB2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O

23、PbO2.玻璃玻璃的硬度的硬度和脆性和脆性v脆性（1）定義：當(dāng)負(fù)荷超過(guò)玻璃的極限強(qiáng)度時(shí)立即破裂的現(xiàn)象。（2）表示方法 玻璃破壞時(shí)受到的沖擊強(qiáng)度表示。（3）影響因素R+、R2+使脆性增大，且隨其半徑增大而上升。B3+處于三角體時(shí)脆性較小。引入小半徑陽(yáng)離子，有利于獲得硬度大脆性小的玻璃引入小半徑陽(yáng)離子，有利于獲得硬度大脆性小的玻璃耐沖擊強(qiáng)度越隨試樣厚度的增加而增加。淬火試樣耐沖擊強(qiáng)度比退火樣大57倍。v定義：指玻璃抵抗外來(lái)負(fù)荷作用的能力。v表示方法 抗張強(qiáng)度：抗張應(yīng)力（拉伸應(yīng)力）的能力。 抗壓強(qiáng)度：受壓應(yīng)力作用破壞時(shí)的極限應(yīng)力。 抗折(彎)強(qiáng)度：受的最大彎曲載荷 （彎曲力矩/阻力矩） 抗沖擊強(qiáng)度：

24、受動(dòng)態(tài)載荷能力。 3.玻璃玻璃的機(jī)械強(qiáng)度的機(jī)械強(qiáng)度v影響玻璃強(qiáng)度的因素（1）表面狀態(tài) 表面微裂紋使玻璃的抗張、抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低1/101/15。（2）玻璃組成 鍵強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)緊密則強(qiáng)度高。 可提高強(qiáng)度的有CaO、BaO、B2O3 (15%)、Al2O3、ZnO等。（3）微不均勻性 玻璃中存在微不均勻相時(shí)，易形成微裂紋，降低強(qiáng)度。（4）玻璃中的缺陷 宏觀缺陷（氣泡、結(jié)石、結(jié)瘤） 微觀缺陷（分相、析晶、點(diǎn)缺陷等） 缺陷界面處有應(yīng)力，形成微裂紋，嚴(yán)重影響強(qiáng)度。（5）活性介質(zhì)（極性物質(zhì)，如水、酸、堿及某些鹽類(lèi)）作用：使玻璃強(qiáng)度降低破壞途徑： 滲入裂紋使裂紋擴(kuò)展 與玻璃起化學(xué)反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)破壞。 水可大

25、大降低f。 干空氣、非極性物質(zhì)、憎水性有機(jī)硅對(duì)f影響小。（6）殘余應(yīng)力 非均勻分布的應(yīng)力使強(qiáng)度大大降低。 表面為壓應(yīng)力，且應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度提高，如鋼化玻璃。200 C Tf（7）溫度）溫度200 C，T ，塑性變形塑性變形可能性可能性T ，f 。（8）玻璃的疲勞現(xiàn)象： 玻璃長(zhǎng)時(shí)間在交變載荷的作用下，在遠(yuǎn)低于其極限應(yīng)力的情況下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。 加荷速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度越小。： 裂紋尖端在集中的應(yīng)力作用下加快了與水分的作用，而水分溶解了一部分玻璃，從而延長(zhǎng)裂紋，達(dá)到臨界長(zhǎng)度就發(fā)生斷裂。 只有水分存在時(shí)才有疲勞現(xiàn)象。真空則無(wú)。 溫度較低時(shí)無(wú)（反應(yīng)速度慢），溫度升高疲勞現(xiàn)象加劇。v玻璃增強(qiáng)

26、物理鋼化（淬火） 使玻璃表面產(chǎn)生均勻分布的壓應(yīng)力層?；瘜W(xué)鋼化 r大離子取代r小離子貼層玻璃 在玻璃表面貼一層低的物質(zhì)（陶瓷釉）火拋光 使玻璃表面?zhèn)?、裂紋彌合。覆蓋硅有機(jī)化合物 放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通過(guò)水解在玻璃表面形成SiO2膜。 使微裂紋彌合，形成壓應(yīng)力層。玻璃熱膨脹系數(shù)波動(dòng)范圍較大：玻璃熱膨脹系數(shù)波動(dòng)范圍較大：5.8 10-7150 10-7/ C一般鈉鈣硅玻璃為一般鈉鈣硅玻璃為：80100 10-7/ Cv組成對(duì)組成對(duì) 的影響的影響質(zhì)點(diǎn)間的鍵力質(zhì)點(diǎn)間的鍵力 反映了網(wǎng)絡(luò)的緊密程度（完整性和鍵力強(qiáng)弱）反映了網(wǎng)絡(luò)的緊密程度（完整性和鍵力強(qiáng)弱），陽(yáng)離子與氧離子之間的鍵力（陽(yáng)離子與氧

27、離子之間的鍵力（f=2Z/a2）越大，）越大，膨脹系數(shù)越小。膨脹系數(shù)越小。 增大增大 的能力的能力： Li+Na+K+Tg導(dǎo)電性提高很快，熔融良導(dǎo)體。v離子導(dǎo)電 一般硅酸鹽玻璃為離子導(dǎo)電 載流子：陽(yáng)離子，主要為堿金屬離子（Na+ K+） v電子導(dǎo)電（1）表面電子導(dǎo)電 （2）體積電子導(dǎo)電(五五)玻璃玻璃的電學(xué)性質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)1.玻璃的玻璃的導(dǎo)電性導(dǎo)電性（1）導(dǎo)電機(jī)理）導(dǎo)電機(jī)理 組成的影響vR2O遷移性好，對(duì)電導(dǎo)率影響最大。R+電阻率排序： K+Na+Li+ 如：石英玻璃加0.04ppm的Na+時(shí)由1017降為1013歐姆/厘米混合堿效應(yīng) 同時(shí)存在兩種以上堿金屬離子時(shí)，電阻率出現(xiàn)電大值。如圖4-30

28、 *T 效應(yīng)減弱 *加入第三種堿，效應(yīng)明顯。 *總的堿含量越低，效應(yīng)越不明顯 *Fe2O3的影響(wt%)，2%6%影響小 ，6%12%使效應(yīng)減弱,12%16%效應(yīng)消失。(2)影響電導(dǎo)率的因素影響電導(dǎo)率的因素vRO無(wú)堿玻璃中參與導(dǎo)電 與R2O類(lèi)似，隨RO含量，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率普通玻璃中使電阻增大(壓制效應(yīng)）隨著隨著R2+離子半徑的離子半徑的，電阻率增加，電導(dǎo)率降低電阻率：Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Zn2+Mg2+Be2+vR2O3Al2O3：有反?，F(xiàn)象（如圖4-34 所示） *量少時(shí)， AlO4，連接網(wǎng)絡(luò)，使電阻。 *量較多時(shí)，由于VAlO4VSiO4，結(jié)構(gòu)疏松，使電阻率 *在Al2O3/

29、SiO2=0.2時(shí) ，達(dá)最大值， *量大時(shí)， AlO6，在網(wǎng)絡(luò)空隙中，集聚作用使結(jié)構(gòu)緊密，并阻擋R+遷移，使電阻。 *在Al2O3/SiO2=1時(shí) ，達(dá)最小值T111eTBAlgB2O3 使電阻增大 v 高電場(chǎng)，高配位離子 使電阻增大溫度的影響v溫度 總趨勢(shì)：T，低溫（Tg以下）：電導(dǎo)率與1/T呈線性關(guān)系 lg=A-B/T較高溫度（Tg以上）： lg與1/T關(guān)系由直線轉(zhuǎn)變?yōu)榍€ 其中，A1、B1、 1為與成分有關(guān)的常數(shù)vTk-100指標(biāo)定義：電阻率達(dá)到100兆歐厘米時(shí)的溫度。意義意義：Tk-100越高，說(shuō)明電阻率達(dá)到100兆歐厘米時(shí)的溫度越高，則玻璃在室溫下的電阻率越大，絕緣性越好。成分對(duì)成分

30、對(duì)Tk-100的影響*K2O的Tk-100Na2O 的Tk-100，說(shuō)明K2O取代Na2O，可提高絕緣性；*RO對(duì)Tk-100提高的順序： PbOBaOCaOMgOZnO* Al2O3 Tk-100，B2O3Tk-100。熱處理的影響v一般玻璃： 快冷 未退火玻璃 退火程度越好，電阻率越大。v晶化：結(jié)晶體玻璃體v分相：與分相結(jié)構(gòu)有關(guān)，形成液滴狀 v定義：邊長(zhǎng)為1cm正方形的相對(duì)兩邊上測(cè)得的電阻率值。 v影響因素溫度： 潮濕空氣中 100C 兩種導(dǎo)電基本一致。濕度： 相對(duì)濕度，表面電阻率 大氣對(duì)玻璃侵蝕越強(qiáng)，表面電阻率越小。(3)表面表面電電阻阻率率組成：*R2O：含量增多 s減小。 K2O作用

31、明顯*用CaO、MgO、BaO、PbO、Al2O3等取代Na2O-SiO2中的SiO2 取代量10%-12%，使s。*B2O3 、Fe2O3代Na2O-SiO2中的SiO2（20%）使s。改變s的方法 表面涂層：*憎水層使s*金屬、半導(dǎo)體膜使sv主要包括介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度主要包括介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度v介電常數(shù)的物理意義：電容器兩個(gè)極板間，用欲測(cè)定的介質(zhì)填充時(shí)所得的電容量與其間為真空時(shí)的電容量之比 =C/C0C為介質(zhì)電容，C0真空電容 表征了物質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度的大小。 =1+4 為介質(zhì)極化率，真空 =02.玻璃的玻璃的介電性介電性(1)玻璃的介電常數(shù)玻璃的介電常數(shù)v玻璃的

32、極化電子位移極化： 離子或電子云在外電場(chǎng)作用下變形而產(chǎn)生偶極矩的變動(dòng)。離子位移極化： 正負(fù)離子在外電場(chǎng)下偏離原有位置而產(chǎn)生偶極矩的變動(dòng) 取向極化： 玻璃中極性分子在電場(chǎng)作用下定向排 列引起偶極矩的變動(dòng)v影響影響的因素組成 主要從離子極化率和遷移率大小來(lái)考慮*B玻璃較石英玻璃小*PbO、BaO含量高的玻璃大（極化率高）*R2O使增大，且隨離子半徑，場(chǎng)強(qiáng)，按Li2ONa2OK2O的順序*RO與R2O類(lèi)似，場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，*重金屬影響最大。溫度溫度 T ，但各溫度段變化程度不同： 低溫（250C后迅速增大（此界限與R2O和PbO的含量有關(guān)，量越多溫度越低）電場(chǎng)頻率 頻率越低越大，隨溫度變化界限越低。 低溫時(shí)

33、頻率影響小。v定義：玻璃在電場(chǎng)作用下，由于極化或吸收而使一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p失的現(xiàn)象 Q=UIcos 為UI間相位角 令= 90 則Q=UIsin 常用或tg 表示介電損耗。 電導(dǎo)率越大介電損耗越大。(2)玻璃的介電損耗玻璃的介電損耗v損失種類(lèi)電導(dǎo)損失：由網(wǎng)絡(luò)外陽(yáng)離子M沿電場(chǎng)方向移動(dòng)而產(chǎn)生松弛損失：由M離子在一定勢(shì)壘間移動(dòng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損失：由玻璃網(wǎng)絡(luò)松弛變形產(chǎn)生，屬松弛損失共振損失：由M離子或網(wǎng)絡(luò)骨架本征振動(dòng)吸收能量而產(chǎn)生 v影響因素電導(dǎo)率 Q T Q 電場(chǎng)頻率 Q先出現(xiàn)極小值，在高頻范圍又出現(xiàn)極大值 組成組成 增加電導(dǎo)率的組分都增加介電損耗增加電導(dǎo)率的組分都增加介電損耗 R2O使Q增大 重金

34、屬氧化物使Q減小熱處理熱處理 Tg以上開(kāi)始急冷的玻璃Q大，Tg以下玻璃的Q與熱歷史有關(guān) 微晶玻璃的Q比同成分玻璃小v 定義：作為絕緣體使用的介質(zhì)，當(dāng)外加電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)絕緣性消失，即電擊穿。臨界電壓為介電強(qiáng)度 單位：伏/厘米，其中厘米為試樣厚度v 擊穿機(jī)理熱擊穿：玻璃受熱電阻下降，玻璃發(fā)生局部熱破壞甚至熔化。 試樣越厚擊穿強(qiáng)度越低。電子擊穿：電壓加速電子對(duì)其它原子沖擊，激發(fā)出更多自由電子參與導(dǎo)電。電化學(xué)擊穿：發(fā)生化學(xué)變化，使玻璃中的電場(chǎng)變得不均勻甚至產(chǎn)生破裂的應(yīng)力而被擊穿。 (3)玻璃的介電強(qiáng)度玻璃的介電強(qiáng)度（抗擊穿強(qiáng)度）（抗擊穿強(qiáng)度）v影響因素組成 網(wǎng)絡(luò)連接程度高，介電強(qiáng)度大*SiO2使

35、介電強(qiáng)度增大 （透明石英為400千伏/厘米）*R2O使介電強(qiáng)度減?。ê?6cm的工業(yè)玻璃為3070 kv/cm溫度 T 介電強(qiáng)度其它其它 ：電壓增加速度、內(nèi)部缺陷、電場(chǎng)均勻與否等v包括折射率、色散、反射、吸收和透過(guò) 材料物理性能課程有講述，本課程這部分內(nèi)容簡(jiǎn)述v1.折射率 玻璃折射率可以理解為電磁波在玻璃中傳播速度的降低。 這是由于光通過(guò)玻璃時(shí)，光波引起玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的極化變形，光波損失部分能量，使光速降低。折射率可以表示為：(六六)玻璃玻璃的光學(xué)性能的光學(xué)性能vcn式中：式中：C光在真空中的傳播速度；光在真空中的傳播速度； V光在玻璃中的傳播速度。光在玻璃中的傳播速度。VR2n1nRM2n1n

36、22r22v影響折射率n的因素（1）組成n與密度的關(guān)系：所以，玻璃的折射率n取決于分子體V和分子折射度R 分子體積V與玻璃結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)；分子折射度R是玻璃組成中各種離子極化率的總和。 使R的組分使n玻，而使V的組分則使n玻式中：式中：n折射率；折射率； Mr相對(duì)分子量相對(duì)分子量； 玻璃密度；玻璃密度； R分子分子折射度；折射度； V分子體積分子體積； d越大，n 越大離子極化率越大，n 越大*電價(jià)相同 半徑大和小的 n大。r小降低分子體積使密度增大；r大的極化率大。*玻璃形成體氧化物 減小折射率 不易極化，且束縛Ob的電子云不被極化 *非橋氧Onb量越大n越高 tRtRtn（2）溫度 T

37、導(dǎo)致dn 電子振動(dòng)頻電子振動(dòng)頻率 n。 對(duì)于固體玻璃，以上兩因素可用下式表示：對(duì)于固體玻璃，以上兩因素可用下式表示： 其中：其中：n折射率；折射率； R分子折射度分子折射度 膨脹系數(shù)膨脹系數(shù) t溫度溫度 玻璃折射率是溫度的函數(shù)，折射率n的溫度系數(shù)決定于玻璃折射度隨溫度的變化和熱膨系數(shù)兩個(gè)方面。 R/ t使n，/ t使n n/ t有正負(fù)兩種可能室溫至100C n/ t0（主要決定于R/ t）低溫 n/ t濃酸 (2)酸對(duì)玻璃的侵蝕（耐酸性）酸對(duì)玻璃的侵蝕（耐酸性）v反應(yīng)的產(chǎn)物之一是R(OH)n（如NaOH），它會(huì)與酸的中和反應(yīng)可導(dǎo)致兩種相反作用： 使反應(yīng)向右進(jìn)行 降低溶液PH值，使Si(OH)4

38、的溶解度降低， 從而阻止發(fā)反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，使侵蝕減少。 總的效應(yīng)是：當(dāng)R2O含量高時(shí)，起主要作用；當(dāng)R2O含量少，SiO2含量多時(shí)，起主要作用。 所以高堿玻璃的耐酸性比耐水性差。而高硅玻璃的耐水性比耐酸性差。v硅酸鹽玻璃一般不耐堿。v侵蝕過(guò)程陽(yáng)離子吸附在玻璃表面 （陽(yáng)離子）吸附OH-生成硅酸離子或硅酸鹽。 Si-O-SiOH-Si-O-HO-Si 即直接破壞硅氧骨架（Si-O-Si）而產(chǎn)生Si-O-群，使SiO2溶解在溶液中。 所以在堿對(duì)玻璃的侵蝕過(guò)程中，不形成硅酸凝膠薄膜，而使玻璃表面層全部脫落。(3)堿對(duì)玻璃的侵蝕（耐堿性）堿對(duì)玻璃的侵蝕（耐堿性）v實(shí)際是水氣、CO2、SO2等作用的總和。v水氣比水的侵蝕性強(qiáng)。v侵蝕過(guò)程 以離子交換為主的釋堿過(guò)程 水氣以微粒水滴粘附在玻璃表面的，反應(yīng)釋出的堿并沒(méi)有被移走，而是在原地不斷積累。 逐漸過(guò)渡到堿對(duì)玻璃網(wǎng)絡(luò)破壞為主的溶蝕過(guò)程。 隨著侵蝕的進(jìn)行，PH值迅速上