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1、材料概论玻璃本讲稿第一页，共二十页玻璃玻璃的结构特征玻璃的主要原料和作用玻璃的生产工艺过程玻璃在我国国民经济中的作用和比重平板玻璃的生产方式和发展方向光导玻璃纤维的工作原理和制作方法本讲稿第二页，共二十页玻璃v一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2OCaO6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。v玻璃简单分类主要分为平板玻璃和深加工玻璃。本讲稿第三页，共二十页玻璃的主要原料和作用SIO2是重要的玻璃形成氧化物，它能提高玻璃的化学稳定性、力学性能、电学性能、
2、热学性能等。但其含量过高则会提高熔化温度而且可能导致析晶。引入SIO2原料的主要有硅砂和砂岩。(1）硅砂也叫石英砂，它主要由石英颗粒组成。质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物和有机质而呈淡黄色或红褐色。本讲稿第四页，共二十页（2）砂岩砂岩由石英颗粒（沙子）形成，结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂里粒含量要大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的。AL2O3能够降低玻璃析晶倾向，提高化学稳定性和机械强度，改善热稳定性，但当其含量过多时（大于5%），就会增高玻璃液的黏度，是熔化和澄清发生困难，反而增加析晶倾向，并容
3、易使玻璃原板上出现波筋等缺陷。引入AL2O3的原料主要在长石和高岭土上。玻璃的主要原料和作用本讲稿第五页，共二十页CaO加入适量的氧化钙，能降低玻璃演的高温黏度，促进玻璃眼的熔化和澄清。温度降低时，能增加玻璃液黏度，有利于提高引上速度。缺点是含量增高时，会增加玻璃的析晶倾向，减少玻璃的稳定性，提高退火温度。引入氧化钙的时石灰石、方解石。MgO氧化镁其作用与氧化钙类似，但没有氧化钙增加玻璃析晶倾向的缺点，因此可用适量氧化镁代替氧化钙，但过量则会出现透辉石结晶，提高退火温度，降低玻璃对水的稳定性。引入氧化镁的是白云石。玻璃的主要原料和作用本讲稿第六页，共二十页Na2O、K2O氧化钠、氧化钾为良好的
4、助溶剂，降低玻璃液的黏度，促进玻璃液的熔化和澄清，还能大大降低玻璃析晶倾向，缺点则是降低玻璃的化学稳定性和机械强度。引入氧化钠的原料是纯碱和芒硝。BaO氧化钡是二价网络外体氧化物。它能增加玻璃的折射率、密度、光洁度和化学稳定性；少量的BaO（0.5%）能加速玻璃的熔化，但是含量过高时，由2BaO+O2=2BaO2的反应，使澄清困难。含BaO玻璃吸收辐射线的能力较大，但会耐火材料侵蚀较严重。玻璃的主要原料和作用本讲稿第七页，共二十页B2O3氧化硼是玻璃生成氧化物，它以BO3和BO4为结构组元，在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络.能降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、增加
5、玻璃的折射率、改善玻璃的光泽、提高博得机械强度。B2O3在高温是能降低玻璃的粘度，在低温时提高玻璃的粘度，所以含B2O3较高的玻璃，成型的温度范围较窄，因之可以提高机械速度。B2O3还起助熔剂的用，加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。B2O3常随水蒸气挥发，硼硅酸盐玻璃液表面上因B2O3挥发减少，会产生富含B2O3析晶料皮，当B2O3引入量过高时，由于BO3增多，玻璃的膨胀系数反而增加，发生反常现象即硼反常现象引入氧化硼的原料是硼酸和硼砂。玻璃的主要原料和作用本讲稿第八页，共二十页玻璃的结构特征一、玻璃态的通性v1.各向同性：均质玻璃在各个方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能相
6、同。v2.介稳性：当熔体冷却成玻璃体时，它能在较低温度下保留高温时的结构而不变化。v3.可逆渐变性：熔融态向玻璃态转化是可逆和渐变的。v4.连续性：熔融态向玻璃态转变时物理化学性质随温度变化是连续的本讲稿第九页，共二十页玻璃的结构特征二、几种典型的玻璃结构v1、石英玻璃v2、钠钙硅玻璃v3、硼酸盐玻璃v4、其他氧化物玻璃本讲稿第十页，共二十页玻璃的生产工艺过程原料预加工原料预加工。将块状原料（石英砂、纯碱、石灰石、长石等）粉碎，使潮湿原料干燥，将含铁原料进行除铁处理，以保证玻璃质量。配合料配合料制备制备。熔制熔制。玻璃配合料在池窑或坩埚窑内进行高（15501600度）加热，使之形成均匀、无气泡
7、，并符合成型要求的液态玻璃。成型成型。将液态玻璃加工成所要求形状的制品，如平板、各种器皿等。热处理热处理。通过退火、淬火等工艺，消除或产生玻璃内部的应力、分相或晶化，以及改变玻璃的结构状态。本讲稿第十一页，共二十页平板玻璃的生产方式和发展方向v平板玻璃也称白片玻璃或净片玻璃。其化学成分一般属于钠钙硅酸盐玻璃，组成范围是：SiO27073%（重量，下同）；Al2O303%；CaO612%；MgO04%；Na2O+K2O1216%。它具有透光、透明、保温、隔声，耐磨、耐气候变化等性能。平板玻璃主要物理性能指标：折射率约1.52；透光度85%以上（厚2毫米的玻璃，有色和带涂层者除外）；软化温度650
8、700C;热导率0.810.93瓦/（米开）；膨胀系数91010-6/开；比重约2.5；抗弯强度1660兆帕。本讲稿第十二页，共二十页平板玻璃的生产方式和发展方向v传统成型方法1、手工成型手工成型主要有吹泡法、冕法、吹筒法等。这些方法由于生产效率低，玻璃表面质量差，已逐步被淘汰，只有在生产艺术玻璃时采用。2、机械成型、机械成型主要有压延、有槽垂直引上、对辊（也称旭法）、无槽垂直引上、平拉和浮法等压延法是将熔窑中的玻璃液经压延辊辊压成型、退火而制成，主要用于制造夹丝（网）玻璃和压花玻璃。有槽垂直引上法、对辊法、无槽垂直引上法等工艺基本相似，是使玻璃液分别通过槽子砖或辊子、或采用引砖固定板根，靠引
9、上机的石棉辊子将玻璃带向上拉引，经退火、冷却、连续地生产平板玻璃。平拉法是将玻璃垂直引上后，借助转向辊使玻璃带转为水平方向。这些方法在70年代以前是通用的平板玻璃生产工艺。本讲稿第十三页，共二十页平板玻璃的生产方式和发展方向v新式成型方法浮法是将玻璃液漂浮在金属液面上制得平板玻璃的一种新方法，是英国皮尔金顿公司于1959年研究成功的新工艺。它是将玻璃液从池窑连续地流入并漂浮在有还原性气体保护的金属锡液面上，依靠玻璃的表面张力、重力及机械拉引力的综合作用，拉制成不同厚度的玻璃带，经退火、冷却而制成平板玻璃(也称浮法玻璃)。由于这种玻璃在成型时，上表面在自由空间形成火抛表面，下表面与焙融的锡液接触
10、,因而表面平滑，厚度均匀,不产生光畸变，其质量不亚于磨光玻璃。这种生产方法具有成型操作简易、质量优良、产量高、易于实现自动化等优点，80年代已被广泛采用。如果在锡槽内高温玻璃带表面上，设置铜铅等合金作阳极，以锡液作阴极，通以直流电后，可使铜等金属离子迁移到玻璃上表面而着色，称作“电浮法”。也可以在锡槽出口与退火窑中间，设热喷涂装置而直接生产表面着色的颜色玻璃、热反射玻璃等本讲稿第十四页，共二十页平板玻璃的生产方式和发展方向v未来平板玻璃的主要用途1、设施农业2、光伏发电（光伏用玻璃板）3、光热发电本讲稿第十五页，共二十页光导玻璃纤维的工作原理和制作方法v光导纤维又称光学纤维。是能传导光信号的纤
11、维材料，一般是直径仅几微米的带包层光导纤维又称光学纤维。是能传导光信号的纤维材料，一般是直径仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。的圆柱形石英玻璃纤维。v光导纤维传光原理是不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射光导纤维传光原理是不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射向折射率的小光疏介质时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。这一定的角度称全反射临界向折射率的小光疏介质时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。这一定的角度称全反射临界角。光导纤维的纤芯是光密介质，而包层是光疏介质，传输的光信号只要在界面的入射角大于临界角，角。光导
12、纤维的纤芯是光密介质，而包层是光疏介质，传输的光信号只要在界面的入射角大于临界角，光就在纤芯中曲折反射前进而不会泄漏。这种带包层的光纤称芯皮型光纤。纤芯和包层的折光率在界光就在纤芯中曲折反射前进而不会泄漏。这种带包层的光纤称芯皮型光纤。纤芯和包层的折光率在界面突然变化的芯皮型光纤称为阶跃光纤；而折射率从纤芯的高折射率逐渐过渡变化到高层的低折射率，面突然变化的芯皮型光纤称为阶跃光纤；而折射率从纤芯的高折射率逐渐过渡变化到高层的低折射率，光在纤芯中波浪式前进的芯皮层光纤称为梯度型光纤。这是光在纤芯中波浪式前进的芯皮层光纤称为梯度型光纤。这是20世纪末应用较多的两种芯皮型光导纤世纪末应用较多的两种芯
13、皮型光导纤维。维。v还有一类传光原理不同的自聚集光导纤维。这类光纤的材料和结构，使传输的光会自动向光纤中还有一类传光原理不同的自聚集光导纤维。这类光纤的材料和结构，使传输的光会自动向光纤中心轴线靠拢，犹如光通过凸透镜聚焦一样，也可保证光在传输中不会泄漏。心轴线靠拢，犹如光通过凸透镜聚焦一样，也可保证光在传输中不会泄漏。v光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。本讲稿第十六页，共二十页光导玻璃纤维的工作原理和制作方法v预制棒和尾管的入库v抛光流程：将预制棒和尾管分别固定在机尽量使其
14、切面对齐，经过高温持续加热1小时，熔化焊接，磨平焊接口，冷却取下。v拉丝过程v测试参数、筛选参数本讲稿第十七页，共二十页玻璃在我国国民经济中的作用和比重玻璃工业属基础的原材料产业，与国民经济发展有着极为密切的联系。玻璃及其加工制品广泛应用于建筑、交通运输、装饰装修、电子信息、太阳能利用及其他新兴工业。它不仅用作生产资料，也是不可缺少的生活资料。回首历史，我们可以将中国玻璃工业的发展追溯到100年前，1903年之前，我国所用的平板玻璃都是从国外进口。自1904年开始筹建2家属于民族工业性质的平板玻璃工厂以来，中国的玻璃工业已走过了100余年的发展历程。解放前夕，偌大的中国只有3家总产量不过几十万
15、重量箱的玻璃厂。改革开放初期，1978年我国平板玻璃总产量也仅有1784万重量箱。中国玻璃工业的跨越式发展，是在改革开放后30年里实现的。这30年的历史进程，推动和见证了中国玻璃工业所发生的翻天覆地的巨大变化。今天，中国的玻璃工业已经从过去几乎是一张白纸发展成为世界上生产规模最大的平板玻璃生产国，总产量达5.3亿重量箱，占世界总产量的48，浮法技术主导了平板玻璃的发展，2007年浮法玻璃产量已占平板玻璃总产量的83以上；加工玻璃发展迅速，基本满足了建筑业、汽车业和其他新兴产业的需要，平板玻璃及加工玻璃产业已成为我国国民经济发展和提高人民生活水平所不可或缺的重要材料工业。本讲稿第十八页，共二十页
16、玻璃在我国国民经济中的作用和比重v无机非金属新材料的发展对我国传统产业改造与升级，对新技术产业的形成与发展，对国民经济可持续发展都起着举足轻重的作用，是对世纪我国国防工业和国民经济不可缺少的重要关键材料。玻璃纤维与特种玻璃纤维。其主要产品有无碱、中碱、高碱玻璃纤维；高强、高弹玻璃纤维；耐高温、抗烧蚀高硅氧纤维；耐辐照纤维；低价电玻璃纤维；各种光学纤维等及其制品。它们具有耐高温、电绝缘、隔热以及光学特性等，广泛用于电力、电子、石化、航空航天、核工业等领域。E玻璃纤维产量现跃居世界第四位，大部分产品性能达到国际先进水平，已出口美国、日本、欧洲等。特种玻璃纤维及制品的工艺技术水平不断提高，如自行研制
17、开发的20孔双坩埚生产传光束工艺技术、细编穿刺织物工艺技术等居国际领先地位。高强玻璃纤维是我国高性能复合材料的三大增强基材，也是目前唯一实现国产化的增强基村，产品性能已达到前苏联、法国、美国同类产品水平。本讲稿第十九页，共二十页玻璃在我国国民经济中的作用和比重v玻璃钢与高性能复合材料。其总产量居世界第五位，现正大力发展机械化成型工艺，生产企业正朝向专业化、规模化方向发展，产品已在国民经济支柱产业和宇航、舰船等领域得到广泛应用。我国发射的各种卫星、导弹。火箭和水中兵器等均采用了自行研制生产的玻璃钢及高性能复合材料。特种玻璃。现已生产的产品有航空玻璃、安全玻璃、溶封玻璃、计量玻璃以及红外、防紫外、
18、电磁屏蔽玻璃等，计200多个品种，除满足我国航空、电子、汽车、现代建筑、公安部门发展的需要外，有些产品已经出口。我国自行设计制造的各种飞机、火车、汽车、船舰用风挡玻璃、电加温玻璃、防弹抗鸟撞安全玻璃、屏蔽玻璃等，都是采用国内生产的特种玻璃。石英玻璃现已生产有电光源用石英玻璃系列产品；微电子用石英玻璃系列产品；光学石英玻璃系列产品；不透明石英玻璃系列产品；滤紫外光石英玻璃、萤光石英玻璃以及功能石英纤维、高纯石英纤维等。由于采用了连熔技术、二等法工艺、等离子熔制技术等先进制造技术，产品质量达到国际先进水平，使我国激光、微电子。航天、国防科技等领域所用的各种石英玻璃产品，均立足于国内。其中，电光源用石英玻璃、乳白石英玻璃、石英玻璃仪器器皿大量出口。自行研究开发的掺杂石英玻璃的工艺技术及产品特性引起世界同行关注。本讲稿第二十页，共二十页