第十二章玻璃介绍

玻璃的两个主要定义：
一个定义着重在制备方法上。传统的玻璃制备是将单组 分或多组分原料物质加热成为均匀的熔体，然后冷却。 由于形成玻璃的物质当温度降低时粘度增加很快，使体 系内原子的运动很慢以至于不能排列成整齐的晶格。人 们称通过这一过程制成的固体为玻璃。 另一个定义着重在玻璃的结构上。也就是说，玻璃是一 种无定型固体，原子在其中的排列没有晶体那种长程有 序的周期性。
玻璃材料有很多种类，在日常生活、工业生产和科学 技术等方面都有重要应用。
1. 玻璃的形成 1）形成玻璃的物质
由传统工艺制备的玻璃材料主要是氧化物玻璃。下表 列出了生成氧化物玻璃的元素在周期表中的位置。
1. 玻璃的形成
黑体表示的元素可以形成单一氧化物玻璃 ，主要是 SiO2、B2O3、GeO2、P2O5。这几种元素的电负性居中，因 而既不能生成离子型结构，如 MgO 、 Na2O 等，也不能生 成共价键的小分子结构，如 CO2 、 NO2 等。这几种元素形 成离子键和共价键混合型的氧化物，具有三维网络结构。
概述 二、玻璃原料
2.中间体氧化物
中间体氧化物自身不能形成玻璃，但可以连接二氧化硅链 使其保持玻璃态。它既是玻璃网络结构的一部分，又可以改进 结构内部的位置。 中间体氧化物主要有氧化铝（Al2O3），氧化铅（PbO）， 氧化锌（ZnO）等。 用量不宜过多，要适当。 作用： 降低玻璃的热膨胀系数； 提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和粘度；
概述
二、玻璃原料
3.网络外体氧化物-改性剂
网络外体氧化物不参加玻璃的结构网络，居于网络之 外，能促使玻璃网络破裂而改变玻璃的性质。 主要有：氧化锂（Li2O）、氧化钠（Na2O）、氧化钾
（K2O）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、氧化钡（ BaO）等。
作用：降低熔点和简化工艺。
概述
二、玻璃原料
–化学组成：由氧化物和其他辅助原料所组成。 - 分类：根据玻璃的形成体氧化物不同：
硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等。
玻璃由于制备工艺简单，具有宏观均匀性、各向同性 等优点，在功能材料中有特殊的地位。
概述
二、玻璃原料
用于制造玻璃的各种原始物料，可分为主要原料和辅助原
料两大类。
主要原料指玻璃中各种氧化物的原料，对玻璃的结构和物 理、化学性质起主要作用；辅助原料是为了改善某一方面的性 能或加速玻璃的熔制过程而加入的物料。 按玻璃组成氧化物在玻璃结构中的作用，可分为三大类 1、玻璃形成体氧化物， 2、中间体氧化物， 3、网络外体氧化物。
概述
二、玻璃原料
② 氧化硼（B2O3） 氧化硼也可以单独形成玻璃，它以硼氧三角形[BO3]和硼氧 四面体[BO4]为结构单元。在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共 同组成结构网络。 作用： 能降低玻璃的热膨胀系数（硼的加入量应适当，过量时玻 璃的热膨胀系数等反而增大，热稳定性差）； 提高玻璃的化学稳定性和热稳定性； 改善玻璃的光泽、提高玻璃的机械强度； 少量的氧化硼有助熔作用，加速玻璃的澄清，降低玻璃的 结晶能力。
第十二章
1. 玻璃的形成
2. 玻璃的结构
玻璃材料
3. 常见玻璃材料
4. 彩色玻璃和光致变色玻璃
5. 功能玻璃材料
概述
一、玻璃的定义及分类 二、玻璃原料 三、玻璃的结构 四、玻璃材料的种类
概述
• 一、玻璃的定义及分类
–定义：无机玻璃和有机玻璃两大类。
• 定义：介于晶态和液态之间的一种特殊状态，由熔 融体过冷却而得，其结构为短程有序和长程无序。
一般玻璃瓶罐的化学组成范围为： SiO2：66～75% Na2O：12～16% MgO：0.1～5.0% BaO：0～4.5% Al2O3 ： 0.7～7.0% K2O：0.1～4.0% CaO：6～12%
概述
三、玻璃的结构
• 结构最简单的石英玻璃：石英是由二氧化硅组成的，它有两 种结构状态，晶体与玻璃。 • 石英晶体与石英玻璃的基本结构单元都是由硅氧四面体 [SiO4]构成的，即每个硅原子被4个氧原子包围组成四面体 ，各四面体之间通过顶角相连接，形成向三唯空间发展的网 络结构。石英晶体中的硅氧排列得非常规则有序，即不论从 “短程”还是从“长程”来看，都有很好的重 复性和周期性。而在石英玻璃中，硅氧排 列的规律性只在几个原子间距的“短程”内 保持着，从较大的范围看，没有可重复的 周期性，是短程有序，长程无序。
概述
表 2 几种玻璃瓶的化学组成
第十二章
玻璃材料
玻璃是人类使用的最古老的合成材料之一。对玻璃进 行系统的科学研究可以认为是从 19 世纪初 Faraday 开始的。
关于玻璃的研究，可以分为两个方面： 一是研究开发出各种具有独特性能的新型玻璃态材料； 二是利用现代科学技术加深对玻璃结构和性能的认识， 从而促进新型玻璃材料的研究和开发。
网络形成的空隙中，以平衡氧离子的负电荷。
来的四面体网络，引起玻璃的许多性质改变，
胀系数，从而导致抗热冲击性能下降 。
概述
四、玻璃材料的种类
玻璃材料根据形成体氧化物的种类，把玻璃分成硅酸盐玻
璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃等。常用的包装玻 璃为钠钙硅酸盐玻璃，其次是硼（B）硅酸盐玻璃。
表1 几种常用玻璃的组成及性能
石英晶体和石英玻璃中原子的排列
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概述
钠钙玻璃的结构
• 引入金属氧化物，改变了石英玻璃中 单一的化学组成和Si／O的比例，使原来 互相连接的[SiO4]四面体网络断裂，“桥氧” 变为“非桥氧”，只与1个硅离子相连，引入 的Na+、Ca2+离子在非桥氧附近，处于断裂 • Na2O、CaO等氧化物的加入，改变了原 如降低了玻璃的熔制温度和粘度，降低了硬 度和强度，降低了化学稳定性，增大了热膨
概述
二、玻璃原料
1.玻璃形成体氧化物
玻璃形成氧化物为二氧化硅（SiO2）和氧化硼（B2O3）。 ① 二氧化硅（SiO2） 单独的二氧化硅可以形成石英玻璃，在一般玻璃中，二 氧化硅以硅氧四面体结构单元形成结构网络。 作用：降低玻璃的热膨胀系数、密度，提高玻璃的热稳 定性、化学稳定性、粘度、机械强度等；含量高，需要较高 的熔融温度。一般瓶罐玻璃二氧化硅含量约为73%左右。