玻璃知识材料

玻璃工艺培训讲义

1.玻璃的定义与结构

1.1玻璃的定义

玻璃：狭义玻璃和广义玻璃

狭义玻璃：熔融物在冷却过程中不发生结晶的物质,仅指无机玻璃,包括氧化物、非氧化物玻璃、非晶半导体。

广义玻璃：具有转变温度（Tg）的非晶态材料------

非晶态材料：原子排列在近程有序、远程无序，原子排列不具有平移周期性关系---包括无机、有机玻璃，金属玻璃等。

简单地说：无机玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体。

1.2玻璃的通性

各向同性：

玻璃体的任何方向具有相同性质，即指玻璃态物质各个方向上的硬度、弹性模量、热膨胀系数、热传导系数、折射率、导电率等均是相同的。而非等轴晶系的晶体具有各向异性。即玻璃的各向同性是统计均质结构的外观表现，比如：热膨胀系数：石英玻璃(SiO2) α=5.5×10-7/℃；

而石英晶体(SiO2) 垂直晶轴方向：78×10-7/℃，

平行晶轴方向：140×10-7/℃。

无固定熔点：

玻璃态物质由固体转变成液态是在一定温度区域(软化温度范围)内进行的，它是逐渐软化，由脆性进入可塑态、高粘态，最后变成液态，它与结晶物质不同，没有固定的熔点。

亚稳性：

玻璃处于介稳状态，即玻璃态物质所含的内能不处于最低值，要比同组成的晶体内能高。我们知道熔体冷却转化为晶体时，释出的能量相等于晶体熔化时的潜热，但当熔体过冷为固态玻璃时，释放出的能量小于相应的晶体的熔化潜热。

一般高能量状态有向低能量状态转化的趋势，然而，由于玻璃粘度大，使它

不能自发地转化为晶体，只有在特定条件下即必须克服析晶活化能，才能使玻璃析晶，因此，从热力学观点看，玻璃态是不稳定的，但从动力学观点看，玻璃态又是稳定的，因而常温下转变为晶态的几率十分小，所以玻璃态处于亚稳状态。变化的可逆性：

玻璃态物质从熔融状态冷却(或相反加热)过程中，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化，而且是可逆的，如图1-1所示，从图可以看出，熔体向玻璃态转变时，并不象向固态转化一样有新相出现，而是随着温度的逐渐下降，粘度逐渐增大，最后形成固态玻璃，但始终无新相出现，玻璃并没有固定的熔点，而只有一个转化温度范围，这个范围决定于玻璃成分。

以玻璃的比容为例，当熔体冷却转化为晶体时，在固化时出现比容的突变，而熔体转化为固态玻璃时，并不出现突变点。

1.3玻璃的结构

1.3.1常见的是晶子学说和无规则网络学说

晶子学说：是1921年由列别捷夫根据淬火玻璃在250℃~500℃之间其折射率发生急剧变化而提出的，他认为该玻璃在此热处理温度范围内发生了结构变化，即硅酸盐玻璃中石英的细小晶粒由α型转变为β型，在此基础上他提出了玻璃是高分散晶子的聚合体，而高分散晶子中主要是石英晶子，在450℃~600℃玻璃性质的反常变化是石英由一种晶型转变为另一种晶型分不开的。

无规则网络学说：该学说是查哈里阿森在1932年借助于戈德斯密特的结晶化学原则提出来的。

根据该学说的条件，B2O3、SiO2、GeO2、P2O5、V2O5、As2O5、Sb2O5等能

形成玻璃，由它们所组成的多面体成为网络的结构单元，R2O和RO未能满足上述条件，只能作为网络改良体，处在网络之外，填充于网络的空隙之中。以维持网络中局部的电中性，见图1-4。该学说的要点：

玻璃结构与晶体结构相类似，由各种原子所组成的不对称、非周期性的三维连续点阵网络结构，这种点阵网络是由相互联系的网层组成，各种其它金属离子是无规则的，统计地均匀分布在网络结构的空隙中。

1.3.2 硅酸盐玻璃的结构

石英玻璃：

[SiO2]四面体

桥氧非桥氧

其他玻璃：

如B2O3玻璃，[BO3]硼氧三角体

2玻璃的组成与分类

玻璃按成分分类

2.1氧化物玻璃

SiO2、B2O3、P2O5、GeO2等可形成玻璃，当冷却十分迅速时，As2O3、Sb2O3也可以形成玻璃。SiO2又称石英玻璃。

2.2硅酸盐玻璃

a 碱硅酸盐玻璃：Na2O-SiO2系统，R2O-mSiO2其水溶液称为水玻璃，工业

上m=1~4，当m=2时可作陶瓷泥浆的稀释剂；

b 碱土硅酸盐玻璃：CaO-SiO2 无法制得透明玻璃；

c 碱—碱土硅酸盐玻璃：Na2O- CaO-SiO2系统玻璃，产量占玻璃产量的90%

以上，如窗玻璃、板玻璃、玻璃纤维制品、食品包装用的瓶罐，日用器皿等。

原料：纯碱、石灰石、石英砂

d碱、铝硅酸盐玻璃：Li2O- Al2O3-SiO2低膨胀微晶玻璃；

Na2O- Al2O3-SiO2 高膨胀玻璃、表面微晶玻璃；

CaO - Al2O3-SiO2 耐热玻璃、矿渣微晶玻璃、建材；

e铅硅酸盐玻璃：R2O- PbO-SiO2 电真空玻璃、光学玻璃、PbO折射率高；

f氟硅酸盐玻璃：NaF- TiO2-SiO2 低折射率、高色散、光学玻璃；

2.3硼酸盐玻璃：K2O-B2O3 、Na2O-B2O3对玻璃形成理论有实际意义；

2.4硼硅酸盐玻璃：K2O-B2O3-SiO2、Na2O-B2O3-SiO2 热稳定性好、化学器皿；

2.5磷酸盐玻璃：以P2O5为主的玻璃，化学稳定性差，只用于发挥其特长的场合和磷酸盐光学玻璃、高透红外玻璃、生物玻璃

2.6锗酸盐玻璃：透红外能力好：GeO2-BaO-TiO2 、GeO2-BaO-Al2O3

3 玻璃的性质

3.1密度

单位体积的玻璃质量。主要取决于组成玻璃的原子质量等。

3.2黏度

粘度的概念：

设有两平行液层接触面积为S，当上液层以恒速向前运动时，由于液体间的内摩擦力，将带动下层液层以速度梯度dv/dx向前运动，这时两液层间具有的内摩擦力f为：

f=ηSdv/dx，

式中η—液体的粘度; dPa·s(=P); 1 dPa·s= 1P=10-1Pa·s(帕·秒)=102cP