玻璃物理化学性能计算

玻璃物理化学性能计算

一、玻璃的粘度计算

...1. 粘度和温度的关系

...2. 玻璃组成对温度的作用

...3. 粘度参考算点及在生产中的应用

...4. 粘度的计

二、玻璃的机械性能和表面性质

...1. 玻璃表面张力的物理与工艺意义

...2. 玻璃表面张力与组成及温度的关系

...3. 玻璃的表面性质

...4. 玻璃的密度计算

三、玻璃的热学性质和化学稳定性

... （一）玻璃的热学性能

... （二）玻璃的化学稳定性

... （三）玻璃的光学性质

一、玻璃粘度和温度的关系

粘度是玻璃的重要性质之一。它贯穿着玻璃生产整个阶段，从熔制、澄清、均化、成型、加工、直到退火都与粘度密切相关。在成型和退火方面年度起着控制性的作用。在高速成型机的生产中，粘度必须控制在一定的范围内，而成型机的速度决定与粘度随温度的递增速度。此外玻璃的析晶和一些机械性能也与粘度有关。

所有实用硅酸盐玻璃，其粘度随温度的变化规律都属于同一类型，只是粘度随温度变化的速度以及对应某给定温度的有所不同。在10怕. 秒（或者更低）至约1011怕. 秒的粘度范围内，玻璃的粘度由玻璃化学成分所决定的，而在从约1011怕. 秒（1015泊，或者更高）的范围内，粘度又是时间的函数。

这些现象可由图来说明:

NaO---CaO---SiO 2玻璃的弹性、粘度与温度的关系

上图的三个区。在A区温度较高。玻璃表现为典型的粘度液体，他的弹性性质近于消失。在这一温度去中粘度仅决定于玻璃的组成和温度。当温度近于B

区时，粘度随温度下降而迅速增大，弹性模量也迅速增大。在这一温度区的粘度去决定于组成和温度外，还与时间有关。当温度进入C区，温度继续下降，弹性模量继续增大，粘滞留东变得非常小。在这一温度区，玻璃的粘度和其它性质又决定于组成和温度而与时间无关。图中所市的粘度和弹性随温度的变化现象，可以从玻璃的热历史说明。

钠钙硅玻璃的粘度一温度数据

二、玻璃的组成对粘度的作用

玻璃成分与玻璃粘度之间存在卓复杂的关系，一般可以从硅氧比、离子的极化、键强、结构对称性以及配位数等方面来说明。现分述于如：

2.1氧硅比

当氧硅比增大（例如熔体中碱含量增大），使大型四面体群分成为小型四面体群，自由体空间随之增大，导致熔体粘度下降，

在玻璃中一氟化物代替氧化物时（如以CaF2取代CaO，由于阴离子与硅之比值增大，也有降低粘度的作用。

2.2化学键的强度

在其它条件相同的前提下，粘度随阳离子与氧的键力增大而增大。

在两元（RO-SiQ）玻璃中,当O/Si比值很高时（即F2O含量较高），硅氧四面体间连接较少，已接近遇岛状结构，四面体很大程度上依靠键力R-O相联接, 因此键力量的Li+具有最高的粘度，粘度按Li2O-NaO-K2O顺序递减。但当O/Si 比值很低时，它们的粘度大小顺序由于此相反。

在加入配位数相同的阳离子情况下，各氧化物取代SiO2后年度的变化取决

于R-O键力的大小。因此n Al2O3> n Ga2O3［何仙。2 > n GeO2

2.3离子的极化

离子间的相互作用极化对粘度有明显的影响。阳离子的极化力大，对于硅氧

键的氧离子极化、变形大，减弱对氧键的作用大，表现在粘度下降。一般来说非惰性气体性阳离子的极化力大于惰性气体型氧离子，故前者减弱硅氧键的作用较大，具有较低的粘度。

以过渡金属氧化物取代也有粘度的作用如图所示。

在碱硅二元玻璃中， 当 O/Si 比很低时， 对粘度其主要作用的是硅氧四面体 [SiO 4] 间

的键力。极化力最大的 Li +是减弱 Si-O-Si 键的作用最大，故粘度按 Li 2O-N Q O-K 2O 顺序递增。

2.4 结构的对称性

在一定的条件下， 结构的对称性对粘度有着重要的作用。 如果结构不对称就 可能在结构中存在缺陷和弱点，因此使粘度下降。

例如，硅氧键和硼氧键的键强属于同一数量级的， 然而石英玻璃的粘度却比 硼氧玻璃大的多， 这正是由于二者结构的对称程度不同所致。 又如磷氧键和硅氧 键键强也属于同一数量级的， 但是磷氧玻璃的粘度比石英玻璃的小的多。 主要磷 氧玻璃四面体中又一带双键氧、结构不对称的缘故。

U

|

—P==O ]

|

n

2.5 配位数

0 0.23

1.00

0.50

1.25

0.75

配位状态对玻璃的粘度也有重要的影响， 氧化硼在这方面特别明显。 在电荷 相同的条件下，随氧离子配位数N 的升高，增加了对硅氧集团的积聚紧密，粘度 上升。

综上所述，各常见氧化物对玻璃粘度的作用，大致归纳如下： 一、 SiO 2、AI 2Q 、ZrO2 等提高粘度。 二、 碱金属氧化物降低粘度。

三、 碱土金属氧化物对粘度的作用较为复杂。对增加粘度顺序一般为：

Mg 2+>Ca 2+>Sr 2+>Ba 2+

其中CaO 在低温时增加粘度，在高温时当含量10—12%寸降低粘度，当含量 10—12%时增大粘度。

四、 PbO CdO Bi2Q 、SnO 等降低粘度。

此外、Li 20 ZnO B2Q 等都有增加低温年度，降低高温年度的作用。

2、玻璃粘度与成分的关系

各种常见氧化物对玻璃粘度的作用大致归纳如下：

（1） SiO 2、Al 2O 、ZrO 2等提高玻璃粘度。 （2） 碱金属氧化物R 2O 降低玻璃粘度。

( 3)碱土金属氧化物对玻璃粘度的作用较为复杂。 一方面类似于碱金属氧化 物，能使大 型的四面体群解聚， 引起粘度减小； 另一方面这些阳离子电价较高， 离子半径又 不大，故键