玻璃的定義與通性

1、玻璃的定義與通性,一、玻璃的定義 目前，玻璃這一名詞包括了玻璃態(tài)、玻璃材料和玻璃制品。 玻璃態(tài)是指物質的一種結構； 玻璃材料指用作結構材料、功能材料或新材料的玻璃，如建筑玻璃等； 玻璃制品指玻璃器皿、玻璃瓶罐等。 玻璃的定義應該包括玻璃態(tài)、玻璃材料與玻璃制品的內(nèi)涵和特征。,隨著人們認識的深化，玻璃的定義也在不斷地修改和補充，有狹義和廣義的玻璃定義類型。（一）狹義的定義 玻璃：采用無機礦

2、物為原料，經(jīng)熔融、冷卻、固化，具有無規(guī)則結構的非晶態(tài)固體。（二）廣義的定義 玻璃是呈現(xiàn)玻璃轉變現(xiàn)象的非晶態(tài)固體。 玻璃轉變現(xiàn)象是指當物質由固體加熱或由熔體冷卻時，在相當于晶態(tài)物質熔點絕對溫度的2/3～1/2溫度附近出現(xiàn)熱膨脹、比熱等性能的突變，這一溫度稱為玻璃轉變溫度。,二、玻璃的通性 一種具有無規(guī)則結構的非晶態(tài)固體，其原子不像晶體那樣在空間作長程有序的排列，而近似于液體那樣具有短程有序。 玻璃像固體保

3、持一定的外形，而不像液體態(tài)一樣能在本身的重力作用下流動。,玻璃態(tài)物質具有以下五個特性：（一）各向同性 近程有序、遠程無序，不像晶體那樣按定向排列，玻璃態(tài)物質的質點排列總的說是無規(guī)則的，是統(tǒng)計均勻的，因此，它的物理化學性質在任何方向都是相同的。 例如硬度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、折射率、導電率等。而非等軸結晶態(tài)物質在不同方向上的性質是不同的，表現(xiàn)為各向異性。 必須指出，當結構中存在內(nèi)應力時，玻璃均勻性就遭受破壞，玻

4、璃就顯示出各向異性，例如產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。此外，由于玻璃表面與內(nèi)部結構上的差異，其表面與內(nèi)部的性質也不相同。,（二）介穩(wěn)性 玻璃態(tài)物質一般是由熔融體過冷卻而得到。在冷卻過程中粘度急劇增大，質點來不及作有規(guī)則排列而形成晶體，沒有釋出結晶潛熱(凝固熱)，因此，玻璃態(tài)物質比相應的結晶態(tài)物質含有較大的能量。它不是處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，而屬于亞穩(wěn)狀態(tài)。,按熱力學觀點，玻璃態(tài)是不穩(wěn)定的，它有自發(fā)釋放能量向晶體轉化的趨勢；但由于玻璃常溫粘度很

5、大，動力學上是穩(wěn)定的，實際上玻璃又不會自發(fā)地轉化成晶體。 僅在具備一定條件時，克服析晶活化能，即物質由玻璃態(tài)轉化為晶態(tài)的勢壘，才能使玻璃析晶。,（三）熔融態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)是漸變的、可逆的，在一定溫度范圍內(nèi)完成，無固定熔點。 玻璃態(tài)物質由固體轉變?yōu)橐后w是在一定溫度區(qū)域(軟化溫度范圍)內(nèi)進行的，它與結晶態(tài)物質不同，沒有確定的熔點。 在此范圍內(nèi)，玻璃液由粘性體經(jīng)粘塑性體、粘彈性體逐漸轉變成為彈性體。這種性質的漸變過程正是

6、玻璃具有良好加工性能的基礎。,（四）物理、化學性質隨成分變化的連續(xù)性 玻璃的成分(在一定范圍內(nèi))可以連續(xù)變化，與之相應，玻璃性質隨成分發(fā)生連續(xù)和逐漸的變化。,圖為R20—SiO2系統(tǒng)玻璃彈性模量的變化。 從圖中可以看出，玻璃的彈性模量隨著Na2O或K2O的增加而下降；隨著Li2O的增加而上升，而且這種變化是連續(xù)的和漸變的。,（五）由熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉化時物理、化學性質隨溫度變化的連續(xù)性與可逆性 玻璃態(tài)物質從熔融狀態(tài)

7、冷卻(或相反加熱)過程中，其物理化學性質產(chǎn)生逐漸和連續(xù)的變化；而且是可逆的。 下圖是物質從熔融狀態(tài)冷卻，在冷卻過程中內(nèi)能與體積的變化情況。,從圖可以看出：在結晶情況下，從熔融態(tài)(液體)到固態(tài)過程中，內(nèi)能與體積(或其它物理化學性質)在它的熔點發(fā)生突變(沿ABCD變化)。而冷卻形成玻璃時，其內(nèi)能和體積性能(或其它物理化學性質)卻是連續(xù)的和逐漸的變化(沿ABKFE變化)。KF區(qū)域一般稱“轉變區(qū)”(一般以Tg-Tf溫度區(qū)表示之)，是玻璃

8、態(tài)物質所特有的。,從圖可以看出，玻璃在溫度T0的比容可能是V1、V2或V3，它決定于玻璃的降溫速度。 還可以看出，玻璃的轉變溫度也隨降溫速度的增大而增高。因此Tg溫度與試驗條件有關。,圖3－14 玻璃性質隨溫度的變化,,,,,,,,a,b,c,d,a’,b’,c’,d’,d”,c”,b”,a”,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Tg,Tf,溫度,性質,玻璃性質隨溫度的變化可分為三類(見圖)：①玻璃的電導、比容、熱焓等是按I曲線變化；②玻璃的熱容、膨

9、脹系數(shù)、密度、折射率等是按II曲線變化；③玻璃的導熱系數(shù)和一些機械性質（如彈性常數(shù)等）按III曲線變化。,一、氧化物玻璃 分單組分、多組分氧化物玻璃。 單組分氧化物玻璃有B2O3、SiO2、GeO2、P2O5 等。有實用價值是石英玻璃。 多組分氧化物構成二元，多元系統(tǒng)玻璃，主要包括： 硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、硒酸鹽、鋁酸鹽、鎵酸鹽、砷酸鹽、銻酸鹽、鉍酸鹽、鈷酸鹽、釩酸鹽、鉬酸鹽與鎢酸鹽玻璃

10、以及其它含氧玻璃。,玻璃的分類 玻璃根據(jù)其化學成分，可分幾大類：,二、鹵素化合物玻璃 有氟化物（BeF2）玻璃和氯化物（ZnCl2）玻璃，具有優(yōu)異的紅外透過性能。,三、硫屬元素化合物玻璃 砷-硫（硒、碲）系統(tǒng)玻璃，其代表為As2S3和As2Se3。硫系玻璃具有半導體性質，又稱為“玻璃半導體”。,四、混合玻璃 由氧化物與鹵化物，氧化物與硫系化合物，硫系化合物與鹵化物等混合形成。具有特殊的光學和電學性質，如玻

11、璃快離子導體。,五、金屬玻璃 某些金屬（如Ni、Fe、Co、Cr）和合金（如Pb-Si，Au-Si-Ge）的熔體以106℃/s的速度急冷可獲得金屬玻璃。 保持了金屬的延展性，高的強度和硬度，耐腐蝕。含F(xiàn)e、Co、Ni的金屬玻璃有良好的磁學性能。,硅酸鹽玻璃的組成、結構與性質一、硅酸鹽玻璃的組成 主要由以SiO2為主的各種氧化物所組成，根據(jù)各種氧化物中元素與氧鍵合的單鍵能及在玻璃結構中所起的作用不同可將它們分為玻

12、璃形成體、玻璃中間體、玻璃調(diào)整體，見表2-3-1。,① 玻璃形成體，單鍵強>335kJ/mol，這類氧化物能單獨形成玻璃，其正離子稱為網(wǎng)絡形成離子。這類物質常為SiO2、B2O3等。    ② 玻璃調(diào)整體（網(wǎng)絡變性體），單鍵能<250kJ/mol，這類氧化物不能形成玻璃，而是改變網(wǎng)絡結構，從而使玻璃性質改變，其正離子稱為網(wǎng)絡變性離子。這類物質常為R2O、RO。  ③

13、玻璃中間體，作用介于玻璃形成體和網(wǎng)絡變性體之間，常為R2O3等。,這三類氧化物以不同的品種、比例，組成各具特色的玻璃。根據(jù)玻璃中主要氧化物的品種可將硅酸鹽玻璃分為五類。,玻璃的組成決定了玻璃的結構和性質，通常可根據(jù)對某種玻璃的性能要求去設計玻璃的成分，然后再組織生產(chǎn)。,二、玻璃的結構因素 玻璃結構是指玻璃中質點在空間的幾何配置、有序程度以及它們彼此間的結合狀態(tài)。 現(xiàn)代玻璃結構理論主要是晶子學說和無規(guī)則網(wǎng)絡學說。

14、玻璃性質的變化規(guī)律和玻璃的結構有直接關系，這些因素是：,（一）硅氧骨架的結合程度 硅酸鹽系統(tǒng)玻璃，SiO2以各種[SiO4]的形式存在，系統(tǒng)中存在“橋氧”（雙鍵）和“非橋氧”（單鍵），二者的比例不同，各種玻璃的物理化學性質也相應發(fā)生變化。 [SiO4]四面體的性質首先與硅氧骨架的結合程度（鍵合度）有關。,需要指出的是： 當玻璃中同時含有兩種以上的金屬氧化物時，當堿金屬氧化物含量大于33.3％時，即使Y<2,

15、也能形成玻璃，而且某些性能隨金屬離子數(shù)的增加而變好，這類玻璃具有和一般硅酸鹽玻璃不同的特殊性質，我們稱為“逆向玻璃”或“逆性玻璃”或“離子玻璃”。 逆性玻璃的特點有兩點：,第一，在結構上它與通常玻璃是逆性的。 一般玻璃的結構以玻璃形成物為主體，靠橋氧來連接，金屬離子處于網(wǎng)絡空穴中，它僅起補助性作用。逆性玻璃恰恰相反，靠金屬離子來連接多面體。,,第二，逆性玻璃在性質上也發(fā)生逆轉性。 一般玻璃的性質是隨著SiO2的減

16、少而降低。而逆性玻璃則相反，堿金屬和堿土金屬含量愈多，結構愈強固，而某些物理性質卻向著一般玻璃的相反方向變化，如粘度、膨脹系數(shù)和介電損耗等。下圖就是這種逆轉的例子。,目前“逆向玻璃（invert glass）”已發(fā)展到其他氧化物玻璃系統(tǒng)，如硼酸鹽、磷酸鹽等。 這些玻璃系統(tǒng)中形成“逆向玻璃”的共同點是： 網(wǎng)絡外體氧化物的含量大于玻璃生成體氧化物，還有的玻璃系統(tǒng)中不含玻璃生成體氧化物，或者只含中間體氧化物，同時含有大量網(wǎng)絡外

17、體氧化物。 逆向玻璃的離子性成分很高，也有人稱為“離子玻璃”。,（二）陽離子的配位狀態(tài) 玻璃中場強大的陽離子（小離子半徑和高電荷）所形成的配位多面體是牢固的，當由于各種原因引起配位數(shù)改變時，可使玻璃某些性質改變。 玻璃物理化學中，目前對陽離子配位數(shù)改變研究較多的有硼效應、鋁效應和相應的硼鋁效應等。,（三）離子的極化程度——與光性能、電性能有關,（四）離子堆積的緊密程度——機械性能、力學性能、熱性能 1.熱歷

18、史有關：快冷——疏松 慢冷——緊密 2.離子半徑大小有關。,f＝?·S· （2-3-1）,三、熔融玻璃液的性質（一） 玻璃的粘度 粘度：指面積為S的兩平行液層以一定的速度梯度dv/dx移動時所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力f。,式中η為粘度，為帕·秒。 （1帕·秒=10泊） 玻璃粘度是玻璃的一個重要物

19、理性質。它對玻璃的溶化、成型、退火、熱加工和熱處理等都有密切關系。,1．玻璃粘度與溫度的關系（1）粘度－溫度曲線 圖2-3-1為硅酸鹽玻璃的粘度-溫度曲線。,在整個玻璃粘度溫度曲線上，沒有如熔融金屬或鹽類在凝固點時那樣的粘度突變點。 玻璃熔體在冷卻過程中粘度不斷地增長稱為玻璃的硬化或固化。 冷卻過程中玻璃液粘度增加的快慢稱為硬化速度。硬化速度與玻璃本身粘度-溫度關系有關；還取決于玻璃的冷卻速度。,B 短性玻璃：

20、隨溫度變化，粘度變化速率快，又稱為快凝玻璃。A 長性玻璃：隨溫度變化，粘度變化速率慢，又稱為慢凝玻璃。,對于組成不同的玻璃，粘度－溫度曲線形狀相似，但隨溫度變化，粘度變化速率不同，這種情況稱為玻璃具有不同的料性：,（2）粘度的特性溫度 特性溫度或特征粘度：在玻璃溫度-粘度曲線上（見圖2-3-1，存在著一些代表性的點。A. 應變點 粘度為1014.5泊（logη：14.5）時的溫度稱為應變點。 在此溫度，玻璃不

21、能產(chǎn)生粘性流動，低于此溫度，玻璃中的應力無法消除。玻璃退火下限。B. 退火點 又稱轉變溫度、轉化溫度和脆性溫度，常用Tg表示。 退火點是粘度為1013泊時的溫度。消除應力的上限溫度。,C. 變形點（垂點） 由于自垂而開始急劇變曲的溫度稱為垂點。粘度范圍1010～1011泊的溫度。D. 軟化點 又稱軟化溫度，常用Tf表示。粘度為 4.5×107泊時的溫度。大致相應于操作溫度的下限。,E. 流

22、動溫度 粘度105泊時的溫度，處于成型粘度范圍內(nèi)。是玻璃成形操作基準點之一。F. 熔化溫度 TS 粘度為10～102泊時的溫度。熔化。 Tg～TS對玻璃成型、熔制具有重要的意義。,2. 玻璃粘度與組成的關系（1）首先決定于硅氧四面體的連接程度，即隨O/Si比的上升而下降。,（2）引入堿金屬氧化物R２O（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O等）時，粘度降低。（3）二價金屬離子對粘度的影響比較復雜。

23、一般來說降低粘度的順序： BaO ＞ SrO ＞ CaO ＞ MgO CaO、ZnO表現(xiàn)較特別，低溫時使粘度增加，高溫時使粘度降低。,（4）Al2O3對粘度的影響也比較復雜。用量一般不超過10％，使粘度增加。 B2O3含量較少時，粘度隨含量升高而升高。B2O3含量為15％趨于最高點，以后部分[BO4]變成[BO3]三角體，粘度下降。（5）稀土氧化物、氯化物及硫酸鹽在熔體中一般起降低粘度作用。,（二）玻璃的表面

24、張力 玻璃與另一相接觸的相界面上，在恒溫、恒容下增加一個單位表面所作的功。 也可定義為：作用在單位長度液體表面使之收縮的力。 熔融玻璃表面質點受到內(nèi)部質點的作用而趨向于熔體內(nèi)部，使表面有收縮的趨勢。 表面張力在玻璃的澄清、均化、成形，玻璃液與耐火材料相互作用等過程中起著重大的作用。在一定程度上決定了氣泡的成長和溶解速度。,1.與組成的關系 較復雜，規(guī)律性不強。 芒硝、Na2SiF6 、Na

25、Cl 可降低表面張力。2.與溫度的關系 比較復雜。高溫時作用速度快，低溫時作用速度慢。3. 玻璃表面張力與氣氛的關系 還原氣氛下的表面張力約比氧化氣氛下增加20％。,,,第二類性質和玻璃成分間的關系比較簡單，一般可以根據(jù)玻璃成分和某些特定的加和法則進行推算。 當玻璃從熔融狀態(tài)經(jīng)過轉變區(qū)域冷卻時，它們往往產(chǎn)生突變，見圖。 屬于這類性質的有折射率(n)、分子體積(Vm)、色散、密度、彈性(E)模量、剛性

26、模量(G)，硬度、熱膨系數(shù)以及介電常數(shù)等。,,,（一）玻璃的密度 石英玻璃密度為2.21kg×103/m3，普通鈉鈣硅酸鹽玻璃的密度為2.5～2.6 kg×103/m3。 玻璃的密度主要取決于： 1、構成玻璃的原子的質量； 2、原子堆積緊密程度； 3、配位數(shù)。一般來講： 1、網(wǎng)絡結構緊密或網(wǎng)絡外結構被填空，密度增加； 2、溫度升高，密度下降； 3、壓力

27、增加，密度增加。,四、玻璃的物理、化學性質,（二）玻璃的機械強度 抗壓強度比抗張強度大8～10倍?？箟簭姸冉橛?00～2000MPa之間，而抗張強度則在40～120MPa之間。 影響玻璃強度的主要因素有：（1）玻璃成分的影響 有完整的、強的Si-O鍵的強度較高。在石英玻璃中加入R+離子后，強度降低。 引入少量的Al2O3，使結構緊密，能提高強度。,（2）玻璃的缺陷對強度的影響 表面微裂紋的存在，

28、玻璃的微不均勻性，玻璃中的宏觀和微觀缺陷嚴重影響玻璃的強度。（３）溫度對玻璃強度的影響 低溫強度隨溫度的上升而下降，在200℃左右強度為最低點，高于200℃時，強度逐漸增加?？赡苁撬苄宰冃我稹＃ǎ矗┎Ａе袘姸鹊挠绊?分布不均勻的殘余應力，使強度大為降低。強化（鋼化）后，玻璃表面存在壓應力，強度提高。,（三）玻璃的彈性 定義 ：玻璃在外力作用下發(fā)生變形，當外力去除后能恢復原來形狀的性質。 彈性

29、模量 ：表示材料抵抗變形的能力。 在低溫下和常溫下玻璃基本上是服從虎克定律的彈性體。 玻璃的彈性模量由它的化學組成所決定，同時受到溫度和熱處理的影響。（1）組成 內(nèi)部組成質點間化學鍵越強變形越小，E越大。（2）熱處理 淬火玻璃E<退火玻璃E 約2~7%（3）溫度 T? E?,（四）玻璃的脆性 脆性：材料在受力過程中沒有發(fā)生塑性變形就

30、斷裂的現(xiàn)象叫脆性。 在常溫下玻璃是典型的脆性體。 玻璃的脆性由它的化學組成所決定，同時受到溫度和熱處理的影響。 1、R+、R2+使脆性增大，且隨其半徑增大而上升。 2、淬火試樣脆性比退火樣大5~7倍。,（五）玻璃的硬度 意義：玻璃抵抗其它物體侵入其內(nèi)部的能力。 玻璃的硬度決定于化學組成，同時受到溫度和熱處理的影響。 1、網(wǎng)絡生成離子使硬度提高，網(wǎng)絡外體使硬度降低。

31、 a、多鉛的或含堿性氧化物高的玻璃，硬度較小。 b、石英玻璃和含有10～12％B2O3的硼酸鹽玻璃硬度最大。 2、T高，硬度降低。,（六）玻璃的熱膨脹性 玻璃的熱膨脹是由于溫度上升時造成玻璃質點熱振動的振幅增加，導致質點間距增大，使玻璃呈現(xiàn)膨脹。 常溫：質點在平衡位置附近作簡諧振動（熱運動）； 高溫：質點振動幅度增大，質點間距也變大。 玻璃的熱膨脹系數(shù)大小主要決定于：

32、 （1）組成玻璃的氧化物中各陽離子和氧離子之間的引力f＝2Z/a2，Z為陽離子的原子價，a為正負離子的中心距離。f愈大，膨脹愈?。环粗?，則愈大。 （2）網(wǎng)絡骨架。Si-O組成三度空間網(wǎng)絡，剛性大，不易膨脹。加入R2O和氧化物后，膨脹系數(shù)增大。引入的少量Al2O3，膨脹系數(shù)下降。,（七）玻璃的電學性質 導電性： 在常溫下一般玻璃是電絕緣材料，1011～1013?·m。但轉變溫度Tg點以上，導電率

33、迅速提高，到熔融狀態(tài)，玻璃變成良導體。10-2～3×10-3?·m。 玻璃的電導率隨組成而改變，堿性氧化物含量越多，電導率就越高。其中影響最大的是Na+，其次為Li+及K＋。 二價堿土金屬氧化物對電導率的影響較一價堿金屬氧化物小，影響且隨原子半徑增大而減少。,（八）玻璃的折射率 為1.5～1.75。 與玻璃成分，密度、溫度、熱歷史有密切關系。 1、密度大，結構致密，玻璃折射率大

34、。石英玻璃密度小，具有較小的折射率。BaO、PbO折射率高。 2、一般溫度升高玻璃的折射率增大，也有例外。 3、當玻璃內(nèi)存在應力時，會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。,（九）玻璃的反射、吸收、透過 反射率：從玻璃表面反射出去的光強度與入射光強度之比稱為反射率R。 決定于玻璃表面光滑程度及光的入射角。 入射角增加，反射率也增大。玻璃對光的表面反射導致光損失，使透過率降低。為了減少反射，可采取表面化學處理或涂膜等方法

35、。 入射到玻璃上的可見光中的一部分被選擇吸收，玻璃就著色，并呈現(xiàn)出與被吸收光互補的顏色。如果玻璃對任何波長的光都有同樣的吸收，與此透過率相應的呈現(xiàn)白色、灰色至黑色。 玻璃著色大致可分為：金屬離子著色、膠體著色、光照老化著色、放射線和紫外線輻照著色。,（十）玻璃的化學穩(wěn)定性 玻璃的化學穩(wěn)定性：指玻璃抵抗氣體（包括大氣在內(nèi)）或水、酸、堿、鹽類及其它化學試劑溶液侵蝕破壞的能力。 玻璃的化學穩(wěn)定性決定于：侵蝕介質

36、的種類和特性以及玻璃的抗蝕能力。1. 玻璃的侵蝕 對玻璃起作用的侵蝕介質可分為兩組： A、只能改變、破壞或溶解玻璃結構組成中的R2O、RO等網(wǎng)絡調(diào)整物的物質，如水、濕空氣、酸、中性鹽和酸性鹽的溶液。 B、不僅對上述的R2O、RO等起作用,而且也對玻璃結構中的硅氧骨架起作用的物質，如氫氧化物溶液、碳酸鹽溶液、磷酸和磷酸鹽類溶液、氫氟酸和氟化物溶液等。另外還有高溫的金屬蒸汽、熔體或熔鹽等。,（１）水對玻璃的侵蝕

37、 玻璃受水侵蝕時，玻璃中的金屬離子浸出，離子交換,水化形成Si[OH]4,形成硅酸凝膠,形成SiO2薄膜,稱為“保護膜層”。 普通硅酸鹽玻璃中含有RO、R2O3等離子，具有一定的抗水侵蝕能力。（２）酸對玻璃的侵蝕 除氫氟酸外，一般的酸并不直接與玻璃起反應，它是通過水的作用侵蝕玻璃。濃酸對玻璃的侵蝕能力低于稀酸。,（３）堿對玻璃的侵蝕 硅酸鹽玻璃一般不耐堿，堿對玻璃的侵蝕是通過OH-離子破壞硅氧骨架使SiO

38、2溶解在溶液中。所以，在玻璃侵蝕過程中，不形成硅酸凝膠薄膜，而使玻璃表面層全部脫落。（４）玻璃的風化 玻璃置于空氣中，受到空氣中水汽、CO2、SO3等侵蝕。它們往往比水溶液具有更大的侵蝕性。對玻璃的侵蝕，先是以離子交換為主的釋堿過程，后來逐步過渡到以破壞網(wǎng)絡為主的溶蝕過程。上述過程稱為風化。 呈現(xiàn)霧狀白斑、虹彩、貼片等現(xiàn)象。,２. 影響玻璃化學穩(wěn)定性的因素（１）玻璃組成的影響 硅氧含量愈多，硅氧四面體[SiO

39、4]互相連接程度愈大，玻璃的化學穩(wěn)定性越高。以SiO2 、Al2O3、ZrO2最為顯著。（２）溫度與熱處理的影響 溫度的升高，侵蝕速度增加。 退火時間增長和退火溫度提高，化學穩(wěn)定性增加。（３）表面狀態(tài)的影響 新斷口的表面化學穩(wěn)定性最低。用表面處理的方法（采用無機、有機涂膜）來提高玻璃的化學穩(wěn)定性。,第四節(jié) 普通玻璃配合料的制備一、玻璃組成的設計和確定1、原則（1）設計組成，需滿足預定性能要求；（2）相

40、圖和形成圖，設計玻璃組成；（3）根據(jù)生產(chǎn)條件使設計的玻璃能夠適應熔制、成型和加工等工序的要求；（4）所設計的玻璃應當價格低廉、原料易于獲得；2、步驟（1）列出設計玻璃的性能要求（2）必要的性能調(diào)整；（3）經(jīng)反復試驗、性能測試，確定合理的玻璃組成。,二、配合料計算 根據(jù)所設計玻璃成分和所用原料的化學成分可以進行配合料的計算。（一）配合料計算中的幾個工藝參數(shù)1. 純堿揮散率 純堿揮散率指純堿中未參與反應的揮發(fā)

41、、飛散量與總量的比值，即：,2. 芒硝含率 芒硝含率指芒硝引入的Na2O與芒硝和純堿引入的Na2O總量之比，即：,3. 煤粉含率 煤粉含率指由煤粉引入的固定碳與芒硝引入的Na2SO4之比，即：,4. 螢石含率 螢石含率指由螢石引入的CaF2量與原料總量之比，即：,5．碎玻璃摻入率 指配合料中碎玻璃用量與配合料總量（生料量+碎玻璃量）之比。,（二）計算步驟 第一步先進行粗算。 第二步進行校正

42、。 第三步把計算結果換算成實際配料單。（三）配料計算實例 p276例題,計算步驟如下：,I. 螢石用量的計算II. 純堿和芒硝用量的計算III. 煤粉用量IV. 硅砂和砂巖用量的計算V. 白云石和菱鎂石用量的計算VI. 校正純堿用量和揮散量VII. 校正硅砂和砂巖用量VIII. 把上述計算結果匯成用原料量表IX. 玻璃獲得率的計算X. 換算單的計算,I. 螢石用量的計算,根據(jù)玻璃獲得

43、率得原料總量為：,100 / 0.825 = 121.2l (kg),設螢石用量為X kg，根據(jù)螢石含率得：,X＝1．47(kg),引入1.47kg螢石將帶入的氧化物量為：,SiO 2 1.47×24.62％＝0.36 (kg) A12O3 1.47×2.08％＝0.03 (kg) Fe 2O3

44、1.47×0.43％＝0.01 (kg) CaO 1.47×51.56％＝0.76 (kg),SiO2揮發(fā)量的計算：,SiO2 + 2CaF2＝SiF4↑+ 2CaO,設有30％的CaF 2與SiO2反應，生成SiF4而揮發(fā)，設SiO2的揮發(fā)量為X kg，SiO2的摩爾質量為60.09，CaF2的摩爾質量為78.08，則：,則螢石實際帶入的SiO 2 量

45、為： 0.36 - 0.12=0.24（kg）,螢石引入的各氧化物量,螢石 摻量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O 1.47 0.24 0.03 0.01 0.

46、76,II. 純堿和芒硝用量的計算,設芒硝引入量為X kg，根據(jù)芒硝含率得下式：,X=5.24 (kg),芒硝引入的各氧化物量見下表：,純堿用量 = (14.5-2.18) / 0.5794 = 21.26（kg）,芒硝 摻量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O 5.24

47、 0.06 0.02 0.01 0.03 0.02 2.18,需純堿帶入的Na2O量,玻璃中Na2O含量,III. 煤粉用量,設煤粉用量為X kg，根據(jù)煤粉含率得：,X= 0.28（kg）,IV. 硅砂和砂巖用量的計算,設硅砂用量為X kg，砂巖用量為Y kg，則：,0.897X + 0.987Y = 72.4 - 0.24 -

48、0.06 = 72.1 0.0512X + 0.0056Y = 2.10 - 0.03 - 0.02 = 2.05 X = 35.60（kg） Y = 40.68（kg）,由硅砂和砂巖引入的各氧化物量見下表,原料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O硅砂 31.9

49、3 40.18 1.82 0.23 0.12 0.04砂巖 0.16 0.06 0.06 0.01 1.28 0.08,玻璃中的SiO2,玻璃中的Al2O3,V. 校正純堿用量和揮散量,設理論純堿用量為X kg，揮散量為Y kg，

50、則：,0.5794X = 14.5 - 2.18 - 1.28 - 0.08 X = 18.92（kg）,Y = 0.61（kg）,VI. 白云石和菱鎂石用量的計算,設白云石用量為X kg，菱鎂石用量為Y kg，則：,0.3157X + 0.0071Y = 6.4 - 0.76 - 0.03 - 0.16 - 0.06 = 5.390.2047X + 0.4629Y = 4.2 - 0.02 - 0.06 -

51、0.01 = 4.11 X= 17.04（kg） Y= 1.34（kg）,由白云石和菱鎂石引入的各氧化物量見下表,原料 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO白云石 0.12 0.03 0.02

52、 5.38 3.49 菱鎂石 0.02 0.01 0.01 0.62,VII. 校正硅砂和砂巖用量,設硅砂用量為X kg，砂巖用量為Y kg，則：,0.8970X + 0.9876Y = 72.4 - 0.24 - 0.06 - 0.12 - 0.02 = 71.96

53、 0.0512X + 0.0056Y = 2.10 - 0.03 - 0.02 - 0.03 = 2.02 X= 34.96（kg） Y= 41.11（kg）,VIII. 把上述計算結果匯成用原料量表,原 料 用量 % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O SO3 含水 干基 濕基硅 砂

54、 34.96 28.9 31.36 1.79 0.12 0.15 0.06 1.28 4.5砂 巖 41.11 34 40.60 0.23 0.04 0.06 0.01 0.08 1.0白云石 17.04 14.1 0.112 0.03

55、 0.02 5.38 3.49 0.3菱鎂石 1.34 1.1 0.02   0.01 0.01 0.62純 堿 18.92 16.1 10.96

56、 1.8 揮 散 0.61芒 硝 5.24 4.3 0.06 0.02 0.03 0.02 0.02 2.18 4.2螢 石 1.47 1.2 0.24 0.03 0.76煤 粉 0.28 0.23

57、 0.21合 計 120.97 100 72.4 2.1 6.4 5.62 4.2 14.5 0.2,IX. 玻璃獲得率的計算 玻璃獲得率 = 100 / 12

58、0.97 = 82.7%,X. 配料單的計算,原 料 用量 配合比 % 含水 干基 濕基硅 砂 34.96 28.9 4.5 277.44

59、 290.51砂 巖 41.11 34 1.0 326.4 329.69白云石 17.04 14.1 0.3

60、 135.36 135.76菱鎂石 1.34 1.1 10.56 10.56純 堿 18.92 16.1

61、 1.8  154.56 157.39揮 散 0.61芒 硝 5.24 4.3 4.2 42.24 44.09螢 石

62、 1.47 1.2 11.52 11.52煤 粉 0.28 0.23 0.21 2.21

63、 2.79合 計 120.97 100 960.29 982.34碎玻璃

64、 240 240總 計 1200 .29 1222,,,,,,,,,,,,,已知條件：碎玻璃摻入率為20%；配合料含水量為4%；混合機容量

65、為1200kg干基。,[混合機容量－(混合機容量×碎玻璃摻量)] ×配合比＝原料的干基用量[1200- （1200×20%）] ×28.9%= 277.44（kg）,原料的濕基用量＝原料的濕基用量/（1 – 含水量）硅砂的濕基用量＝277.44/（1-4.5%）＝290.51kg,根據(jù)要求，配合料的水分為4%，所以擬定配合料的加水量為：,加水量計算,,三、配合料制備（一）對配合料的質量要求

66、 加速玻璃熔制，提高玻璃質量，防止產(chǎn)生缺陷。 對配合料的主要要求是： （1）應有一定的粒度組成，保證均勻度、熔制速度、玻璃液均勻度，提高混合質量，防止分層。 （2）應具有一定水分，加速熔化。,（3）需有一定的氣體率，有利于玻璃液的澄清和均化。,（4）必須混合均勻，以保證玻璃液的均勻性。,（二）配合料制備的工藝流程 大部分原料都必須經(jīng)過破碎→篩分→稱量→混合→制成配合料。 一般工藝流程如圖2-3-

67、3所示。,（三）配合料的質量控制 均勻性與化學組成的正確性。 （1）原料成分的控制； （2）原料水分的控制； （3）原料顆粒度的控制； （4）稱量精度的控制； （5）混合均勻度的控制； （6）分料（分層）的控制； （7）粉料的飛料、沾料、剩料、漏料的控制。,第五節(jié) 玻璃體的缺陷 三大類： 氣泡（氣體夾雜物）、結石（結晶夾雜物）、條紋和節(jié)瘤（玻璃態(tài)夾雜物）。

68、一、氣泡 影響制品的外觀質量、透明性和機械強度。（一）氣泡的大小與形狀 灰泡（直徑0.8mm）。 氣泡有球形、橢圓形及線狀。,2. 二次氣泡（再生泡） 原因有物理和化學兩種。 物理：降溫后的玻璃液又一次升溫超過一定限度，原溶解于玻璃液的氣體由于溫度升高引起溶解度降低，析出十分細小、數(shù)量很多、均勻分布的二次氣泡。 化學：與玻璃的化學組成和使用原料有關。 解決： 1、穩(wěn)定的

69、熔制溫度制度； 2、氣氛； 3、窯壓。,（二）氣泡的種類與成因1. 一次氣泡（配合料殘留氣泡） 熔制過程中澄清不良造成。 1、提高澄清溫度； 2、調(diào)節(jié)澄清劑用量； 3、降低窯內(nèi)氣體壓力； 4、降低玻璃與氣體界面上的表面張力。,3. 耐火材料氣泡 來源： 1、耐火材料空隙中的氣體被排到玻璃液； 2、耐火材料與玻璃液的某些反應形成氣體。 防止：