玻璃的粘度,表面性质,力学和热学性质

5.1.2
玻璃的弹性
材料在外力作用下产生变形，当去掉外力后能够恢
复原来的形状的性质称为弹性。 弹性模量——取决于内部质点间化学键的强度，同 时也与结构有关 键强越大，结构越密实，变形越小，弹性模量就越 大
弹性模量与成分的关系 弹性模量与温度的关系
弹性模量与热处理的关系
5.1.3
玻璃的硬度和脆性
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
在退火过程中，对制品内应力的消除速度有重要的影响
4.1.1
粘度与温度的关系
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晶体与玻璃熔体 的粘度随温度变 低温——缔合基本完成 化不同 阴离子基团不断发生 不同组成玻璃熔 缔合，产生大阴离子 体随温度的变化 基团，因此不是直线 关系 其粘度变化的速 度——料性 高温——未发生缔合 在不同温度区域 玻璃粘度的变化
双丝法
用待测玻璃和已知膨胀系数的标准玻璃棒或小块玻璃熔合在一起，拉成 一定长度和均匀厚度的丝，形成一个类似双金属的系统。若两种玻璃的热膨 胀系数有差别时，双玻璃丝冷却后就会弯曲。通过测定玻璃丝弯曲的弦长和 弦高，可计算出已知膨胀系数的标准玻璃和待测玻璃的膨胀系数之差，从而 得到待测玻璃的膨胀系数。
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)
硬度——固体材料抵抗另一种固体材料深入其内部而 脆性——当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的 不产生残余应变的能力。 塑性变形而立即破裂的性质。
通常采用破坏时受到的冲击强度来表示： 测试方法：莫氏硬度（划痕）法、显微硬度（压痕） 法、研磨硬度（磨损）法、刻划硬度（刻痕）法等。
抗压强度
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。
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
4.1.6
方法
旋转法 落球法
粘度的计算和测定
3.3 3.0
9 3.6 8
适用范围
1～107Pa· s 1～103Pa· s
原理
7 2.7
备注
1000 1100 1200 1300
通过测定旋转体由于玻璃粘滞阻力而产 2.4 6 生的扭力矩得到玻璃的粘度
490 510 o o 520 斯托克斯定律：球体以自由落体形式进 500 必须考虑有限边界条
拉丝法
107～ 1014Pa· s
4.2
玻璃的表面张力
熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用 而趋向于熔体内部，使表面呈现收缩的趋势。 表面张力对气泡排除，条纹溶解，玻璃成形 的益处 表面张力对模压制品、薄膜、平板玻璃生产 造成的不利影响
4.2.2
表面张力与组成、温度的关系
温度升高，体积膨胀，表面张力降低 氧硅比越小，阴离子基团越大。作用力矩e/r 越小，则表面张力降低
4.1.2
粘度与熔体的关系
熔体随温度降低形成大阴离子团——粘度增大
温度较高时，硅氧四面体群有较大的空隙，可以容纳小型体群通 过——粘度减小 温度降低时，空隙变小——粘度增大
高温时熔体中的碱金属和碱土金属氧化物以离子状态自由移动， 同时减弱硅氧键的作用，因此使粘度减小。而在低温时，某些金 属氧化物可能起到积聚作用，使粘度增大。
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

[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
玻璃的密度
密度与温度及热处理历史的关系 密度与压力的关系

膨胀系数 机械强度 急热和急冷 热稳定性和制品的厚度、大小、形状和成形方法 均有一定关系
Temperature ( C) 件带来的影响 入无限液体空间作等速运动时，液体对 Temperature ( C)
其作用的大小
530
压入法
107～ 1012Pa· s
在平板试样上，用加有一定负荷的针状、 球状或棒状的压头压入，从压头压入的 速度求得粘度 用一定长度和直径的无缺陷玻璃丝，在 直立的管状电炉中受一定的荷重作用而 伸长，通过测定其黏性均匀伸长的速率 来获得粘度
含有表面活性物质的玻璃系统，则由于表面活性物 质在高温下的“解吸”，而出现表面张力随温度升 碱金属加入使复合阴离子解离，表面张力增大 高而增大的反常现象。 表面活性物质剧烈降低表面张力 此外玻璃熔融的气氛对表面张力也有一定的影响： 极性气体对表面张力影响大，明显降低表面张力； 还原气氛下熔制，玻璃表面张力较氧化气氛大20％
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]

实际强度远低于理论强度（2~3数量级）
5.1.1.3
1. 化学组成
2. 表面微裂纹 3. 微不均匀性
影响玻璃强度的因素
各质点的键强 减少和消除玻璃的表面缺陷（火焰抛 单位体积内键的数目
4.
5. 6. 7. 8.
光、氢氟酸腐蚀） 各微相之间易产生裂纹 结构缺陷 200℃以下，由于裂纹端分子热运动 宏观缺陷：结石、气泡、条纹等缺陷 使玻璃表面形成压应力，克服表面微 微相间相互结合的力比较弱 加荷速度越大，时间越长，其破坏强 活性介质 增强，导致键的断裂，因此强度随温 与主体玻璃成分不一致，造成内应力 渗入裂纹产生劈楔作用，使裂纹扩展 裂纹的作用（物理、化学钢化） 由于成分不同，微相间产生应力 温度 度越小 度升高而降低 分布不均的残余应力使玻璃强度大大 且宏观缺陷为微观缺陷（点缺陷、晶 与玻璃发生化学作用破坏结构 玻璃中的应力 由于加荷作用下微裂纹的加深所致 200℃以上，由于裂口钝化，从而缓 降低 界、局部析晶）提供了界面，使其常 玻璃的疲劳现象 解了应力集中，因此强度随温度升高 常在此处集中，从而导致裂纹产生 钢化形成均匀的表面压应力则能提高 而增加 机械强度5～10倍
干涉法
当两种的膨胀系数有差别时，在交界面上会产生永久应力或不变应力， 从而出现双折射。
5.2.2
玻璃的比热容
在某一温度下单位质量的物质升高1℃所需 的热量
5.2.3
玻璃的导热性
物质依靠质点的振动将热能传递至较低温度 物质的能力。 以热导率λ 表示（W/m·K) 设计熔炉、玻璃成形模压、计算玻璃生产工 艺热平衡
取决于对形成紧密、对称的三维 低，粘度减小 架状结构的作用
但网络外体在氧硅比不同的情况下，对粘度的影响 是不同的
4.1.4
粘度参考点
1013.6Pa·，退火下限温度 s 1012.4Pa·，Tg s 12 10 Pa·，退火上限温度 s 1010～1011Pa· s
10 ～10 Pa· ，操作温度上限 s