第四章玻璃的性质分析ppt课件.ppt

我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物玻玻璃璃工工艺艺学学叶叶巧巧明明教教授授我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第第四四章章 玻璃玻璃的性质的性质我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3(一一)玻璃玻璃的粘度的粘度粘度的物理意义粘度的物理意义v 粘度是液体的一种性质，表示液体一部分对另一部分作相粘度是液体的一种性质，表示液体一部分对另一部分作相对移动时的阻力。对移动时的阻力。v 设设有两平行液层接触面，当上液层以恒速向前运动时，有两平行液层接触面，当上液层以恒速向前运动时，由于液体间的内摩擦，将带动下液面以速度梯度由于液体间的内摩擦，将带动下液面以速度梯度dvdx向向前移动，这时两液层间具有的内摩擦力前移动，这时两液层间具有的内摩擦力f为：为： fsdvdx 式中：式中：熔体的粘度或粘滞系数熔体的粘度或粘滞系数 s两平行液层间的接触面积（即界面积）两平行液层间的接触面积（即界面积） dvdx速度梯度，即单位距离上的速度变化速度梯度，即单位距离上的速度变化 单位：帕单位：帕斯卡斯卡秒（秒（Pas），1帕帕秒秒10分帕分帕秒秒（泊泊） 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 粘度的影响贯穿于玻璃生产的全过程。粘度的影响贯穿于玻璃生产的全过程。v熔熔化：化：石英砂的熔化包括表面溶解和扩散，粘度石英砂的熔化包括表面溶解和扩散，粘度小利于扩散。小利于扩散。v澄清澄清：气泡上升速度与粘度成气泡上升速度与粘度成反比反比。v均化均化：实际是质点的扩散，粘度小有利。实际是质点的扩散，粘度小有利。v成形成形：在成形过程，粘度的掌握是一个关键，不在成形过程，粘度的掌握是一个关键，不同的成形方法要求不同的粘度和料性。同的成形方法要求不同的粘度和料性。v退火退火：在在 =1011.51013帕帕 秒内通过粘滞流秒内通过粘滞流动消除应力动消除应力。v制品的制品的热处理热处理 粘度在显色、分相、微晶化、烧结、钢化等粘度在显色、分相、微晶化、烧结、钢化等热加工和热处理过程中热加工和热处理过程中也也是一个重要影响因素。是一个重要影响因素。 2粘度的工艺意义粘度的工艺意义我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物vT的关系的关系 如右图可见：如右图可见： 玻璃的玻璃的随随T而而 从玻璃液到固态玻璃从玻璃液到固态玻璃的转变的转变过程中过程中，粘度变，粘度变化是连续的，没有数值化是连续的，没有数值上的突变。上的突变。v玻璃的料性玻璃的料性 2粘度和温度的关系粘度和温度的关系料性：料性：玻璃随温度变化粘度变化的速率，或粘度玻璃随温度变化粘度变化的速率，或粘度随温度变化的速率。随温度变化的速率。 用用 d /dT 表示料性表示料性 d /dT 大即料性大即料性短短（B）曲线较陡）曲线较陡 d /dT 小即料性小即料性长长（A）曲线较平缓）曲线较平缓我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v粘度与温度的量化粘度与温度的量化关系关系波尔兹曼公式波尔兹曼公式 =A e u/KT （4-1） =1/ =A e u/KT （4-2）式中：式中： 流动度，流动度， u质点粘程活化能质点粘程活化能， A与组成有关的常数与组成有关的常数， K波尔兹曼常数波尔兹曼常数 T绝对温度绝对温度 将式（将式（4-2）取对数，写成以）取对数，写成以10为底对数的形式，为底对数的形式，即为即为： loglogA（u/ KT）loge 简化为简化为： lgT （ u是常数时是常数时） （4-3） = LgA = ( u/K) Lge 由此可见，由此可见，lg与与1T成简单的成简单的线性关系线性关系。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物高温高温 熔体基本无聚合，熔体基本无聚合，低温低温 聚合趋于完毕，聚合趋于完毕， u都为常数。都为常数。bc中温段中温段 冷却时不断发冷却时不断发生聚合，生聚合， u随温度随温度变化变化较大较大（增大），故此段为（增大），故此段为非线性关系。非线性关系。E=180300550KJ/mol0.50 0.75 1.00 1.25(1/T)Log(dPa.s)151050钠钙硅酸盐玻璃的钠钙硅酸盐玻璃的Log1/T关系曲线关系曲线bc 粘滞活化能（粘滞活化能（u）是温度的函数，其关系式为）是温度的函数，其关系式为ubT，u与键强成正比，与键强成正比， 与绝对温度成反比，与绝对温度成反比，将上式代入（将上式代入（4-3）得：）得： lgabT2 (4-4） 式中：式中：bbK lge 注意：式（注意：式（4-3）式（）式（4-4）都是近似公式。）都是近似公式。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物富尔切尔（富尔切尔（Fulcher）公式）公式 logAB（T-T0） （4-7） 式中：式中：A、B常数，常数， T0温度常数温度常数 T绝对温度绝对温度其它其它 3粘度和粘度和熔体熔体的关系的关系v组成组成 R+断网断网聚合度聚合度n 熔体自由体积熔体自由体积 R2+ 高温解聚（断网）高温解聚（断网） ， 低温积聚，低温积聚，n 高场强离子高场强离子 积聚作用很强，积聚作用很强，n 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v温度温度 温度高温度高时，熔体的空隙较多较大，时，熔体的空隙较多较大，有利于小型四面体群的穿插移动，表现有利于小型四面体群的穿插移动，表现为为粘度下降粘度下降。 温度下降温度下降时，自由体积变小，四面体时，自由体积变小，四面体群移动受阻，而且小型四面体群聚合为群移动受阻，而且小型四面体群聚合为大型四面体群，网络连接程度变大，表大型四面体群，网络连接程度变大，表现为现为粘度上升粘度上升。 在在g-f间，粘度随温度的变化非常间，粘度随温度的变化非常急剧。急剧。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 玻璃成分与粘度之间存在复杂的关系，一般玻璃成分与粘度之间存在复杂的关系，一般可以从氧硅比离子极化键强结构对称性可以从氧硅比离子极化键强结构对称性配位数等方面来分析。配位数等方面来分析。v氧硅比氧硅比 O/Si表现了网络连接程度。表现了网络连接程度。 O/Si大时大时 Onb多，多，聚合度聚合度n低，低， 较小。较小。 O/Si小时小时 Onb少，少，聚合度聚合度n高，高， 较大。较大。 其他阴离子硅其他阴离子硅对粘度也有显著作用。对粘度也有显著作用。 如水如水H2O一般以一般以OH-状态存在，使玻璃中的状态存在，使玻璃中的阴离子与硅的比值增大，降低玻璃粘度。阴离子与硅的比值增大，降低玻璃粘度。 又如，当玻璃中以氟化物取代氧化物时（如又如，当玻璃中以氟化物取代氧化物时（如以以CaF2取代取代CaO），）， 由于阴离子与硅比值增大，由于阴离子与硅比值增大，粘度下降。粘度下降。4玻璃组成对粘度的作用玻璃组成对粘度的作用我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v化学键的强度化学键的强度 总趋势：总趋势：在其它条件相同的前提下，粘度随阳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。离子与氧的键力增大而增大。例例1：R+对对R2OSiO2熔体粘度的影响熔体粘度的影响随随R2O含量含量，体系粘度，体系粘度当当OSi低时，网络连接好，低时，网络连接好，对粘度起主要作用的是四面体对粘度起主要作用的是四面体SiO4之间的键力之间的键力R-O键的键力顺序：键的键力顺序： Li+-ONa+-OK+-O，所以对所以对Si-O键的削弱作用为：键的削弱作用为： Li+Na+K+故熔体粘度为：故熔体粘度为： LiNaK我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物当当OSi很高很高时，时， 此时此时SiO4之间连接已之间连接已接近岛状，孤立接近岛状，孤立SiO4 很大很大程度上依靠程度上依靠碱金属离子碱金属离子相连。相连。再引入再引入R2O，键力最大的键力最大的Li+具有最高的粘度，具有最高的粘度，即：即：LiNaK我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物例例2 R2对粘度作用对粘度作用 100806040200 0.50 1.00 1.50 2.00(P)SiMgZnNiCaSrBa PbCa Cu MnCd我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 碱土金属氧化物对粘度的影响较为复杂。碱土金属氧化物对粘度的影响较为复杂。 一方面：一方面：与与R+一样，能使复合离子团离解而引一样，能使复合离子团离解而引起起粘度减小粘度减小（高温时起主要作用）；（高温时起主要作用）； 另一方面：另一方面：由于由于R2+电价较高，离子半径又不大电价较高，离子半径又不大，故键力较，故键力较R+大，可能夺取原来复合硅氧离子大，可能夺取原来复合硅氧离子团中氧离子来包围自己，使团中氧离子来包围自己，使粘度增大粘度增大（低温时起（低温时起主要作用）。主要作用）。 降低粘度的能力：降低粘度的能力： Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+ CaO高温降粘度，低温升粘度。（高温降粘度，低温升粘度。（ZnO也类似）也类似） 例例3：中间体氧化物以四面体存在中间体氧化物以四面体存在，取代取代SiO2后，后，熔体粘度的变化也决定于熔体粘度的变化也决定于R-O键力的大小。键力的大小。所以有：所以有： Al2O3Ga2O3和和 SiO2GeO2 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v离子的极化离子的极化阳离子极化力大，减弱硅氧键的作用强，使阳离子极化力大，减弱硅氧键的作用强，使 降降低。低。非惰性气体型阳离子极化力非惰性气体型阳离子极化力 惰性气体型惰性气体型 非惰性气体型阳离子，由于电子层结构不对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心，因而导致粘度下降，对高温粘度表现特别明显显。因此因此PbO 在整个温度范围都有很大的粘度在整个温度范围都有很大的粘度降低作用。降低作用。 如如Pb2+、Cd2+、Sn2+、Bi3+、Zn2+、Co2+等均可降低粘度。等均可降低粘度。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v结构的对称性结构的对称性 结构对称结构对称性好，性好，则结构缺陷较少，粘度较大。则结构缺陷较少，粘度较大。 如如B2O3、为硼氧三角体，为硼氧三角体，P2O5的的为带双键氧为带双键氧的四面体，的四面体，结构对称性都不如结构对称性都不如SiO2，所以他们的，所以他们的粘度都远远小于石英玻璃。粘度都远远小于石英玻璃。0 8 16 24 32 B2O3(%)15141312111016Na2O xB2O3 (84-x)SiO2系统系统v配位数配位数 配位状态对粘度有显著影响配位状态对粘度有显著影响粘度有硼反常现象粘度有硼反常现象。电荷相同时电荷相同时N越大越大 越大。越大。如如 In2O3(N=6) Al2O3 (N=4) ZrO2 (N=8) TiO2 (N=6) GeO2 (N=4) 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v小结小结 SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度。等提高粘度。碱金属氧化物降低粘度碱金属氧化物降低粘度碱土金属氧化物对粘度的影响复杂。碱土金属氧化物对粘度的影响复杂。 增加粘度的顺序增加粘度的顺序Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+PbO、CdO、Bi2O3、SnO等降低粘度。等降低粘度。Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低温粘度，降等都有增加低温粘度，降低高温粘度的作用。低高温粘度的作用。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v（1）定义）定义 作用在作用在单位长度单位长度液体表面使之收缩的液体表面使之收缩的力力。 或或： 玻璃与另一相接触的相界面上，在恒温、恒容下玻璃与另一相接触的相界面上，在恒温、恒容下增加一个增加一个单位表面单位表面所作的所作的功功。 单位：单位：N/m 或或 J/m21000 C以上，玻璃熔体以上，玻璃熔体 =22038010-3 N/m20 C 水水 =7810-3 N/m(二二)玻璃的表面张力和表面性质玻璃的表面张力和表面性质1.玻璃表面张力的物理与工艺意义玻璃表面张力的物理与工艺意义我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v（2）表面张力的工艺意义）表面张力的工艺意义 表面张力在玻璃的澄清、均化、成形、玻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璃液与耐火材料相互作用等过程中趁着十分重要的作用。要的作用。澄清澄清 大，气泡长大难，澄清难。大，气泡长大难，澄清难。均化均化 大时，力求成球，均化难。大时，力求成球，均化难。成型成型 拉边器拉边器 自抛光自抛光热加工热加工 烧口烧口 火抛光火抛光我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.影响玻璃表面张力的因素影响玻璃表面张力的因素（1）玻璃组成对表面张力的影响）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质点间作用力的因素，都将影响表面张力的大小。vR2O 对于对于R2O-SiO2系统，随着系统，随着R+半径半径，依次依次即即 Li Na K 由由右右图可知图可知: Li2O使使 ， Na2O对对 无明显影响，无明显影响， K2O使使 。 R2O mol%N/m 103320280240200Li2ONa2OK2O(R2O-SiO2 1300 C)我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物vRO 作用类似于作用类似于R2O。 MgO CaO SrO BaO 因场强较大，故因场强较大，故MgO、CaO、ZnO等使等使 ； BeO可形成可形成BeO4进入结构网络，形成大阴离进入结构网络，形成大阴离子团，子团， ； PbO极化率大，易作定向排列，极化率大，易作定向排列，可可 。vR2O3 Al2O3、La2O3使使 ， B2O3使使 。 B2O3降降 ，可能因为表面多为可能因为表面多为BO3而内部为而内部为BO4 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v阴离子阴离子F- （如（如CaF2)、SO42-(如芒硝如芒硝) 、Cl -（如（如NaCl），）， 能显著能显著 这些化合物均有利于玻璃的澄清与均化。这些化合物均有利于玻璃的澄清与均化。v组成氧化物分类组成氧化物分类非表面活性组分非表面活性组分 符合加和法则符合加和法则中间性质组分中间性质组分难熔表面活性强组分难熔表面活性强组分不符合加和法则不符合加和法则我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v多数玻璃多数玻璃 T， 在特定温度范围内：在特定温度范围内： = 0（1 bT） 在温变过程中不发生缔合或解聚在温变过程中不发生缔合或解聚的液体在一定范围内为直线关系。的液体在一定范围内为直线关系。在转变温度区域，在转变温度区域， 发生急速变化。发生急速变化。v个别情况个别情况 如如PbO随随T， 。 一般含表面活性物质的系统均有一般含表面活性物质的系统均有与此相似的行为。与此相似的行为。（2）温度对表面张力的影响）温度对表面张力的影响 T我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v干燥非极性气体干燥非极性气体 如：如：N2、H2、He等等 影响小影响小v极性气体极性气体 如：水蒸汽、如：水蒸汽、SO2、NH3、HCl等等 使使 （3）玻璃表面张力与气体的关系）玻璃表面张力与气体的关系我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.玻璃的润湿能力与润湿角玻璃的润湿能力与润湿角 sl lg sgv概念概念 sg固固-气界面的表面张力；气界面的表面张力； lg液液-气界面的表面张力；气界面的表面张力； sl 固固-液界面的表面张力；液界面的表面张力； 润湿角润湿角。v三力平衡时三力平衡时 sg= lgcos + sl =0，完全浸润完全浸润； 90，润湿；，润湿； 90，不润湿；，不润湿； =180，完全完全不不浸润浸润。 v 小小有有利于封接利于封接我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v影响玻璃表面润湿性的因素影响玻璃表面润湿性的因素 凡是影响表面张力的因素，也要影响润湿角。凡是影响表面张力的因素，也要影响润湿角。气体介质气体介质 在在氧气、空气氧气、空气介质介质中好中好，润湿好，润湿好（ 小）小）； 一般纯金属，不被玻璃润湿；金属表面氧化形成一般纯金属，不被玻璃润湿；金属表面氧化形成的表面氧化膜可促进润湿作用。的表面氧化膜可促进润湿作用。 润湿过程与固体表面的氧化程度有关，形成低价润湿过程与固体表面的氧化程度有关，形成低价氧化物，则润湿性好。氧化物，则润湿性好。温度温度 T， ，即润湿性，即润湿性。化学组成化学组成 基本类似于表面张力，基本类似于表面张力，同价离子同价离子r小小 润湿性好润湿性好，如如 KNaLi。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物vSiO2玻璃玻璃一般一般表面结构表面结构 每个阳离子周围的氧离子数目不满足每个阳离子周围的氧离子数目不满足形形成了表面力，即表面自由能成了表面力，即表面自由能玻璃的表面张力、玻璃的表面张力、表面吸湿性等性能，并赋予玻璃表面较大的活泼表面吸湿性等性能，并赋予玻璃表面较大的活泼性性vSiO2玻璃玻璃新鲜新鲜断面结构断面结构 有断键有断键 与与H2O反应生成反应生成 Si OH （硅羟团）（硅羟团） 4.玻璃的表面性质玻璃的表面性质（1）玻璃表面结构和表面成分）玻璃表面结构和表面成分 SiOSi SiO + Si我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物进一步吸附水进一步吸附水v硅酸盐玻璃表面结构硅酸盐玻璃表面结构若含若含P、B、Al、同样会水化、同样会水化，生成，生成POH、BOH团团、AlOH团等团等对于含碱玻璃，对于含碱玻璃，R-O键也会断键也会断 Si-O-R+H2OSiOH+ROH 由于由于H+半径小于半径小于R+，交换后产生张应力，会使，交换后产生张应力，会使表面出面微裂纹表面出面微裂纹HHO OSi Si H HOSi-O-H我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物若若ROH被冲去，则表面比内部缺少被冲去，则表面比内部缺少R+R2O和和B2O3易在热加工过程中挥发失去，也使易在热加工过程中挥发失去，也使表表面比内部缺少面比内部缺少R+，造成表面缺陷造成表面缺陷表面的表面的SiOH可吸附各种气体可吸附各种气体 因此，玻璃表面反应的结果是生成了因此，玻璃表面反应的结果是生成了SiOH，并造成了并造成了R2O的损失。的损失。（2）玻璃表面性质）玻璃表面性质v强度强度： 表面微裂纹使强度表面微裂纹使强度 。H+取代取代R+使表使表面产生张应力，常会产生微裂纹。面产生张应力，常会产生微裂纹。 玻璃的强度主要是表面强度，因此去除表面缺玻璃的强度主要是表面强度，因此去除表面缺陷和强化表面结构的措施都可提高玻璃的强度。陷和强化表面结构的措施都可提高玻璃的强度。 v表面析晶能力强表面析晶能力强我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物BBAABADrDrDDnDD（3）玻璃的表面反应）玻璃的表面反应v离子交换离子交换现象：现象：玻璃表面发霉、表面着色、玻璃的化学钢化、玻璃表面发霉、表面着色、玻璃的化学钢化、玻璃镀膜等玻璃镀膜等原因原因：在玻璃表面涂覆的某些盐类或浸在某些盐类熔：在玻璃表面涂覆的某些盐类或浸在某些盐类熔融物中加热，玻璃中的某些离子就会同熔盐的离子融物中加热，玻璃中的某些离子就会同熔盐的离子相互交换相互交换机理：机理：属互扩散反应属互扩散反应 A+ (玻璃玻璃)+B+ (熔盐熔盐)=B+ (玻璃玻璃)+A+(熔盐熔盐) 是介于是介于DA和和DB之间的数值。之间的数值。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 工业上常用大半径阳离子交换半径小的工业上常用大半径阳离子交换半径小的阳离子，使玻璃表面产生压应力。阳离子，使玻璃表面产生压应力。影响压应力因素：影响压应力因素：v r比比 v交换程度交换程度v 的变化的变化v表面结构重组产生的应力松弛表面结构重组产生的应力松弛v压应力层的厚度（压应力层的厚度（3050微米）微米）我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v表面吸附表面吸附物理吸附物理吸附 压力越大吸附量越多。压力越大吸附量越多。(H2、N2、O2、CO2)化学吸附化学吸附 通过共有原子或离子实现。通过共有原子或离子实现。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v玻璃的力学性质包括机械强度、弹性、硬度等。玻璃的力学性质包括机械强度、弹性、硬度等。v概述概述定义定义 ：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后能：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。恢复原来形状的性质。包括：包括：弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量。弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量。弹性模量弹性模量 ：表示材料抵抗变形的能力。：表示材料抵抗变形的能力。(三三)玻璃玻璃的力学性质的力学性质1.玻璃玻璃的的弹性弹性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v 影响影响玻璃玻璃弹性模量的因素弹性模量的因素 组成组成 热处理热处理 温度温度（1）组成）组成 主要考察二方面：主要考察二方面：化学键强：化学键强：质点间质点间化学键化学键越越强强，变形越小，变形越小，E越越大大；质点堆积的紧密程度：质点堆积的紧密程度：堆积紧密度高，堆积紧密度高，E大。大。同族氧化物，随同族氧化物，随r ，E R2O使使E减小，但减小，但Li2O使玻璃分子体积缩小而使使玻璃分子体积缩小而使E提高提高同周期氧化物，随电荷数同周期氧化物，随电荷数Z ，E 半径小，极化力大的离子使半径小，极化力大的离子使E 如如Li+、Be2+、Ti4+、Zr4+等等 反之，大半径，反之，大半径，小小Z的阳离子氧化物不利于提高的阳离子氧化物不利于提高E。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物配位数的影响，配位数高的配位数的影响，配位数高的E大大如在硅酸盐玻璃中引入如在硅酸盐玻璃中引入Al2O3，使，使E 有有硼反常硼反常（如右图）（如右图）硼铝反常（铝硼硅酸盐）硼铝反常（铝硼硅酸盐） 当当 1时时 ， BO4、AlO4，E 当当 0 1 时时， BO4、BO3、AlO4，E 当当 0 时时 ， BO3、AlO6、AlO4，E EB2O3%15(Na2OAl2O3)B2O3= 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（2）热处理）热处理淬火玻璃淬火玻璃E退火玻璃退火玻璃E 约约27%玻纤玻纤EB2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO2.玻璃玻璃的硬度的硬度和脆性和脆性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v脆性脆性（1）定义定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象。现象。（2）表示方法表示方法 玻璃破坏时受到的冲击强度表示。玻璃破坏时受到的冲击强度表示。（3）影响因素影响因素R+、R2+使脆性增大，且随其半径增大而上升。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。处于三角体时脆性较小。引入小半径阳离子，有利于获得硬度大脆性小的玻璃引入小半径阳离子，有利于获得硬度大脆性小的玻璃耐耐冲击强度越冲击强度越随随试样厚试样厚度的增加而增加度的增加而增加。淬火试样淬火试样耐冲击耐冲击强度比退火样大强度比退火样大57倍。倍。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v定义定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。v表示方法表示方法 抗张强度抗张强度：抗张应力（拉伸应力）的能力。抗张应力（拉伸应力）的能力。 抗压强度抗压强度：受压应力作用破坏时的极限应力。受压应力作用破坏时的极限应力。 抗折抗折(弯弯)强度强度：受的最大弯曲载荷受的最大弯曲载荷 （弯曲力矩（弯曲力矩/阻力矩）阻力矩） 抗冲击强度抗冲击强度：受动态载荷能力。受动态载荷能力。 3.玻璃玻璃的机械强度的机械强度我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v影响玻璃强度的因素影响玻璃强度的因素（1）表面状态）表面状态 表面表面微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低抗压强度低1/101/15。（2）玻璃组成）玻璃组成 键强大，结构紧密则强度高。键强大，结构紧密则强度高。 可提高强度的有可提高强度的有CaO、BaO、B2O3 (15%)、Al2O3、ZnO等。等。（3）微不均匀性）微不均匀性 玻璃中存在微不均匀相时，易形成微裂纹，玻璃中存在微不均匀相时，易形成微裂纹，降低强度。降低强度。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（4）玻璃中的缺陷）玻璃中的缺陷 宏观缺陷（气泡、结石、结瘤）宏观缺陷（气泡、结石、结瘤） 微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等）微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等） 缺陷缺陷界面处有应力界面处有应力，形成微裂纹，严重影响，形成微裂纹，严重影响强度强度。（5）活性介质）活性介质（极性物质（极性物质，如如水、水、酸、碱酸、碱及某些盐及某些盐类类）作用：作用：使玻璃强度降低使玻璃强度降低破坏途径：破坏途径： 渗入裂纹使裂纹扩展渗入裂纹使裂纹扩展 与玻璃与玻璃起化学反应起化学反应，使结构破坏。使结构破坏。 水可大大降低水可大大降低f。 干空气、非极性物质、憎水性有机硅对干空气、非极性物质、憎水性有机硅对f影响小。影响小。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（6）残余应力）残余应力 非均匀分布的应力使强度大大降低。非均匀分布的应力使强度大大降低。 表面为压应力，且应力分布均匀，强度提表面为压应力，且应力分布均匀，强度提高，如钢化玻璃。高，如钢化玻璃。200 C Tf（7）温度）温度200 C，T ，塑性变形塑性变形可能性可能性T ，f 。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物（8）玻璃的玻璃的疲劳现象疲劳现象： 玻璃长时间在玻璃长时间在交变载荷交变载荷的作用下，在远低于其的作用下，在远低于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。极限应力的情况下发生突然断裂的现象。 加荷加荷速度越大，时间越长，强度越小。速度越大，时间越长，强度越小。： 裂纹尖端在集中的应力作用下裂纹尖端在集中的应力作用下加快加快了与了与水水分的分的作用，而水分溶解了一部分玻璃，从而作用，而水分溶解了一部分玻璃，从而延长裂纹延长裂纹，达到临界长度就发生断裂。达到临界长度就发生断裂。 只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。 温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。劳现象加剧。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物v玻璃增强玻璃增强 物理钢化物理钢化（淬火）（淬火） 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。化学钢化化学钢化 r大大离子取代离子取代r小小离子离子贴层玻璃贴层玻璃 在玻璃表面贴一层在玻璃表面贴一层低的物质（陶瓷釉）低的物质（陶瓷釉）火抛光火抛光 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。覆盖硅有机化合物覆盖硅有机化合物 放入氯硅烷（放入氯硅烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻）溶液中，通过水解在玻璃表面形成璃表面形成SiO2膜。膜。 使微裂纹弥合，形成压应力层。使微裂纹弥合，形成压应力层。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物玻璃热膨胀系数波动范围较大：玻璃热膨胀系数波动范围较大：5.8 10-7150 10-7/ C一般钠钙硅玻璃为一般钠钙硅玻璃为：80100 10-7/ Cv组成对组成对 的影响的影响质点间的键力质点间的键力 反映了网络的紧密程度（完整性和键力强弱）反映了网络的紧密程度（完整性和键力强弱），阳离子与氧离子之间的键力（阳离子与氧离子之间的键力（f=2Z/a2）越大，）越大，膨胀系数越小。膨胀系数越小。 增大增大 的能力的能力： Li+Na+K+Tg导导电性提高很快，熔融良导体。电性提高很快，熔融良导体。v离子导电离子导电 一般一般硅酸盐玻璃硅酸盐玻璃为离子导电为离子导电 载流子：阳离子，主要为碱金属离子载流子：阳离子，主要为碱金属离子（Na+ K+） v电子导电电子导电（1）表面电子导电）表面电子导电 （2）体积电子导电）体积电子导电(五五)玻璃玻璃的电学性质的电学性质1.玻璃的玻璃的导电性导电性（1）导电机理）导电机理我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 组成组成的影响的影响vR2O迁移性好，对电导率影响最大。迁移性好，对电导率影响最大。R+电阻率排序：电阻率排序： K+Na+Li+ 如：石英玻璃加如：石英玻璃加0.04ppm的的Na+时时 由由1017降为降为1013欧姆欧姆/厘米厘米混合碱效应混合碱效应 同时存在两种以上碱金属离子时，电阻率出现电同时存在两种以上碱金属离子时，电阻率出现电大值。如图大值。如图4-30 *T 效应减弱效应减弱 *加入第三种碱，效应明显。加入第三种碱，效应明显。 *总的碱含量越低，效应越不明显总的碱含量越低，效应越不明显 *Fe2O3的影响的影响(wt%)，2%6%影响小影响小 ，6%12%使使效应减弱效应减弱,12%16%效应消失效应消失。(2)影响电导率的因素影响电导率的因素我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物vRO无碱玻璃中参与导电无碱玻璃中参与导电 与与R2O类似，随类似，随RO含量含量 ，电导率，电导率 普通玻璃中使电阻增大普通玻璃中使电阻增大(压制效应压制效应）随着随着R2+离子半径的离子半径的 ，电阻率增加，电导率降低电，电阻率增加，电导率降低电阻率：阻率：Ba2+Pb2+Sr2+Ca2+Zn2+Mg2+Be2+vR2O3Al2O3：有：有反常反常现象（现象（如图如图4-34 所示）所示） *量少量少时，时， AlO4，连接网络，使连接网络，使电阻电阻 。 *量较多时，由于量较多时，由于VAlO4VSiO4，结构疏松，使电阻，结构疏松，使电阻率率 *在在Al2O3/SiO2=0.2时时 ，达最大值，达最大值， *量大量大时，时， AlO6，在网络空隙中，在网络空隙中，集聚作用使结集聚作用使结构紧密，并阻挡构紧密，并阻挡R+迁移，使迁移，使电阻电阻 。 *在在Al2O3/SiO2=1时时 ，达最小值，达最小值我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物T111eTBAlgB2O3 使电阻增大使电阻增大 v 高电场，高配位离子高电场，高配位离子 使电阻增大使电阻增大温度的影响温度的影响v温度温度 总趋势：总趋势：T ， 低温低温（Tg以下）：以下）：电导率与电导率与1/T呈线性关系呈线性关系 lg=A-B/T较较高温高温度度（Tg以上）：以上）： lg与与1/T关系由直线转变为曲线关系由直线转变为曲线 其中，其中，A1、B1、 1为与成分有关的常数为与成分有关的常数我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为