第四章-玻璃的黏度和表面性质PPT课件
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玻璃的黏和表面性质PPT课件
• 一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合 阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r 的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。 但随阳离子半径的增加，其顺序为： σLi2O·SiO2＞σNa2O·SiO2＞σK2O·SiO2＞σCs2O·SiO2
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300
表面张力σ(dyne/cm) 表面张力σ(dyne/cm)
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结论：氧化物对玻璃黏度的影响，不仅取决于氧化物的性质，而且还取决于加入玻 璃中的数量和玻璃本身的组成。
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4.1.4 黏度参考点
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4.2 玻璃表面张力
4.2.1玻璃表面张力的物理与工艺意义
• 物理意义：玻璃与另一相接触的相分界面上（一 般指空气）在恒温、恒容下增加一个单位表面时 所作的功。N/m或J/m2
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• O／Si比值：对于硅酸盐熔体，随O／Si比值的变 化，其聚合阴离子团的大小、形态和相互作用力 矩e/r （e是复合阴离子团所带的电荷，r是复合 阴离子团的半径）也发生变化。O／Si比值愈小， 熔体中聚合阴离子团愈大， e/r比值变小，相互 间作用力愈小，表面张力降低。
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10000
η（P）
1000 100 10
K Na Li
1
0.1 0
Li
K Na
10
20 30
40
R2O(mol%)
Ｒ2O－SiO2中碱金属离子R＋对粘度的影响
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• 二价金属氧化物 ①与碱金属一样，减小黏度； ②离子电价较高，半径不大，夺取氧离子，缔合阴离子基团，增大黏度。综合两 个相反效应，R2+降低粘度的次序是Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+
玻璃的黏度和表面性质
100
Si
η（P）
80
60
Mg Zn Ni Ca Ca Sr Ba Mn Cu Cd
0 0.50 1.00 1.50
40
20
Pb
二价阳离子对硅酸盐熔体粘度的影响
CaO：低温CaO增大黏度；高温含量低于
10%~12%减小黏度，含量高于10%~12%增大黏 度。
ZnO：低温ZnO增大黏度；高温减小黏度。 具有18个电子层结构的二价副族元家离子Zn2+、
成形：粘度随温度的变化是玻璃成形的基础；
退火：应力的消除主要通过粘滞流动，消除的速度与粘
度成反比。
影响黏度的主要因素是化学组成和温度
4.1.1 黏度与温度的关系
粘度随温度的变化规律：随温度的升高粘度下降。 玻璃的料性：对于组成不同的玻璃，随温度变化其 粘度变化速率不同。
长性玻璃 短性玻璃
η η
1
A
B
η
2
t1
t2
t3
t4
玻璃的弹性、黏度与温度的关系
黏度与温度的关系式：
Ae
u KT
1
u KT
Ae
lg
T
b u T
b lg 2 T
B log A T T0
4.1.2 黏度与熔体结构的关系
玻璃的黏度与熔体结构密切相关，而熔体结构又取 决于玻璃的化学组成和温度。 硅酸盐熔体中存在大小不同的硅氧四面体群或络合 阴离子，且在不同温度下以不同比例平衡共存。 四面体群间存在较大的空隙（自由体积），并随温 度而变化。
Li2O—Na2O—K2O 顺序递减；
10000
04 玻璃的粘度及表面性质
表 4-3 一些钠硅酸盐在 1400℃的粘度 组 SiO 2 Na 2 O•2 SiO 2 Na 2 O• SiO 2 2Na 2 O• SiO 2 成 O：Si 2.0 2.5 3.0 4.0 [SiO 4 ]连 接 程 度 骨 架 状 层 链 岛 状 状 状 1400℃时的粘度/Pa•s 109 28 0.16 < 0.1
106.5～107 108～109 109～1010 10 10
12
1013.5
14
从液体的结构可知， 液体中各质点之间的距离和相互作用力的大小均与晶体接近， 每个 质点都处于周围其他质点键力作用之下， 即每个质点均是落在一定大小的势垒 （ u ） 之中。 要使这些质点移动（流动） ，就得使它们具有足以克服该势垒的能量。这种活化质点（具有 大于 u 能量的质点）数目越多，液体的流动度就越大；反之流动度就越小。按波尔兹曼分
表 4-2 钠钙硅玻璃的粘度-温度数据 粘度 / Pa•s 10 3.16×10 10
2 3 4 5 6
温度 / ℃ 1451 1295 1178 1013 903 823 764 716 674 639 609 583 559 539 523
lgη 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0
73
仅决定于玻璃的组成与温度。 当温度进入 B 区 （温度转变区） ， 粘度随温度下降而迅速增大， 弹性模量也迅速增大。在这一温度区，粘度（或其他性质）除决定于组成和温度外，还与时 间有关。当温度继续下降进入 C 区，弹性模量进一步增大，粘滞流动变得非常小。在这一
杨氏模量/×9810Pa 图 4-1 两种不同类型玻璃的 温度-粘度曲线示意图 图 4-2 玻璃的弹性、粘度与温度的关系 温度/℃ 图 4-2 Na 2 O-CaO-SiO 2 玻璃的 弹性、粘度与温度的关系
106.5～107 108～109 109～1010 10 10
12
1013.5
14
从液体的结构可知， 液体中各质点之间的距离和相互作用力的大小均与晶体接近， 每个 质点都处于周围其他质点键力作用之下， 即每个质点均是落在一定大小的势垒 （ u ） 之中。 要使这些质点移动（流动） ，就得使它们具有足以克服该势垒的能量。这种活化质点（具有 大于 u 能量的质点）数目越多，液体的流动度就越大；反之流动度就越小。按波尔兹曼分
表 4-2 钠钙硅玻璃的粘度-温度数据 粘度 / Pa•s 10 3.16×10 10
2 3 4 5 6
温度 / ℃ 1451 1295 1178 1013 903 823 764 716 674 639 609 583 559 539 523
lgη 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0
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仅决定于玻璃的组成与温度。 当温度进入 B 区 （温度转变区） ， 粘度随温度下降而迅速增大， 弹性模量也迅速增大。在这一温度区，粘度（或其他性质）除决定于组成和温度外，还与时 间有关。当温度继续下降进入 C 区，弹性模量进一步增大，粘滞流动变得非常小。在这一
杨氏模量/×9810Pa 图 4-1 两种不同类型玻璃的 温度-粘度曲线示意图 图 4-2 玻璃的弹性、粘度与温度的关系 温度/℃ 图 4-2 Na 2 O-CaO-SiO 2 玻璃的 弹性、粘度与温度的关系
玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质PPT文档共26页
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
ห้องสมุดไป่ตู้
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢！
玻璃的黏度及表面性质
第4章 玻璃的粘度及表面性质4.1玻璃的粘度在重力、机械力和热应力等的作用下，玻璃液（或玻璃熔体）中的结构组元（离子或离子组团）相互间发生流动。
如果这种流动是通过结构组元依次占据结构空位的方式来进行，则称为粘滞流动。
当作用力超过“内摩擦”阻力时，就能发生粘滞流动。
粘滞流动用粘度衡量。
粘度是指面积为S 的两平行液面，以一定的速度梯度dxdV移动时需克服的内摩擦阻力f 。
dxdVSf η= （4-1） 式中： η—粘度或粘滞系数S —两平行液面间的接触面积dx dV /—沿垂直于液流方向液层间速度梯度粘度是玻璃的一个重要物理性质，它贯穿于玻璃生产的全过程。
在熔制过程中，石英颗粒的溶解、气泡的排除和各组分的扩散都与粘度有关。
在工业上，有时应用少量助熔剂降低熔融玻璃的粘度，以达到澄清和均化的目的。
在成形过程中，不同的成形方法与成形速度要求不同的粘度和料性。
在退火过程中，玻璃的粘度和料性对制品内应力的消除速度都有重要作用。
高粘度的玻璃具有较高的退火温度，料性短的玻璃退火温度范围一般较窄。
影响玻璃粘度的主要因素是化学组成和温度，在转变区范围内，还与时间有关。
不同的玻璃对应于某一定粘度值的温度不同。
例如粘度为1012s Pa •时，钠钙硅玻璃的相应温度为560℃左右，钾铅硅玻璃为430℃左右，而钙铝硅玻璃为720℃左右。
在玻璃生产中，许多工序（和性能）都可以用粘度作为控制和衡量的标志（见表4-1）。
使用粘度来描述玻璃生产全过程较温度更确切与严密，但由于温度测定简便、直观，而粘度和组成关系的复杂性及习惯性，因此习惯上用温度来描述和规定玻璃生产工艺过程的工艺制度。
4.1.1粘度与温度关系由于结构特性的不同，因而玻璃熔体与晶体的粘度随温度的变化有显著的差别。
晶体在高于熔点时，粘度变化很小，当到达凝固点时，由于熔融态转变成晶态的缘故，粘度呈直线上升。
玻璃的粘度则随温度下降而增大。
从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变化的，其间没有数值上的突变。
玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质
C 玻璃的硬度主要取决于化学组成和结构，还与温度和 D 热处理历史有关。对玻璃冷加工影响非常大。 S
抗冲击强度
测量方法：落球法，压痕破坏法
5.1.4
玻璃的密度
密度主要取决于构成玻璃原子的质量， 也与原子的堆积紧密程度及配位数有关。
网络形成体
体积： [BO4]<[SiO4]<[AlO4]
影响热导率因素：
玻璃内部的导热包括：热传导，热辐射
低温时，热传导占主要地位，其大小主要取决 于玻璃的化学组成：键强越大，热传导性能越 好
高温时，热辐射占主要地位，温度越高，传导 性能越高。玻璃的颜色越深，导热性越差。
5.2.4
玻璃的热稳定性
玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能。
P K E cd
第4章
玻璃的粘度和表面性质
4.1
玻璃的粘度
定义 粘度是指面积为S的两平行液面，以一定的速 度梯度dV/dx移动时所需克服的内摩擦阻力f。 f=ηS dV
dx
粘度在玻璃生产过程中的作用
在熔制过程中，原料的溶解、气泡的排除、各组分的扩散均化
影响粘度的因素：化学组成、温度、热处理时间 在成形过程中，不同的成型方法与成形速度要求不同的粘度和料性
4.1.3
粘度与组成的关系
有利于形成大阴离子基团的组成使粘度增大（SiO2、 Al2O3、ZrO2等）
提供游离氧，破坏网络结构的，则使粘度减小；场 氧硅比较大，意味着大型的[SO4] 强较大的可能产生复杂的作用：高温降粘，低温增 群分解为小型[SO4]群，粘滞活化能降 粘 氧硅比 键强、离子的极化（R2O－SiO2） 结构的对称性（B2O3、P2O5、SiO2） 配位数（B2O3、Al2O3） 总体来说，键强大，则粘度大
玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质
2
3
106～107Pa· ，操作温度下限 s
10Pa· s
4.1.5
粘度在玻璃生产中的应用
玻璃的熔制（石英的扩散、澄清、均化）
玻璃的成形
玻璃的退火（粘滞流动、弹性松弛）
玻璃的钢化、微晶化、分相、显色等过程中 温度制度的制定，都必须考虑粘度的影响。
10
3.9
logh (cP) logh (cP)
4.2.3
影响因素
玻璃的润湿性
气体介质 温度 玻璃的组成
4.3
玻璃的表面性质
玻璃表面的离子交换
玻璃的表面吸附
玻璃的表面组成和表 面结构
第5章
玻璃的力学性能和热学性能
玻璃的力学性能：
机械强度、弹性、硬度、脆性、密度
一、机械强度 抗压强度高，硬度高
玻璃的脆性、玻璃中 存在的微裂纹和内部不均 抗折、抗张强度低（仅为抗压的7～10％） 匀区和缺陷的存在造成应 力集中所引起 脆性大
5.2
玻璃的热学性能
L2 L1 L L1 (t 2 t1 ) L1t
5.2.1 玻璃的热膨胀系数 线膨胀系数
热膨胀系数与成分、温度和热处理历史的关 系
热膨胀系数的测量方法
石英膨胀仪法
利用置于石英玻璃管中的玻璃试样与高纯度石英玻璃的膨胀系数的不同， 测定两者在加热过程中的相对伸长。
[BO4]<[BO3] 网络外体 •当其使硅氧四面体连接断裂，但并不 引起网络扩大时（Li,Mg），可以填充 “硼反常现象”和“铝反常现象”在密度中 与网络空隙，使密度增加
的体现
•当其半径较大，网络空隙容纳不下时， 则使网络结构扩张，密度降低
5.1.4
3-玻璃的粘度及表面性质
dV f S dx
式中：η为黏度，单位为Pa· s
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的粘度与表面性质”
College of Chemistry & Materials Science
3.1.2 黏度与温度的关系（掌握）
所有实用硅酸盐玻璃，其黏度随温度的变化规律属 于同一类型。 在η ＝10-1011 Pa· S范围内，粘度由温度及化学组成 所决定； 在η ＝1011-1014 Pa· S范围内，粘度与时间有关。 注：生产上常把玻璃的粘度随温度变化的快慢称为 玻璃的料性。粘度随温度变化快的玻璃称为短 性玻璃，反之称为长性玻璃。
B2O3和Al2O3
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的粘度与表面性质”
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15
B2O3
当B3＋是lgηBiblioteka η×10-1Pa.s)14
13 12 11 10 0 4 8 12 16 20 24 28 32
4配位时形成
[BO4]时，黏
《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的粘度与表面性质”
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图中分三个温度区 A区：温度较高，表现为典型 的黏性液体，其弹性性 质近于消失。黏度决定
于玻璃的组成和温度。
B区：（转变区）黏度、弹性模量随温度的↓而 ↑↑。黏度与组成、温度和时间有关。
3.1.3 黏度与熔体结构的关系
对硅酸盐熔体 存在着大小不同的硅氧四面体群或络合阴离子，
它们在玻璃中存在着不同的结构，该结构与温度有
很大的关系。
熔体中的硅氧四面体群有较大的空隙，可容纳
第四章玻璃的性质分析ppt课件
❖ RO
作用类似于R2O。 MgO> CaO> SrO > BaO 因场强较大，故MgO、CaO、ZnO等使↑； BeO可形成[BeO4]进入结构网络，形成大阴离 子团，↓； PbO极化率大，易作定向排列，可↓。
❖ R2O3
Al2O3、La2O3使↑， B2O3使↓。
B2O3降，可能因为表面多为[BO3]而内部为 [BO4]
•中间性质组分 •难熔表面活性强组分
碱土金属氧化物对粘度的影响较为复杂。 一方面：与R+一样，能使复合离子团离解而引 起粘度减小（高温时起主要作用）； 另一方面：由于R2+电价较高，离子半径又不大 ，故键力较R+大，可能夺取原来复合硅氧离子团 中氧离子来包围自己，使粘度增大（低温时起主 要作用）。
降低粘度的能力： Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+ CaO高温降粘度，低温升粘度。（ZnO也类似） 例熔3：体中粘间度体的氧变化化物也以决四定面于体R存-O在键，力取的代大S小iO。2后， 所以有： ηAl2O3＞ηGa2O3和η SiO2＞ηGeO2
例1：R+对R2O－SiO2熔体粘度的影响 •随R2O含量↑，体系粘度↓
•当O／Si低时，网络连接好， 对粘度起主要作用的是四面体 [SiO4]之间的键力
R-O键的键力顺序： Li+-O＞Na+-O＞K+-O，
所以对Si-O键的削弱作用为： Li+＞Na+＞K+
故熔体粘度为： ηLi＜ηNa＜ηK
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
•①波尔兹曼公式
作用类似于R2O。 MgO> CaO> SrO > BaO 因场强较大，故MgO、CaO、ZnO等使↑； BeO可形成[BeO4]进入结构网络，形成大阴离 子团，↓； PbO极化率大，易作定向排列，可↓。
❖ R2O3
Al2O3、La2O3使↑， B2O3使↓。
B2O3降，可能因为表面多为[BO3]而内部为 [BO4]
•中间性质组分 •难熔表面活性强组分
碱土金属氧化物对粘度的影响较为复杂。 一方面：与R+一样，能使复合离子团离解而引 起粘度减小（高温时起主要作用）； 另一方面：由于R2+电价较高，离子半径又不大 ，故键力较R+大，可能夺取原来复合硅氧离子团 中氧离子来包围自己，使粘度增大（低温时起主 要作用）。
降低粘度的能力： Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+ CaO高温降粘度，低温升粘度。（ZnO也类似） 例熔3：体中粘间度体的氧变化化物也以决四定面于体R存-O在键，力取的代大S小iO。2后， 所以有： ηAl2O3＞ηGa2O3和η SiO2＞ηGeO2
例1：R+对R2O－SiO2熔体粘度的影响 •随R2O含量↑，体系粘度↓
•当O／Si低时，网络连接好， 对粘度起主要作用的是四面体 [SiO4]之间的键力
R-O键的键力顺序： Li+-O＞Na+-O＞K+-O，
所以对Si-O键的削弱作用为： Li+＞Na+＞K+
故熔体粘度为： ηLi＜ηNa＜ηK
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
•①波尔兹曼公式
玻璃的粘度及表面性质
氧硅比 键强 离子极化 结构对称性 配位数 （1）氧硅比
氧硅比大（如熔体中碱含量增大，游离氧增 多），非桥氧多，网络结构不牢固，熔体黏度减 小；反之增大。
（2）键强：在其它条件相同的前提下，粘度随阳离 子与氧的键强增大而增大。
R2O－SiO2玻璃 黏度按Li2O－Na2O－K2O依次递减 （3）离子极化：离子极化力大的阳离子对桥氧的极化
(1) 应变点：η＝1013.6，即应力在几小时内消 除的温度。 (2) 转变点（Tg）： η＝1012.4 Pa·S的温度。
(3) 退火点： η＝1012 Pa·S的温度，应力在几 分钟内消除。
(4) 变形点： η＝1010～1011Pa·S的温度范围。
(5) 软化温度（Tf）： η＝3×106～1.5×107 Pa·S的温度范围，相当于操作温度的下限
(6) 操作范围：相当于成形时玻璃液表面的温度范 围。T上限～T下限， T上限指准备成形操作的温度 ； T下限指成形时能保持制品形状的温度；η＝ 103～106.6Pa·S
(7) 熔化温度：η＝10Pa·S
(8) 自动机供料的黏度：102～103Pa·S
3.1.6 黏度对生产的应用
1、在熔制阶段：其对应粘度为100.7-10 Pa·S
2、成型阶段：成形开始的黏度随制品的种类而异 ，一般在101.6～103 Pa·S，终了黏度 为101.6～103 Pa·S
3、玻璃退火：对应粘度为1011－1014 Pa·S,典型的钠 钙硅玻璃对应的温度为583℃～539℃ ，即退火温度范围
3.2 玻璃的表面张力
3.2.1 表面张力的物理意义
熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用 而趋向于熔体的内部，使表面有收缩的趋势，即 玻璃液表面分子间存在着作用力，即
氧硅比大（如熔体中碱含量增大，游离氧增 多），非桥氧多，网络结构不牢固，熔体黏度减 小；反之增大。
（2）键强：在其它条件相同的前提下，粘度随阳离 子与氧的键强增大而增大。
R2O－SiO2玻璃 黏度按Li2O－Na2O－K2O依次递减 （3）离子极化：离子极化力大的阳离子对桥氧的极化
(1) 应变点：η＝1013.6，即应力在几小时内消 除的温度。 (2) 转变点（Tg）： η＝1012.4 Pa·S的温度。
(3) 退火点： η＝1012 Pa·S的温度，应力在几 分钟内消除。
(4) 变形点： η＝1010～1011Pa·S的温度范围。
(5) 软化温度（Tf）： η＝3×106～1.5×107 Pa·S的温度范围，相当于操作温度的下限
(6) 操作范围：相当于成形时玻璃液表面的温度范 围。T上限～T下限， T上限指准备成形操作的温度 ； T下限指成形时能保持制品形状的温度；η＝ 103～106.6Pa·S
(7) 熔化温度：η＝10Pa·S
(8) 自动机供料的黏度：102～103Pa·S
3.1.6 黏度对生产的应用
1、在熔制阶段：其对应粘度为100.7-10 Pa·S
2、成型阶段：成形开始的黏度随制品的种类而异 ，一般在101.6～103 Pa·S，终了黏度 为101.6～103 Pa·S
3、玻璃退火：对应粘度为1011－1014 Pa·S,典型的钠 钙硅玻璃对应的温度为583℃～539℃ ，即退火温度范围
3.2 玻璃的表面张力
3.2.1 表面张力的物理意义
熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用 而趋向于熔体的内部，使表面有收缩的趋势，即 玻璃液表面分子间存在着作用力，即
玻璃工艺学粘度和表面张力优质课件
氟化物取代氧化物降低，因为 2F– 代一种O2–
2.化学键旳强度 其他条件相同步化学键越强粘度越大。 R2O-SiO2中R+使粘度降低 （1）O/Si 高时 负离子团呈孤岛状，网络需R-O连接，
键强大 大。 Li > Na > K
（2）O/Si 低时 网络较完整， R+主要起断网作用， 3.阳离子极化力 Li+ 对 Ob旳极化作用强， Li < Na < K 阳离子极化力大，减弱硅氧键旳作用强，使降低。 非惰性气体型阳离子极化力 > 惰性气体型 如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。
场强小对表面张力旳贡献小。 即Li> Na> K
由图可知， Na2O对无明显影响， Li2O使增大， K2O使减小。
2.RO
N/m103 320
280
Li2O Na2O
240 K2O
200
(R2O-SiO2 1300C) R2O mol%
因场强较大，故CaO、MgO、ZnO等使增大。
PbO有吸附作用，可降低。
定义： 粘度指面积为S旳两平行液层以一定旳速度梯度
（dv/dx）移动时需克服旳内摩擦阻力f。
f= •S •(dv/dx)
(4-1)
——粘度或粘度系数 单位： 国际单位：帕斯卡•秒（Pa • S）
常用单位：泊（P）
1 Pa • S=10 P
20C水 =10 -3 Pa • S 玻液=10 Pa • S
3.R2O3 Al2O3使增大， B2O3使减小。 B2O3降,可能因为表面多为[BO3]而内部为[BO4]
能明显降低旳称为表面活性物质，如K2O、PbO、B2O3
2.化学键旳强度 其他条件相同步化学键越强粘度越大。 R2O-SiO2中R+使粘度降低 （1）O/Si 高时 负离子团呈孤岛状，网络需R-O连接，
键强大 大。 Li > Na > K
（2）O/Si 低时 网络较完整， R+主要起断网作用， 3.阳离子极化力 Li+ 对 Ob旳极化作用强， Li < Na < K 阳离子极化力大，减弱硅氧键旳作用强，使降低。 非惰性气体型阳离子极化力 > 惰性气体型 如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。
场强小对表面张力旳贡献小。 即Li> Na> K
由图可知， Na2O对无明显影响， Li2O使增大， K2O使减小。
2.RO
N/m103 320
280
Li2O Na2O
240 K2O
200
(R2O-SiO2 1300C) R2O mol%
因场强较大，故CaO、MgO、ZnO等使增大。
PbO有吸附作用，可降低。
定义： 粘度指面积为S旳两平行液层以一定旳速度梯度
（dv/dx）移动时需克服旳内摩擦阻力f。
f= •S •(dv/dx)
(4-1)
——粘度或粘度系数 单位： 国际单位：帕斯卡•秒（Pa • S）
常用单位：泊（P）
1 Pa • S=10 P
20C水 =10 -3 Pa • S 玻液=10 Pa • S
3.R2O3 Al2O3使增大， B2O3使减小。 B2O3降,可能因为表面多为[BO3]而内部为[BO4]
能明显降低旳称为表面活性物质，如K2O、PbO、B2O3
第四章玻璃的性质
（2）表面张力的工艺意义
表面张力在玻璃的澄清、均化、成形、玻 璃液与耐火材料相互作用等过程中趁着十分重 要的作用。 澄清 大，气泡长大难，澄清难。
均化
成型
大时，力求成球，均化难。
拉边器 自抛光
热加工
烧口
火抛光
2.影响玻璃表面张力的因素 （1）玻璃组成对表面张力的影响 质点间作用力越大，表面张力越大，凡影响 质点间作用力的因素，都将影响表面张力的大小。 R2O 对于R2O-SiO2系统，随着R+半径↑，σ依次↓ N/m103 即Li> Na> K Li2O 由右图可知:
15 Logη(dPa.s)
高温 熔体基本无聚合，
低温 聚合趋于完毕，
c
10
u都为常数。
bc中温段 冷却时不断发 生聚合， u随温度变化 较大（增大），故此段为 0 0.50 0.75 1.00 1.25(1/T) 钠钙硅酸盐玻璃的Logη~1/T关化能（Δu）是温度的函数，其关系式为 Δu＝b／T，Δu与键强成正比， 与绝对温度成反 比，将上式代入（4-3）得： lgη＝a＋b'／T2 (4-4） 式中：b'＝b／K lge 注意：式（4-3）式（4-4）都是近似公式。
离子的极化 •阳离子极化力大，减弱硅氧键的作用强，使降低。
•非惰性气体型阳离子极化力 > 惰性气体型 非惰性气体型阳离子，由于电子层结构不对 称，在高温时容易在结构中形成缺陷或不对称中 心，因而导致粘度下降，对高温粘度表现特别明 显。因此PbO 在整个温度范围都有很大的粘度 降低作用。 如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+ 等均可降低粘度。
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.
22
高价金属氧化物
SiO2、Al2O3、ZrO2：阳离子电荷多、半径小， 作用力大 ，倾向于形成更复杂的阴离子基团 ， 黏滞活化能变大，增大黏度；
.
23
阳离子配位数
Lg η(η:P)
15 14
13
12
11
10 04
8 12 16 20 24 28 32 B2O3(mol%)
16Na2O·xB2O3·(84－x)SiO2
硅酸盐玻璃的表面张力（220~380）×10-3 N/m
.
28
熔体的表面张力σ（×10－3 N/m）
熔体 温度（℃） σ
H2O NaCl B2O3 P2O5 PbO Na2O Li2O Al2O3
ZrO2 GeO2
25
第四章
玻璃的黏度及表面性质
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1
主要内容
4.1 玻璃的黏度 4.2 玻璃的表面张力 4.3 玻璃的表面性质
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2
4.1 玻璃的黏度
定义：粘度是指面积为S的两平行液层，以一定速 度梯度dv/dx移动时需克服的内摩擦阻力f。
.
3
黏度是玻璃的重要性质之一
熔制：石英的溶解和各组分的扩散； 澄清均化：气泡的排除 ，条纹节瘤的溶解扩散； 成形：粘度随温度的变化是玻璃成形的基础； 退火：应力的消除主要通过粘滞流动，消除的速度与粘
②当R2O含量较高时（O/Si比值较高）：黏度按 Li2O—Na2O—K2O 顺序递减；
.
17
10000
η（P）
1000 100 10
K Na Li
1
0.1 0
Li
K Na
10
20 30
40
R2O(mol%)
Ｒ2O－SiO2中碱金属离子R＋对粘度的影响
.
18
二价金属氧化物
①与碱金属一样，减小黏度； ②离子电价较高，半径不大，夺取氧离子，缔合阴
骨 架 状
109
层 状
28
链 状
1.6
岛 状
<1
.
14
通常碱金属氧化物（ Li2O 、Na2O 、 K2O 、 Rb2O 、 Cs2O ）能降低熔体粘度。
236
202
Δu(kJ/mol)
168 134
100
66 10
20 30 40 50 60 70 Na2O(mol%)
Na2O－Si2O系统中Na2O含.量对粘滞活化能△u的影响 15
u
Ae KT 1
u
Ae KT
lg
.T
8
.
9
u b T
lg b
T2
logA B
TT0
.
10
4.1.2 黏度与熔体结构的关系
玻璃的黏度与熔体结构密切相关，而熔体结构又取 决于玻璃的化学组成和温度。
硅酸盐熔体中存在大小不同的硅氧四面体群或络合 阴离子，且在不同温度下以不同比例平衡共存。
ZnO：低温ZnO增大黏度；高温减小黏度。 具有18个电子层结构的二价副族元家离子Zn2+、
Cd2+、Pb2+等较含8个电子层的碱土金属离子更 能降低粘度。
.
21
如18 Na2O·12 RO·70SiO2玻璃当η=1012Pa·s时温 度是：
RO BeO CaO SrO BaO ZnO CdO PbO 温度/℃ 582 533 511 482 513 487 422
结论：氧化物对玻璃黏度的影响，不仅取决 于氧化物的性质，而且还取决于加入玻璃中 的数量和玻璃本身的组成。
.
26
4.1.4 黏度参考点
.
27
4.2 玻璃表面张力
4.2.1玻璃表面张力的物理与工艺意义
物理意义：玻璃与另一相接触的相分界面上（一般 指空气）在恒温、恒容下增加一个单位表面时所作 的功。N/m或J/m2
熔体中O/Si比值与结构及粘度的关系
熔 体 的 分 子 式 O/Si比 值 结 构 式
SiO2 Na2O· 2SiO2 Na2O· SiO2 2Na2O· SiO2
2∶ 1 2.5∶ 1 3∶ 1 4∶ 1
[SiO2] [Si2O5]2－ [SiO3]2－ [SiO4]4－
[SiO4]连 接 形 式 1400℃ 粘 度 值 （ Pa· s）
.
12
4.1.3 黏度与玻璃组成的关系
玻璃化学组成与黏度之间存在复杂的关系。氧化物 对玻璃黏度的影响，不仅取决于氧化物的性质，而且 还取决于加入玻璃中的数量和玻璃本身的组成。 玻璃组成是通过改变熔体结构而影响粘度的。
.
13
一价碱金属氧化物
黏度大小首先取决于硅氧四面体网络的连接程度，硅氧四面 体网络的连接程度又与氧硅比的大小有关。
四面体群间存在较大的空隙（自由体积），并随温 度而变化。
.
11
四面体群间存在的空隙随温度的变化表现为粘度随 温度的变化。
温度升高，空隙增大，小型四面体群可穿插移动； 温度降低，空隙变小，四面体群移动受阻，且聚合为大
型四面体群，网络连接程度增大。
熔体中碱金属和碱土金属离子随温度变化对熔体结 构的影响。
Log η(η:P)
9 8
7 6
5 4 3
2
1
0
0
10
20
30 40
50
金属氧化物（mol%）
网络改变剂氧化物对熔融石英粘度的影响
□=Li2O-SiO2 1400℃ ；○＝K2O-SiO. 2 1600℃；△=BaO-SiO2 1700℃ 16
碱金属离子对黏度的影响与本身含量有关。
①当R2O含量较低时（O/Si比值较低）：黏度按 Li2O—Na2O—K2O 顺序递增；
离子基团，增大黏度。综合两个相反效应，R2+ 降低粘度的次序是Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+
.
19
100
Si
η（P）
80
60
Mg
Zn
40
Ni Ca Mn
Cu
Ca Sr
Ba
Cd
Pb
20
0
0.50
1.00
1.50
二价阳离子对硅酸盐熔体粘度的影响
.
20
CaO：低温CaO增大黏度；高温含量低于 10%~12%减小黏度，含量高于10%~12%增大黏 度。
系统玻璃中 560.℃时的粘度变化
24
其他化合物
CaF2能使熔体粘度急剧下降，其原因是F-的离子 半径与O2-的相近，较容易发生取代，但F-只有一 价，将原来网络破坏后难以形成新网络，所以粘 度大大下降。
稀土元素氧化物：氧化镧、氧化铈等，以及氯化 物、硫酸盐在熔体中一般也起降低粘度的作用。
.
25
度成反比。
影响黏度的主要因素是化学组成和温度
.
4
4.1.1 黏度与温度的关系
.
5
粘度随温度的变化规律：随温度的升高粘度下降。
玻璃的料性：对于组成不同的玻璃，随温度变化其 粘度变化速率不同。
长性玻璃 短性玻璃
ηA
B
η1
η2 .
t2 t3
t4
6
玻璃的弹性、黏度与温度的关系
.
7
黏度与温度的关系式：