《玻璃概论》第2章玻璃的力学性质和热学性质.

（3）玻璃中的缺陷 宏观缺陷（气泡、结石、结瘤） 微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等） 界面处有应力。 （4）活性介质（极性物质如酸、碱） 作用：①渗入裂纹使裂纹扩展
②起化学反应使结构破坏。
水可大大降低σf。
干空气、非极性物质、憎水性有机硅对σf影响小。
（5）残余应力 非均匀分布的应力使强度大大降低。 （6）温度 σf
派莱克斯玻璃;Pyrex glass;Pyrex type glass
• 性质：一类含二氧化硅很高的硼硅酸盐硬质玻璃。 主要化学组成：二氧化硅78%～81%，三氧化硼 11.5%～13.5%，具有热膨胀系数低；热稳定性 高，机械强度大，耐酸性（除氢氟酸外）强；软 化点较高，能经受火焰加工的温度剧变等特点。 “派莱克斯”玻璃原为美国康宁玻璃公司商品名、 中国的“GG-17”和“BJTY”等。用于制造实验 仪器、真空系统器件、炊具，以及化学、医药、 食品等工业的管道和设备。
结论：
①只有水分存在时才有疲劳现象。真空
则无。
②温度较低时无（反应速度慢），温度 升高疲劳现象加剧。
3.玻璃增强 ① 物理钢化（淬火） 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 ② 化学钢化 ③ 贴层玻璃 在玻璃表面贴一层α低的物质（陶瓷釉） ④ 火抛光 r大离子取代r小离子
使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。
O Si O Si O
石英玻璃
键强大，结构紧密则强度高。
O O Si O R O O R O Si
Si O O R
含有R+的硅酸盐玻璃
O Si
Si
O Si
O Si O
O
O R
R
含有R2+的硅酸盐玻璃 图5-3三种不同结构强度的玻璃
可提高强度的有CaO、BaO、B2O3 (<15%)、 Al2O3、ZnO等。各氧化物对强度影响顺序见P97
二、玻璃的弹性 elastic reactance
1. 概述
定义 ：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去
除后能恢复原来形状的性质。
弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩 模量。 弹性模量 ：表示材料抵抗变形的能力。 低温下（<Tg） E=σ/ε 一般 ε相对纵向变形
E = 441×108~882×108 帕
(Na2O–Al2O3) = B2O3
当 >1时 当 0< <1 时 当 <0 时 [BO4]、[AlO4]，E增大。
[BO4]、[BO3]、[AlO4]， E减小。
[BO3]、[AlO6]、[AlO4]， E又增大。 E
硼铝反常（铝硼硅酸盐）
15
B2O3%
• 各种氧化物对玻璃弹性模量的提高作用是： CaO > MgO >B2O3> Fe2O3> Al2O3>BaO> ZnO > PbO • 弹性模量可用下式近似地计算： E=E1P1+E2P2+……+EnPn （5-17） 式中 E1、E2…… En —玻璃中氧化物的弹 性系数 P1、P2…… Pn—玻璃中氧化物的重量百分 数
5.热历史与的关系
不同热历史的玻璃有不同的。快冷的较大（低温）。
6. 分相和晶化对的影响☆
晶化后一般减小。主要由主晶相种类、结晶学特点、 晶体排列等决定。 分相玻璃的取决于连通相的。 7. 的测定
（1）石英膨胀仪法（立式、卧式）
注意：升温速率，最高温度（<Tf）。
（2）双线法（简便）
l--对角线长(mm)
P--载荷 （Kgf / mm2）
3. 组成对硬度的影响☆
* F网络生成体离子使H提高。M网络外体离子使H 降低。 * 同类玻璃，M离子场强越大H越高。 * 阳离子N越大H越高。 * 各组分对H的提高作用：
SiO2 >B2O3 >(MgO ZnO BaO) >Al2O3 >Fe2O3 >K2O >Na2O >PbO
需标准样（ 已知，热历史与被测样相似）
丝的曲率与成正比，与重叠厚度成正比。
h
20cm
8. 的计算
=∑iPi 玻璃中各氧化物的重量百分含量（%） 9.应用 ·由大小分硬质玻璃和软质玻璃（ <60×10-7/C） ·玻璃的封接 Δ<3×10-7/C ·制品热稳定性 大热稳差。
二、玻璃的比热 specific heat
抗冲击强度
受动态载荷能力。 （功）
1. 玻璃的理论强度
材料的强度取决于组成单元间的作用力
th= Er a a — 结构单元的平衡距离
th约1010帕，而实际强度不足108帕
一般 F= 34.3~83.3×106 帕
c= 49~196×108 帕
2.影响玻璃强度的因素
（1）表面状态
微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度 低1/10~1/15。 （2）玻璃组成:
（2）热处理 * 淬火玻璃E<退火玻璃E 约2~7% * 玻纤在300~350C处理后E增大同块状玻璃 。 * 晶化后E增大，取决于主晶相种类、性质。 （3）温度
* T
E (大多数硅酸盐玻璃)。
离子间距增大 * 石英、高硅氧玻璃和派莱克斯玻璃的E随温度 升高而增大。 （内部结构重组，弱结合转强结合）
增大的能力 4.温度和的关系☆
Li+<Na+<K+<Cs+
（1）不同T的不同。对要指明温度段。
例：Na2O 15% CaO 10% SiO2 75%
温度C 20~100
20~200
20~300
20~400
10-7 1/C 89 91 93.5 96 （2）一般T增大则增大，Tg点以下~t曲线基本由数段 线段组成。 （3）Tg点以上 随温度急剧增大，到Tf时可增三倍。
3. 影响因素☆ * R+、R2+使脆性增大，且随其半径增大而上升。 * B3+处于三角体时脆性较小。 * 试样越厚抗冲击强度越小。 * 淬火试样强度比退火样大5~7倍。
四、玻璃的密度density
1. 定义：物质单位体积的质量
d = m/V
生产上用于日常控制玻璃成分。 2. 影响因素 密度取决于原子质量、堆积密度等。
at+Co ②Cm= 0.00146t+1
a=∑Piai
Co=∑PiCoi
三、玻璃的导热系数thermal conductivity
1.定义：温度梯度为1时，在单位时间内通过试样单位截 面积的热量。 Q=λS Δt/δ 单位：W/m·C 常用：卡/厘米· 秒· 度
2.影响因素
* 温度升高λ增大。到软化点Ts时可增大一倍。 * SiO2、Al2O3、B2O3、Fe2O3使λ增大。 PbO、BaO较高可降低λ。 3.计算
第2章玻璃的力学性质和热学性质
2.1玻璃的力学性质
2.2玻璃热学性质
2.1玻璃的力学性质 一、机械强度mechanical intensity
定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。 抗张强度 抗压强度 抵抗张应力（拉伸应力）的能力。 受压应力作用破坏时的极限应力。
抗折(弯)强度
受的最大弯曲载荷
（弯曲力矩/阻力矩）
（1）组成（2）温度 （3）热历史 （4）压力
（1）组成 * r较小的M离子填充网络，使d增大。而r大 的（K+、Ba2+）使d减小。 * 配位数 B3+为[BO4],中间体氧化物为[IO6]时 密度增大。 （硼反常，铝反常）
（2）温度
T d
（3）热历史 * 淬火玻璃比退火玻璃密度小。 * 玻璃析晶后密度增大（析晶是有序化过程） （4）压力 * 加压方法 不同的加压方法对密度的变化不同。 * 组成不同随压力变化不同。 含M较多的玻璃变化较小，因其结构空隙已被填 充。
巴里赫尔公式
λ=∑Piλi
四、玻璃的热稳定性 thermal stability 1.定义：玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能。 常用试样在保持不破坏条件下的最大温差表示。 2.影响因素 * α对热稳定性有决定性影响。 * 制品厚度（越厚越不稳定） 3.计算 P λ 热稳定系数 K= αE cd
K
—热稳定性系数 —抗张强度极限 —玻璃的膨胀系数 —玻璃的弹性模量
高温 质点振动幅度增大，质点间距也变大，于是出现 热膨胀现象。 玻璃的热膨胀系数波动范围较大 一般钠钙硅玻璃为80~10010-7/C 2.热膨胀系数 5.810-7~15010-7/C
通常指线膨胀系数，且常用平均值。

L2 L1 L L1 t 2 t1 L1t
T= t2-t1
2.影响弹性模量的因素☆ （1）组成 （2）热处理 （1）组成 质点间化学键越强变形越小，E越大。
结构越坚实，弹性模量也越大
（3）温度
* 一般 大r、小Z的阳离子氧化物不利于提高E。 * R2O使E减小，但Li2O使玻璃分子体积缩小而使 E提高 * 硼反常：在15%（wt）有极值。 * 硼铝反常（铝硼硅酸盐）
T< 200C ,T ，分子热运 动加剧以抗衡分子间引力， σf ↓。 200C后可能由塑性变形 使σf。Fra Baidu bibliotek
200C
T
（7）疲劳现象 定义：
玻璃长时间在交变载荷的作用下，在远低 于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。 加荷速度越大，时间越长，强度越小。
解释： 裂纹尖端在集中的应力作用下加快了与水 分的作用，而水分溶解了一部分玻璃，从而延 长裂纹，达到临界长度就发生断裂。
3.密度的计算
式中
—密度
V=1/D = ∑Vmfm
f m —玻璃中氧化物的重量百分含量
Vm —各种组分的计算系数，见表5-8
2.2
玻璃的热学性质 thermal property
一、玻璃的热膨胀系数(coefficient of thermal expense)
1.热膨胀现象
常温 质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动）
三、玻璃的硬度和脆性（hardness and brittleness)
硬度
1. 意义：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。
2. 表示方法：
显微硬度 硬度 莫氏硬度（5~7） 研磨硬度 刻划
显微硬度（压痕法） 正方锥以一定载荷压在玻璃 表面，得一压痕，用显微镜测其对角线长度。
H=1.854P/ l2
—

P
E

玻璃的导热系数
C
—玻璃的热容 —玻璃的密度
d
即t1~t2的平均值 由L--t 图上某一点的切线斜率可得该点 体积膨胀系数 =V/V 1/t
3
单位： 1/C 玻璃常用 10-7 1/C 3.组成对的影响☆ 反映了网络的紧密程度（完整性和键力强弱） * 起断网作用的组分使增大（R+） * 起积聚、补网作用的组分使减小。（M4、Al3+） * 阳离子与氧的结合力（f=2Z/a2）f大， 小。
温度、热历史 的影响
• 温度升高时分子间结合强度降低，硬度 下降 • 淬火玻璃，由于结构疏松，故硬度也有 所下降
脆性 1. 定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂 的现象。 2. 表示方法 玻璃破坏时受到的冲击强度表示。 ∑Ph S= ∑Ph为总功 V为试样体积 V
脆弱度 D=C/S
C是耐压强度
⑤ 覆盖硅有机化合物
放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻 璃表面形成SiO2膜。
使微裂纹弥合，形成压应力层。
4玻璃强度的计算
• 抗张强度和耐压强度可按加和法则用计算： •F p1F1 p2 F2 pn Fn pi Fi （5-12） C p1C1 p2C2 pnCn piCi • （5-13） p…— • 式中 p1、 玻璃中各氧化物的重量百分数 n • F1 、…—各组成氧化物的抗张强度计算系数 • C1 、…—各组成氧化物的耐压强度计算系数
1.定义：某温度下单位质量的物质升高1C所需的热量。 1 d C= m · d为消耗的热量 dt
通常用平均比热Cm=1/m×/（t2-t1）
单位：J/kg· C 常用：千卡/千克· 度 卡/克· 度
2.影响因素
* 温度升高C增大，Tg~Tf内增大很快。 * SiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O、Li2O能提高C PbO、BaO较高可降低C。 3.计算 ①C=∑PiCi Pi 重量%