1、第4章 玻璃的粘度和表面性質(zhì)4.1 玻璃的粘度o 定義 粘度是指面積為S的兩平行液面，以一定的速度梯度dV/dx移動時所需克服的內(nèi)摩擦阻力f。 f=So 粘度在玻璃生產(chǎn)過程中的作用o 影響粘度的因素：化學組成、溫度、熱處理時間dxdV在熔制過程中，原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴散均化在熔制過程中，原料的溶解、氣泡的排除、各組分的擴散均化在成形過程中，不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料性在成形過程中，不同的成型方法與成形速度要求不同的粘度和料性在退火過程中，對制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度有重要的影響在退火過程中，對制品內(nèi)應(yīng)力的消除速度有重要的影響4.1.1 粘度與溫度的關(guān)系o 晶體與玻璃熔體

2、的粘度隨溫度變化不同o 不同組成玻璃熔體隨溫度的變化其粘度變化的速度料性o 在不同溫度區(qū)域玻璃粘度的變化高溫未發(fā)生締合低溫締合基本完成陰離子基團不斷發(fā)生締合，產(chǎn)生大陰離子基團，因此不是直線關(guān)系4.1.2 粘度與熔體的關(guān)系o熔體隨溫度降低形成大陰離子團熔體隨溫度降低形成大陰離子團粘度增大粘度增大o溫度較高時，硅氧四面體群有較大的空隙，可以容納小型體群通溫度較高時，硅氧四面體群有較大的空隙，可以容納小型體群通過過粘度減小粘度減小o溫度降低時，空隙變小溫度降低時，空隙變小粘度增大粘度增大o高溫時熔體中的堿金屬和堿土金屬氧化物以離子狀態(tài)自由移動，高溫時熔體中的堿金屬和堿土金屬氧化物以離子狀態(tài)自由移動，

3、同時減弱硅氧鍵的作用，因此使粘度減小。而在低溫時，某些金同時減弱硅氧鍵的作用，因此使粘度減小。而在低溫時，某些金屬氧化物可能起到積聚作用，使粘度增大。屬氧化物可能起到積聚作用，使粘度增大。4.1.3 粘度與組成的關(guān)系o 有利于形成大陰離子基團的組成使粘度增大（SiO2、Al2O3、ZrO2等）o 提供游離氧，破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的，則使粘度減?。粓鰪娸^大的可能產(chǎn)生復(fù)雜的作用：高溫降粘，低溫增粘o 氧硅比 鍵強、離子的極化（R2OSiO2） 結(jié)構(gòu)的對稱性（B2O3、P2O5、SiO2） 配位數(shù)（B2O3、Al2O3） 氧硅比較大，意味著大型的氧硅比較大，意味著大型的SO4群分解為小型群分解為小型SO4群

4、，粘滯活化能降群，粘滯活化能降低，粘度減小低，粘度減小 總體來說，鍵強大，則粘度大總體來說，鍵強大，則粘度大但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對粘度的影響但網(wǎng)絡(luò)外體在氧硅比不同的情況下，對粘度的影響是不同的是不同的 取決于對形成緊密、對稱的三維架取決于對形成緊密、對稱的三維架狀結(jié)構(gòu)的作用狀結(jié)構(gòu)的作用4.1.4 粘度參考點1013.6Pas，退火下限溫度1012Pas，退火上限溫度1012.4Pas，Tg10101011Pas106107Pas，操作溫度下限102103Pas，操作溫度上限10Pas4.1.5 粘度在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用o 玻璃的熔制（石英的擴散、澄清、均化）o 玻璃的成形o 玻璃的退

5、火（粘滯流動、彈性松弛）o 玻璃的鋼化、微晶化、分相、顯色等過程中溫度制度的制定，都必須考慮粘度的影響。4.1.6 粘度的計算和測定方法方法適用范圍適用范圍原理原理備注備注旋轉(zhuǎn)法旋轉(zhuǎn)法1107Pas通過測定旋轉(zhuǎn)體由于玻璃粘滯阻力而產(chǎn)通過測定旋轉(zhuǎn)體由于玻璃粘滯阻力而產(chǎn)生的扭力矩得到玻璃的粘度生的扭力矩得到玻璃的粘度落球法落球法1103Pas斯托克斯定律：球體以自由落體形式進斯托克斯定律：球體以自由落體形式進入無限液體空間作等速運動時，液體對入無限液體空間作等速運動時，液體對其作用的大小其作用的大小必須考慮有限邊界條必須考慮有限邊界條件帶來的影響件帶來的影響壓入法壓入法1071012Pas在平板試

6、樣上，用加有一定負荷的針狀、在平板試樣上，用加有一定負荷的針狀、球狀或棒狀的壓頭壓入，從壓頭壓入的球狀或棒狀的壓頭壓入，從壓頭壓入的速度求得粘度速度求得粘度拉絲法拉絲法1071014Pas用一定長度和直徑的無缺陷玻璃絲，在用一定長度和直徑的無缺陷玻璃絲，在直立的管狀電爐中受一定的荷重作用而直立的管狀電爐中受一定的荷重作用而伸長，通過測定其黏性均勻伸長的速率伸長，通過測定其黏性均勻伸長的速率來獲得粘度來獲得粘度10001100120013002.42.73.03.33.63.9logh (cP)Temperature (oC)490500510520530678910logh (cP)Tempe

7、rature (oC)4.2 玻璃的表面張力o 熔融玻璃表面層的質(zhì)點受到內(nèi)部質(zhì)點的作用而趨向于熔體內(nèi)部，使表面呈現(xiàn)收縮的趨勢。o 表面張力對氣泡排除，條紋溶解，玻璃成形的益處o 表面張力對模壓制品、薄膜、平板玻璃生產(chǎn)造成的不利影響4.2.2 表面張力與組成、溫度的關(guān)系o 氧硅比越小，陰離子基團越大。作用力矩e/r越小，則表面張力降低o 堿金屬加入使復(fù)合陰離子解離，表面張力增大o 表面活性物質(zhì)劇烈降低表面張力o 溫度升高，體積膨脹，表面張力降低o 含有表面活性物質(zhì)的玻璃系統(tǒng)，則由于表面活性物質(zhì)在高溫下的“解吸”，而出現(xiàn)表面張力隨溫度升高而增大的反?，F(xiàn)象。o 此外玻璃熔融的氣氛對表面張力也有一定的

8、影響：極性氣體對表面張力影響大，明顯降低表面張力；還原氣氛下熔制，玻璃表面張力較氧化氣氛大204.2.3 玻璃的潤濕性影響因素o 氣體介質(zhì)o 溫度o 玻璃的組成4.3 玻璃的表面性質(zhì)o 玻璃的表面組成和表面結(jié)構(gòu)o 玻璃表面的離子交換o 玻璃的表面吸附第5章 玻璃的力學性能和熱學性能玻璃的力學性能：玻璃的力學性能： 機械強度、彈性、硬度、脆性、密度機械強度、彈性、硬度、脆性、密度一、機械強度一、機械強度o 抗壓強度高，硬度高抗壓強度高，硬度高o 抗折、抗張強度低（僅為抗壓的抗折、抗張強度低（僅為抗壓的710）o 脆性大脆性大o 實際強度遠低于理論強度（實際強度遠低于理論強度（23數(shù)量級）數(shù)量級）

9、 玻璃的脆性、玻璃中玻璃的脆性、玻璃中存在的微裂紋和內(nèi)部不均存在的微裂紋和內(nèi)部不均勻區(qū)和缺陷的存在造成應(yīng)勻區(qū)和缺陷的存在造成應(yīng)力集中所引起力集中所引起5.1.1.3 影響玻璃強度的因素1.化學組成化學組成2.表面微裂紋表面微裂紋3.微不均勻性微不均勻性4.結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)缺陷5.活性介質(zhì)活性介質(zhì)6.溫度溫度7.玻璃中的應(yīng)力玻璃中的應(yīng)力8.玻璃的疲勞現(xiàn)象玻璃的疲勞現(xiàn)象o 各質(zhì)點的鍵強各質(zhì)點的鍵強o 單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目單位體積內(nèi)鍵的數(shù)目o 減少和消除玻璃的表面缺陷減少和消除玻璃的表面缺陷（火焰拋（火焰拋光、氫氟酸腐蝕）光、氫氟酸腐蝕）o 使玻璃表面形成壓應(yīng)力，克服表面微使玻璃表面形成壓應(yīng)力，克服表面微

10、裂紋的作用裂紋的作用（物理、化學鋼化）（物理、化學鋼化）o 各微相之間易產(chǎn)生裂紋各微相之間易產(chǎn)生裂紋o 微相間相互結(jié)合的力比較弱微相間相互結(jié)合的力比較弱o 由于成分不同，微相間產(chǎn)生應(yīng)力由于成分不同，微相間產(chǎn)生應(yīng)力o 宏觀缺陷：結(jié)石、氣泡、條紋等缺陷宏觀缺陷：結(jié)石、氣泡、條紋等缺陷與主體玻璃成分不一致，造成內(nèi)應(yīng)力與主體玻璃成分不一致，造成內(nèi)應(yīng)力o 且宏觀缺陷為微觀缺陷（點缺陷、晶且宏觀缺陷為微觀缺陷（點缺陷、晶界、局部析晶）提供了界面，使其常界、局部析晶）提供了界面，使其常常在此處集中，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生常在此處集中，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生o 滲入裂紋產(chǎn)生劈楔作用，使裂紋擴展?jié)B入裂紋產(chǎn)生劈楔作用，使裂紋

11、擴展o 與玻璃發(fā)生化學作用破壞結(jié)構(gòu)與玻璃發(fā)生化學作用破壞結(jié)構(gòu)o 200以下，由于裂紋端分子熱運動以下，由于裂紋端分子熱運動增強，導(dǎo)致鍵的斷裂，因此強度隨溫增強，導(dǎo)致鍵的斷裂，因此強度隨溫度升高而降低度升高而降低o 200以上，由于裂口鈍化，從而緩以上，由于裂口鈍化，從而緩解了應(yīng)力集中，因此強度隨溫度升高解了應(yīng)力集中，因此強度隨溫度升高而增加而增加o 分布不均的殘余應(yīng)力使玻璃強度大大分布不均的殘余應(yīng)力使玻璃強度大大降低降低o 鋼化形成均勻的表面壓應(yīng)力則能提高鋼化形成均勻的表面壓應(yīng)力則能提高機械強度機械強度510倍倍o 加荷速度越大，時間越長，其破壞強加荷速度越大，時間越長，其破壞強度越小度越小o

12、 由于加荷作用下微裂紋的加深所致由于加荷作用下微裂紋的加深所致5.1.2 玻璃的彈性o 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當去掉外力后能夠恢材料在外力作用下產(chǎn)生變形，當去掉外力后能夠恢復(fù)原來的形狀的性質(zhì)稱為復(fù)原來的形狀的性質(zhì)稱為彈性彈性。o 彈性模量彈性模量取決于內(nèi)部質(zhì)點間化學鍵的強度，同取決于內(nèi)部質(zhì)點間化學鍵的強度，同時也與結(jié)構(gòu)有關(guān)時也與結(jié)構(gòu)有關(guān)o 鍵強越大，結(jié)構(gòu)越密實，變形越小，彈性模量就越鍵強越大，結(jié)構(gòu)越密實，變形越小，彈性模量就越大大彈性模量與成分的關(guān)系彈性模量與成分的關(guān)系彈性模量與溫度的關(guān)系彈性模量與溫度的關(guān)系彈性模量與熱處理的關(guān)系彈性模量與熱處理的關(guān)系5.1.3 玻璃的硬度和脆性o 硬度硬

13、度固體材料抵抗另一種固體材料深入其內(nèi)部而固體材料抵抗另一種固體材料深入其內(nèi)部而不產(chǎn)生殘余應(yīng)變的能力。不產(chǎn)生殘余應(yīng)變的能力。o 測試方法：測試方法：莫氏硬度莫氏硬度（劃痕）法、（劃痕）法、顯微硬度顯微硬度（壓痕）（壓痕）法、法、研磨硬度研磨硬度（磨損）法、（磨損）法、刻劃硬度刻劃硬度（刻痕）法等。（刻痕）法等。o 玻璃的硬度主要取決于化學組成和結(jié)構(gòu)，還與溫度和玻璃的硬度主要取決于化學組成和結(jié)構(gòu)，還與溫度和熱處理歷史有關(guān)。對玻璃冷加工影響非常大。熱處理歷史有關(guān)。對玻璃冷加工影響非常大。o 脆性脆性當負荷超過玻璃的極限強度時，不產(chǎn)生明顯的當負荷超過玻璃的極限強度時，不產(chǎn)生明顯的塑性變形而立即破裂的性

14、質(zhì)。塑性變形而立即破裂的性質(zhì)。o 通常采用破壞時受到的沖擊強度來表示：通常采用破壞時受到的沖擊強度來表示：o 測量方法：落球法，壓痕破壞法測量方法：落球法，壓痕破壞法 SCD 抗壓強度抗壓強度抗沖擊強度抗沖擊強度5.1.4 玻璃的密度 密度主要取決于構(gòu)成玻璃密度主要取決于構(gòu)成玻璃原子的質(zhì)量原子的質(zhì)量，也與原子的也與原子的堆積緊密程度堆積緊密程度及及配位數(shù)配位數(shù)有關(guān)。有關(guān)。o 網(wǎng)絡(luò)形成體網(wǎng)絡(luò)形成體o 網(wǎng)絡(luò)外體網(wǎng)絡(luò)外體o “硼反常現(xiàn)象硼反?，F(xiàn)象”和和“鋁反?，F(xiàn)象鋁反?，F(xiàn)象”在密度中在密度中的體現(xiàn)的體現(xiàn)體積：體積： BO4SiO4AlO4 BO4BO3當其使硅氧四面體連接斷裂，但并不當其使硅氧四面體

15、連接斷裂，但并不引起網(wǎng)絡(luò)擴大時（引起網(wǎng)絡(luò)擴大時（Li,Mg），可以填充），可以填充與網(wǎng)絡(luò)空隙，使密度增加與網(wǎng)絡(luò)空隙，使密度增加當其半徑較大，網(wǎng)絡(luò)空隙容納不下時，當其半徑較大，網(wǎng)絡(luò)空隙容納不下時，則使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴張，密度降低則使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴張，密度降低5.1.4 玻璃的密度o 密度與溫度及熱處理歷史的關(guān)系o 密度與壓力的關(guān)系5.2 玻璃的熱學性能5.2.1 玻璃的熱膨脹系數(shù)o 線膨脹系數(shù)o 熱膨脹系數(shù)與成分、溫度和熱處理歷史的關(guān)系tLLttLLL112112)(熱膨脹系數(shù)的測量方法o 石英膨脹儀法石英膨脹儀法 利用置于石英玻璃管中的玻璃試樣與高純度石英玻璃的膨脹系數(shù)的不同，利用置于石英玻璃管中的玻璃

16、試樣與高純度石英玻璃的膨脹系數(shù)的不同，測定兩者在加熱過程中的相對伸長。測定兩者在加熱過程中的相對伸長。o 雙絲法雙絲法 用待測玻璃和已知膨脹系數(shù)的標準玻璃棒或小塊玻璃熔合在一起，拉成用待測玻璃和已知膨脹系數(shù)的標準玻璃棒或小塊玻璃熔合在一起，拉成一定長度和均勻厚度的絲，形成一個類似雙金屬的系統(tǒng)。若兩種玻璃的熱膨一定長度和均勻厚度的絲，形成一個類似雙金屬的系統(tǒng)。若兩種玻璃的熱膨脹系數(shù)有差別時，雙玻璃絲冷卻后就會彎曲。通過測定玻璃絲彎曲的弦長和脹系數(shù)有差別時，雙玻璃絲冷卻后就會彎曲。通過測定玻璃絲彎曲的弦長和弦高，可計算出已知膨脹系數(shù)的標準玻璃和待測玻璃的膨脹系數(shù)之差，從而弦高，可計算出已知膨脹系數(shù)

17、的標準玻璃和待測玻璃的膨脹系數(shù)之差，從而得到待測玻璃的膨脹系數(shù)。得到待測玻璃的膨脹系數(shù)。o 干涉法干涉法 當兩種的膨脹系數(shù)有差別時，在交界面上會產(chǎn)生永久應(yīng)力或不變應(yīng)力，當兩種的膨脹系數(shù)有差別時，在交界面上會產(chǎn)生永久應(yīng)力或不變應(yīng)力，從而出現(xiàn)雙折射。從而出現(xiàn)雙折射。5.2.2 玻璃的比熱容o 在某一溫度下單位質(zhì)量的物質(zhì)升高1所需的熱量5.2.3 玻璃的導(dǎo)熱性o 物質(zhì)依靠質(zhì)點的振動將熱能傳遞至較低溫度物質(zhì)的能力。o 以熱導(dǎo)率表示（W/mK)o 設(shè)計熔爐、玻璃成形模壓、計算玻璃生產(chǎn)工藝熱平衡影響熱導(dǎo)率因素：o 玻璃內(nèi)部的導(dǎo)熱包括：熱傳導(dǎo)，熱輻射玻璃內(nèi)部的導(dǎo)熱包括：熱傳導(dǎo)，熱輻射o 低溫時，熱傳導(dǎo)占主要地位，其大小主要取決低溫時，熱傳導(dǎo)占主要地位，其大小主要取