第八章無機(jī)非金屬材料及加工工藝

1、設(shè)計(jì)材料與加工工藝第08章 無機(jī)非金屬材料及加工工藝引言 在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展，各種自然材料和人工在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展，各種自然材料和人工材料日益豐富的今天，玻璃這一材料日益豐富的今天，玻璃這一“古老而又新興、奇古老而又新興、奇特而又美麗特而又美麗”的材料，正前所未有地發(fā)揮出它的特的材料，正前所未有地發(fā)揮出它的特性。玻璃具有一系列優(yōu)良的特性，如堅(jiān)硬、透明、氣性。玻璃具有一系列優(yōu)良的特性，如堅(jiān)硬、透明、氣密性、不透性、裝飾性、化學(xué)耐蝕性等。廣泛應(yīng)用于密性、不透性、裝飾性、化學(xué)耐蝕性等。廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中。掌握玻璃的工藝特性是設(shè)計(jì)師工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中。掌握玻璃的工藝特性是設(shè)計(jì)師快速并

2、可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思的一個(gè)重要途徑?？焖俨⒖煽康貙?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思的一個(gè)重要途徑。 本章的主要內(nèi)容8 81 1 玻璃的基本性能玻璃的基本性能8 82 2 玻璃的工藝特性玻璃的工藝特性8 83 3 常用的玻璃材料常用的玻璃材料8 84 4 玻璃在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用玻璃在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用8.1 玻璃的基本性能玻璃是將原料加熱到熱熔融，冷卻凝固所得到的非晶態(tài)無機(jī)材料。玻璃是將原料加熱到熱熔融，冷卻凝固所得到的非晶態(tài)無機(jī)材料。（1）強(qiáng)度）強(qiáng)度玻璃的理論抗拉強(qiáng)度極限為玻璃的理論抗拉強(qiáng)度極限為12000Mpa，實(shí)際強(qiáng)度只有理論強(qiáng)度，實(shí)際強(qiáng)度只有理論強(qiáng)度的的1/3001/200，一般為，一般為3060Mpa，玻璃的抗壓強(qiáng)度約

3、，玻璃的抗壓強(qiáng)度約為為7001000Mpa。玻璃中的各種缺陷造成了應(yīng)力集中或薄弱。玻璃中的各種缺陷造成了應(yīng)力集中或薄弱環(huán)節(jié)，試件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響非常環(huán)節(jié)，試件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響非常顯著，對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。工藝上造成的外來雜質(zhì)和波筋顯著，對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。工藝上造成的外來雜質(zhì)和波筋(化化學(xué)不均勻部分學(xué)不均勻部分)對(duì)玻璃的強(qiáng)度有明顯影響。在對(duì)玻璃的強(qiáng)度有明顯影響。在50+70范圍范圍內(nèi)玻璃的強(qiáng)度基本不變。內(nèi)玻璃的強(qiáng)度基本不變。脆性是玻璃的主要缺點(diǎn)。玻璃的脆性指標(biāo)為脆性是玻璃的主要缺點(diǎn)。玻璃的脆性指標(biāo)為13001500(橡膠橡膠為為0.4

4、0.6，鋼為，鋼為400460，混凝土為，混凝土為42009350)。E越大說明脆性越大。玻璃的脆性也可以根據(jù)沖擊試驗(yàn)來確定。越大說明脆性越大。玻璃的脆性也可以根據(jù)沖擊試驗(yàn)來確定。在實(shí)際應(yīng)用中玻璃制品經(jīng)常受到彎曲、拉伸和沖擊應(yīng)力，較少受到在實(shí)際應(yīng)用中玻璃制品經(jīng)常受到彎曲、拉伸和沖擊應(yīng)力，較少受到壓縮應(yīng)力。玻璃的力學(xué)性質(zhì)主要指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度和脆性指標(biāo)壓縮應(yīng)力。玻璃的力學(xué)性質(zhì)主要指標(biāo)是抗拉強(qiáng)度和脆性指標(biāo) （2）硬度）硬度（3）光學(xué)性能）光學(xué)性能光學(xué)性質(zhì)是玻璃最重要的物理性質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)是玻璃最重要的物理性質(zhì)。光線照射到玻璃表面可以產(chǎn)生透射，反射和吸收三種情光線照射到玻璃表面可以產(chǎn)生透射，反射和吸收三種

5、情況。光線透過玻璃稱為透射，光線被玻璃阻擋，按一定角況。光線透過玻璃稱為透射，光線被玻璃阻擋，按一定角度反射出來稱為反射，光線通過玻璃后，一部分光能量損度反射出來稱為反射，光線通過玻璃后，一部分光能量損失在玻璃內(nèi)部稱為吸收。失在玻璃內(nèi)部稱為吸收。玻璃中光的透射隨玻璃厚度增加而減少。玻璃中光的反射玻璃中光的透射隨玻璃厚度增加而減少。玻璃中光的反射對(duì)光的波長(zhǎng)沒有選擇性，玻璃中光的吸收對(duì)光的波長(zhǎng)有選對(duì)光的波長(zhǎng)沒有選擇性，玻璃中光的吸收對(duì)光的波長(zhǎng)有選擇性。可以在玻璃中加入少量著色劑，使其選擇吸收某些擇性?？梢栽诓Ａе屑尤肷倭恐珓?，使其選擇吸收某些波長(zhǎng)的光，但玻璃的透光性降低。還可以改變玻璃的化學(xué)波長(zhǎng)

6、的光，但玻璃的透光性降低。還可以改變玻璃的化學(xué)組成來對(duì)可見光、紫外線、紅外線、組成來對(duì)可見光、紫外線、紅外線、X射線、和射線、和射線進(jìn)行射線進(jìn)行選擇吸收選擇吸收 （4）電學(xué)性能）電學(xué)性能（5）熱性能）熱性能普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)在室溫下約為普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)在室溫下約為0.75W/(mk)。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)約。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)約為銅的為銅的1/400，是導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料。當(dāng)發(fā)生溫度變化時(shí)，玻璃產(chǎn)，是導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料。當(dāng)發(fā)生溫度變化時(shí)，玻璃產(chǎn)生的熱應(yīng)力很高。在溫度劇烈變化時(shí)玻璃會(huì)產(chǎn)生碎裂，玻璃的急熱穩(wěn)生的熱應(yīng)力很高。在溫度劇烈變化時(shí)玻璃會(huì)產(chǎn)生碎裂，玻璃的急熱穩(wěn)定性比急冷穩(wěn)定性要強(qiáng)一些。定性比急冷穩(wěn)定

7、性要強(qiáng)一些。 （6）化學(xué)穩(wěn)定性能玻璃）化學(xué)穩(wěn)定性能玻璃具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，它可以抵抗除氫氟酸以外所有酸類的侵濁，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，它可以抵抗除氫氟酸以外所有酸類的侵濁，硅酸鹽玻璃一般不耐堿。玻璃遭受侵蝕性介質(zhì)腐蝕，也能導(dǎo)致變質(zhì)和硅酸鹽玻璃一般不耐堿。玻璃遭受侵蝕性介質(zhì)腐蝕，也能導(dǎo)致變質(zhì)和破壞。破壞。大氣對(duì)玻璃侵蝕作用實(shí)質(zhì)上是水氣、二氧化碳、二氧化硫等作用的總大氣對(duì)玻璃侵蝕作用實(shí)質(zhì)上是水氣、二氧化碳、二氧化硫等作用的總和。實(shí)踐證明，水氣比水溶液具有更大的侵蝕性。普通窗玻璃長(zhǎng)期使和。實(shí)踐證明，水氣比水溶液具有更大的侵蝕性。普通窗玻璃長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)表面光澤消失，或表面晦暗，甚至出現(xiàn)斑點(diǎn)和油脂狀

8、薄膜用后出現(xiàn)表面光澤消失，或表面晦暗，甚至出現(xiàn)斑點(diǎn)和油脂狀薄膜等，就是由于玻璃中的堿性氧化物在潮濕空氣中與二氧化碳反應(yīng)生成等，就是由于玻璃中的堿性氧化物在潮濕空氣中與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鹽造成的。這一現(xiàn)象稱為玻璃發(fā)霉?？捎盟峤莅l(fā)霉的玻璃表碳酸鹽造成的。這一現(xiàn)象稱為玻璃發(fā)霉?？捎盟峤莅l(fā)霉的玻璃表面，并加熱至面，并加熱至400450除去表面的斑點(diǎn)或薄膜。除去表面的斑點(diǎn)或薄膜。原料 計(jì)量 調(diào)和料 熔窖 熔融玻璃 成型加工 玻璃制品 澄清劑 8.2 玻璃的工藝特性 (1) 計(jì)量與配料：將硅砂、蘇打、芒硝、石灰石、白云計(jì)量與配料：將硅砂、蘇打、芒硝、石灰石、白云石、長(zhǎng)石、碎玻璃及其它輔助原料，按所生

9、產(chǎn)的玻璃種類石、長(zhǎng)石、碎玻璃及其它輔助原料，按所生產(chǎn)的玻璃種類要求進(jìn)行不同配比后攪拌均勻。要求進(jìn)行不同配比后攪拌均勻。(2) 熔融：混合好的原料在熔融：混合好的原料在14001600的高溫窯內(nèi)進(jìn)的高溫窯內(nèi)進(jìn)行熔融，窯的一端不斷供料，熔融的玻璃液連續(xù)從另一端行熔融，窯的一端不斷供料，熔融的玻璃液連續(xù)從另一端流出。流出。(3) 澄清：玻璃原料熔化后，結(jié)晶即遭破壞，同時(shí)，硫酸鹽、澄清：玻璃原料熔化后，結(jié)晶即遭破壞，同時(shí)，硫酸鹽、碳酸鹽分解產(chǎn)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等氣體，產(chǎn)碳酸鹽分解產(chǎn)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等氣體，產(chǎn)生氣泡，必須加入澄清劑清除氣泡。采用砷的氧化物作澄清劑生氣泡，必須

10、加入澄清劑清除氣泡。采用砷的氧化物作澄清劑時(shí)，其作用是它產(chǎn)生的大氣泡在上升過程中將小氣泡吸收排時(shí)，其作用是它產(chǎn)生的大氣泡在上升過程中將小氣泡吸收排除，使玻璃液得以澄清。除，使玻璃液得以澄清。(4) 成型：熔融玻璃達(dá)到成型溫度后慢慢冷卻，根據(jù)用途成型成型：熔融玻璃達(dá)到成型溫度后慢慢冷卻，根據(jù)用途成型為需要形狀。平板玻璃的成型方法有澆注法、軋制法、引上為需要形狀。平板玻璃的成型方法有澆注法、軋制法、引上法、浮法等。法、浮法等。 8.2.1玻璃原料玻璃原料(1)主要原料主要原料 石英沙：硅沙（石英沙：硅沙（SiO2），它是重要的玻璃形成氧化物，以），它是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面體（硅氧四面體

11、（SiO4）的結(jié)構(gòu)組元形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，成為）的結(jié)構(gòu)組元形成不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，成為玻璃的骨架。玻璃的骨架。硼酸、硼砂及含硼礦物：向玻璃中引入硼酸、硼砂及含硼礦物：向玻璃中引入B2O3的原料。降低的原料。降低玻璃的膨脹系數(shù)，提高熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，增玻璃的膨脹系數(shù)，提高熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光澤。此外，還起助熔劑作用，加玻璃的折射率，改善玻璃的光澤。此外，還起助熔劑作用，能加速玻璃的澄清和降低玻璃的結(jié)晶能力。能加速玻璃的澄清和降低玻璃的結(jié)晶能力。長(zhǎng)石、瓷土、蠟石：向玻璃中引入長(zhǎng)石、瓷土、蠟石：向玻璃中引入Al2O3的原料。提高化的原料。提高化

12、學(xué)、熱穩(wěn)定性能、機(jī)械強(qiáng)度、硬度和折射率。減輕玻璃液對(duì)耐學(xué)、熱穩(wěn)定性能、機(jī)械強(qiáng)度、硬度和折射率。減輕玻璃液對(duì)耐火材料的侵蝕，并有助于氟化物的乳濁。火材料的侵蝕，并有助于氟化物的乳濁。純堿、芒硝：向玻璃中引入純堿、芒硝：向玻璃中引入Na2O的原料，良好的助熔劑，的原料，良好的助熔劑，可以降低玻璃的粘度，使其易于熔融和成型。可以降低玻璃的粘度，使其易于熔融和成型。方解石、石灰石、白堊：向玻璃中引入方解石、石灰石、白堊：向玻璃中引入CaO的原料，主要作的原料，主要作用穩(wěn)定劑，但含量高，易脆。用穩(wěn)定劑，但含量高，易脆。硫酸鋇、碳酸鋇：向玻璃中引入硫酸鋇、碳酸鋇：向玻璃中引入BaO的原料，增加防輻射能的原

13、料，增加防輻射能力，常用于制作高級(jí)器皿、光學(xué)玻璃、防輻射玻璃等。力，常用于制作高級(jí)器皿、光學(xué)玻璃、防輻射玻璃等。鉛化物：向玻璃中引入鉛化物：向玻璃中引入PbO的原料，增加玻璃的密度，提的原料，增加玻璃的密度，提高玻璃的折射率，使玻璃制品具有特殊的光澤和良好的電性高玻璃的折射率，使玻璃制品具有特殊的光澤和良好的電性能。鉛玻璃的高溫粘度小，熔制溫度低，易于澄清，硬度小，能。鉛玻璃的高溫粘度小，熔制溫度低，易于澄清，硬度小，便于研磨拋光。便于研磨拋光。（2）輔助原料）輔助原料:澄清劑，著色劑，脫色劑，乳濁劑，助熔劑澄清劑，著色劑，脫色劑，乳濁劑，助熔劑脫色劑：原料中的雜質(zhì)如鐵的氧化物會(huì)給玻璃帶來色澤

14、，常脫色劑：原料中的雜質(zhì)如鐵的氧化物會(huì)給玻璃帶來色澤，常用純堿、碳酸鈉、氧化鈷、氧化鎳等作脫色劑，它們?cè)诓Ａе杏眉儔A、碳酸鈉、氧化鈷、氧化鎳等作脫色劑，它們?cè)诓Ａе谐尸F(xiàn)與原來顏色的補(bǔ)色，使玻璃變成無色。此外，還有與著色呈現(xiàn)與原來顏色的補(bǔ)色，使玻璃變成無色。此外，還有與著色雜質(zhì)能形成淺色化合物的減色劑，如碳酸鈉能與氧化鐵氧化成雜質(zhì)能形成淺色化合物的減色劑，如碳酸鈉能與氧化鐵氧化成二氧化二鐵，使玻璃由綠色變黃色。二氧化二鐵，使玻璃由綠色變黃色。 著色劑：某些金屬氧化物能直接溶于玻璃溶液中使玻璃著著色劑：某些金屬氧化物能直接溶于玻璃溶液中使玻璃著色。如氧化鐵使玻璃呈現(xiàn)黃色或綠色，氧化錳能呈現(xiàn)紫色，氧

15、色。如氧化鐵使玻璃呈現(xiàn)黃色或綠色，氧化錳能呈現(xiàn)紫色，氧化鈷能呈現(xiàn)藍(lán)色，氧化鎳能呈現(xiàn)棕色，氧化銅和氧化鉻能呈現(xiàn)化鈷能呈現(xiàn)藍(lán)色，氧化鎳能呈現(xiàn)棕色，氧化銅和氧化鉻能呈現(xiàn)綠色等。綠色等。 澄清劑：澄清劑能降低玻璃熔液的粘度，使化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)澄清劑：澄清劑能降低玻璃熔液的粘度，使化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣泡，易于逸出而澄清。常用的澄清劑有白砒、硫酸鈉、生的氣泡，易于逸出而澄清。常用的澄清劑有白砒、硫酸鈉、硝酸鈉、銨鹽、二氧化錳等。硝酸鈉、銨鹽、二氧化錳等。乳濁劑：乳濁劑能使玻璃變成乳白色半透明體。常用乳濁劑乳濁劑：乳濁劑能使玻璃變成乳白色半透明體。常用乳濁劑有冰晶石、氟硅酸鈉、磷化錫等。它們能形成有冰晶石、氟硅酸

16、鈉、磷化錫等。它們能形成0.11.0m的顆粒，懸浮于玻璃中，使玻璃乳濁化。的顆粒，懸浮于玻璃中，使玻璃乳濁化。 8.2.2 玻璃的熔制玻璃的熔制 玻璃的熔制是指將配合料經(jīng)過高溫熔融，形成玻璃的熔制是指將配合料經(jīng)過高溫熔融，形成均勻無氣泡并符合成型要求的玻璃液的過程。均勻無氣泡并符合成型要求的玻璃液的過程。大致過程：硅酸鹽的形成；玻璃的形成；澄清；均大致過程：硅酸鹽的形成；玻璃的形成；澄清；均化和冷卻五個(gè)階段?；屠鋮s五個(gè)階段。8.2.3 玻璃的成型玻璃的成型玻璃的成型是將熔融的玻璃液加工成具有一定形狀和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尺寸的玻璃制品的工藝過

17、程.（1）壓制成型）壓制成型（2）吹塑成型）吹塑成型（3）拉制成型）拉制成型（4）壓延成型）壓延成型其他新方法：浮法玻璃。其他新方法：浮法玻璃。8.2.4 玻璃的熱處理玻璃的熱處理:退火和淬火退火和淬火退火：消除制品內(nèi)部的熱應(yīng)力，還可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。退火：消除制品內(nèi)部的熱應(yīng)力，還可以使內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。淬火：在玻璃表面形成一個(gè)有規(guī)律、均勻分布的壓力層，淬火：在玻璃表面形成一個(gè)有規(guī)律、均勻分布的壓力層，提高玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性。提高玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性。8.2.5 玻璃制品的二次加工玻璃制品的二次加工（1）玻璃的冷加工）玻璃的冷加工基本方法：研磨、拋光、切割、噴沙、鉆孔和車刻等?；?/p>

18、本方法：研磨、拋光、切割、噴沙、鉆孔和車刻等。（2）玻璃的熱加工）玻璃的熱加工主要方法：火焰切割、火拋光、鉆孔等。主要方法：火焰切割、火拋光、鉆孔等。（3）玻璃制品的表面處理）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、表面著表面處理包括玻璃制品光滑面與散光面的形成、表面著色和表面涂層等。色和表面涂層等。玻璃彩飾：利用彩色釉料對(duì)玻璃制品進(jìn)行裝飾的過玻璃彩飾：利用彩色釉料對(duì)玻璃制品進(jìn)行裝飾的過程。常見的方法有：描繪、噴花、貼花、印花等。程。常見的方法有：描繪、噴花、貼花、印花等。玻璃蝕刻玻璃蝕刻8.3 常用的玻璃材料8.3.1 玻璃材料的分類玻璃材料的分類（1）按玻璃的用途和使用環(huán)境分類）按玻璃的用途和使用環(huán)境分類日用玻璃日用玻璃技術(shù)玻璃技術(shù)玻璃建筑玻璃建筑玻璃玻璃纖維玻璃纖維（2）按玻璃的特性分類）按玻璃的特性分類按玻璃的氣密性、頭光性、光學(xué)特性、化學(xué)耐久性、電及熱特按玻璃的氣密性、頭光性、光學(xué)特性、化學(xué)耐久性、電及熱特性、強(qiáng)度、硬度、加工性以及裝飾性等特性可將玻璃分為平板性、強(qiáng)度、硬度、加工性以及裝飾性等特性可將玻璃分為平板玻璃、光學(xué)玻璃、電真空玻璃、泡沫玻璃等。（見表玻璃、光學(xué)玻璃、電真空玻璃、泡沫玻璃等。（見表9-2）（3）按玻璃化學(xué)成分分類）按玻璃化學(xué)成分分類鈉鈣硅酸鹽玻璃鈉鈣硅酸鹽玻璃鉛玻璃鉛玻璃石英玻璃石英玻璃特殊成分玻