《玻璃的结构与性质精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《玻璃的结构与性质精选文档.ppt（34页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、玻璃的结构与性质本讲稿第一页，共三十四页3.1.2 玻璃结构的假说玻璃结构的假说n晶子学说晶子学说n认为玻璃由微晶和无定形物质两部分组成，微晶与无定形物质间认为玻璃由微晶和无定形物质两部分组成，微晶与无定形物质间有明显的界限；微晶取向无序。有明显的界限；微晶取向无序。n可以解释玻璃的分相、晶化等。可以解释玻璃的分相、晶化等。n无规则网络学说无规则网络学说n认为玻璃的近程有序与晶体相似，即形成氧离子多面体（三角体和四面体），认为玻璃的近程有序与晶体相似，即形成氧离子多面体（三角体和四面体），多面体间顶角相连形成三维空间连续的网络，但其排列是无序的。解释玻璃多面体间顶角相连形成三维空间连续的网络，
2、但其排列是无序的。解释玻璃的各向同性、内部性质均匀性和性质变化的连续性。的各向同性、内部性质均匀性和性质变化的连续性。n晶子学说强调了玻璃结构的近程有序性；无规则网络学说晶子学说强调了玻璃结构的近程有序性；无规则网络学说着重说明玻璃结构的连续性、统计均匀性与无序性。着重说明玻璃结构的连续性、统计均匀性与无序性。本讲稿第二页，共三十四页3.1.3几种典型的玻璃结构几种典型的玻璃结构n玻璃基本结构参数玻璃基本结构参数nX每个多面体中非桥氧离子的平均数。每个多面体中非桥氧离子的平均数。nY每个多面体中桥氧离子的平均数。每个多面体中桥氧离子的平均数。nZ每个多面体中氧离子的平均总数。每个多面体中氧离子
3、的平均总数。nR玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比。玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比。nX，Y，R，Z之间的关系为：之间的关系为：即即本讲稿第三页，共三十四页n如石英玻璃（如石英玻璃（SiO2)Z=4,R=2/1 则则X=2x2-4=0,Y=2x42x2=4nNa2O.SiO2,Z=4,R=(2+1)/1则则X=2,Y=2n结构参数结构参数Y越大，网络连接程度越紧密，玻璃的机械强度越大，网络连接程度越紧密，玻璃的机械强度越高；越高；nY越小，网络连接越疏松，网络空穴越大，网络改性离子在网络越小，网络连接越疏松，网络空穴越大，网络改性离子在网络空穴中越易移动，玻璃的热膨胀系数增大，电导
4、增加，高温下的空穴中越易移动，玻璃的热膨胀系数增大，电导增加，高温下的粘度下降。粘度下降。本讲稿第四页，共三十四页1.石英玻璃石英玻璃(SiO2)2.钠钙硅玻璃钠钙硅玻璃（Na2O-CaO-SiO2)晶体晶体玻璃玻璃()()本讲稿第五页，共三十四页3.硼酸盐玻璃（硼酸盐玻璃（B2O3）n硼氧反常性硼氧反常性4.其它氧化物其它氧化物本讲稿第六页，共三十四页3.1.4玻璃结构中阳离子的分类及各种氧化物在玻玻璃结构中阳离子的分类及各种氧化物在玻璃中的作用璃中的作用n玻璃结构中阳离子的分类玻璃结构中阳离子的分类 P7n根据单键强度的大小，将氧化物分为：根据单键强度的大小，将氧化物分为：n网络生成体氧化
5、物：能够单独形成玻璃。网络生成体氧化物：能够单独形成玻璃。n网络外体氧化物：不能单独形成玻璃，但能改变网络外体氧化物：不能单独形成玻璃，但能改变网络结构。网络结构。n中间体氧化物：介于网络生成体和网络外体之间中间体氧化物：介于网络生成体和网络外体之间。n各种氧化物在玻璃中的作用各种氧化物在玻璃中的作用P7本讲稿第七页，共三十四页3.2玻璃的生成规律及其相变玻璃的生成规律及其相变3.2.1影响玻璃生成的因素影响玻璃生成的因素1.热力学条件热力学条件2.动力学条件动力学条件过冷度过冷度过冷度过冷度过冷度过冷度晶核形成速率或晶体生长速度晶核形成速率或晶体生长速度晶核形成速率或晶体生长速度晶核形成速率
6、或晶体生长速度晶核形成速率或晶体生长速度晶核形成速率或晶体生长速度UIUIUIabc本讲稿第八页，共三十四页n生成玻璃的动力学条件：控制熔体的冷却速率生成玻璃的动力学条件：控制熔体的冷却速率（粘度增大速率）（粘度增大速率）n曲线头部顶点对应析出曲线头部顶点对应析出晶体体积分数是晶体体积分数是10-6时时的最短时间。的最短时间。/Ct/s析晶体积分数是析晶体积分数是10-6时时3T曲线曲线本讲稿第九页，共三十四页n影响玻璃形成的动力学因素影响玻璃形成的动力学因素n在熔点时具有高的粘度，且粘度随温度降低而剧增的熔体在熔点时具有高的粘度，且粘度随温度降低而剧增的熔体容易形成玻璃。容易形成玻璃。n在相
7、似的粘度温度曲线下，具有较低熔点在相似的粘度温度曲线下，具有较低熔点(Tm)和较高玻和较高玻璃态转变温度璃态转变温度(Tg)的熔体易形成玻璃的熔体易形成玻璃.即即Tg/Tm 2/3。本讲稿第十页，共三十四页3.2.2熔体和玻璃体的相变熔体和玻璃体的相变1.熔体和玻璃体的成核过程熔体和玻璃体的成核过程n均匀成核：临界核半径愈小晶核愈容易形成。均匀成核：临界核半径愈小晶核愈容易形成。n非均匀成核：成核剂和初晶相的界面张力愈小，或非均匀成核：成核剂和初晶相的界面张力愈小，或它们之间的晶格常数愈接近，成核愈容易。它们之间的晶格常数愈接近，成核愈容易。2.晶体生长晶体生长n影响结晶的因素：温度、粘度、杂
8、质、界面能等。影响结晶的因素：温度、粘度、杂质、界面能等。本讲稿第十一页，共三十四页3.玻璃的分相玻璃的分相n分相分相:液相的不混溶性液相的不混溶性n分相的本质：取决于组分间的相互作用程度分相的本质：取决于组分间的相互作用程度（离子势（离子势Z/r）如果正离子如果正离子R在熔体中与氧形成强键，以致氧很难被硅夺去，在在熔体中与氧形成强键，以致氧很难被硅夺去，在熔体中表现为独立的离子聚集体。这样就出现了两个液相共存，熔体中表现为独立的离子聚集体。这样就出现了两个液相共存，一个是含少量硅的富一个是含少量硅的富R-O相，另一个是含少量相，另一个是含少量R的富的富Si-O相。相。在分相玻璃中，所加低浓度
9、组分差不多富集在微相中。在分相玻璃中，所加低浓度组分差不多富集在微相中。本讲稿第十二页，共三十四页n对于对于R2O-SiO2二元系统，如果第三组分能提高混溶温度，二元系统，如果第三组分能提高混溶温度，则能助长分相；如果第三组分能提高系统粘度，则有抑制则能助长分相；如果第三组分能提高系统粘度，则有抑制分相的倾向。分相的倾向。如抑制分相，如抑制分相，Li2ONa2OK2O Rb2OB2O3BaOAl2O3PbO Na2O (MgO,k2O)n提高抗压强度的顺序提高抗压强度的顺序SiO2 (Al2O3,MgO)As2O5B2O3 PbOCaO本讲稿第二十页，共三十四页n玻璃中的缺陷玻璃中的缺陷n缺陷
10、与玻璃的熔化过程密切相关缺陷与玻璃的熔化过程密切相关n温度温度n常温下玻璃的强度呈下降趋势；常温下玻璃的强度呈下降趋势；n当温度高于当温度高于200 C时，玻璃强度增加；时，玻璃强度增加；n升至玻璃转变温度下，玻璃的强度进一步增加。升至玻璃转变温度下，玻璃的强度进一步增加。n玻璃中的应力玻璃中的应力本讲稿第二十一页，共三十四页2.玻璃的硬度和脆性玻璃的硬度和脆性n玻璃的硬度取决于化学成分（化学键强和离子的玻璃的硬度取决于化学成分（化学键强和离子的配位数）配位数）n网络生成体离子使玻璃硬度提高；网络外体离子使玻璃网络生成体离子使玻璃硬度提高；网络外体离子使玻璃硬度降低。硬度降低。n氧化物提高玻璃
11、硬度的能力氧化物提高玻璃硬度的能力 SiO2 B2O3 (BaO,ZnO,MgO)Al2O3 Fe2O3K2ONa2O PbOn急冷玻璃较慢冷玻璃硬度小。急冷玻璃较慢冷玻璃硬度小。本讲稿第二十二页，共三十四页n玻璃的脆性玻璃的脆性n常用抗冲击强度来表示。常用抗冲击强度来表示。n脆性与玻璃成分、玻璃的均匀性、热历史、试样厚度与形状脆性与玻璃成分、玻璃的均匀性、热历史、试样厚度与形状等有关。等有关。本讲稿第二十三页，共三十四页3.3.4玻璃的热学性能玻璃的热学性能n玻璃的热膨胀系数（线膨胀系数玻璃的热膨胀系数（线膨胀系数）n玻璃的热膨胀系数计算玻璃的热膨胀系数计算式中式中 n玻璃中各氧化物的热膨胀
12、计算系数；玻璃中各氧化物的热膨胀计算系数；Pn玻璃中各氧化物质量分数（玻璃中各氧化物质量分数（%）。）。n热膨胀系数的影响因素：热膨胀系数的影响因素：n玻璃中非桥氧越少，玻璃的热膨胀系数越小；玻璃中非桥氧越少，玻璃的热膨胀系数越小；n急冷玻璃较慢冷玻璃的热膨胀系数大。急冷玻璃较慢冷玻璃的热膨胀系数大。n玻璃的热稳定性玻璃的热稳定性n热膨胀系数和厚度越大，玻璃的热稳定性越差。热膨胀系数和厚度越大，玻璃的热稳定性越差。本讲稿第二十四页，共三十四页3.3.5玻璃的化学稳定性玻璃的化学稳定性1.玻璃表面的侵蚀机理玻璃表面的侵蚀机理（1）水）水第一步离子交换过程第一步离子交换过程第二步水解过程第二步水解
13、过程第三步中和过程第三步中和过程Si-O-Na+H+OH-Si-OH+NaOHSi-OH+HOHSi(OH)4Si(OH)4+NaOHNa2SiO3+H2O本讲稿第二十五页，共三十四页(2)酸酸n浓酸对玻璃的侵蚀较稀酸弱；浓酸对玻璃的侵蚀较稀酸弱；n高碱玻璃的耐酸性小于耐水性；高碱玻璃的耐酸性小于耐水性；n高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。（3）碱（破坏硅氧骨架）碱（破坏硅氧骨架）（4）大气（水汽、）大气（水汽、CO2、SO2等）等）本讲稿第二十六页，共三十四页2.影响玻璃化学稳定性的主要因素影响玻璃化学稳定性的主要因素P23（1）化学组成的影响）化学组成的影响n能够增强
14、网络结构、生成物难溶或表面可形成保护能够增强网络结构、生成物难溶或表面可形成保护膜的组分可以提高化学稳定性。膜的组分可以提高化学稳定性。（2）热处理）热处理n急冷玻璃较慢冷玻璃的化学稳定性差；急冷玻璃较慢冷玻璃的化学稳定性差；n分相的玻璃的化学稳定性取决于相结构与新相的化学组分相的玻璃的化学稳定性取决于相结构与新相的化学组成；成；n玻璃在酸性炉气中退火可以提高化学稳定性。玻璃在酸性炉气中退火可以提高化学稳定性。（3）温度和压力）温度和压力本讲稿第二十七页，共三十四页3.3.6玻璃的光学性质玻璃的光学性质n玻璃的主要光学指数是折射率、色散。玻璃的主要光学指数是折射率、色散。n玻璃的主要光学性质包
15、括玻璃对光的反射、吸收、玻璃的主要光学性质包括玻璃对光的反射、吸收、透过。透过。n1.玻璃的折射率玻璃的折射率n折射率：光通过二物质界面时，入射角与折射角折射率：光通过二物质界面时，入射角与折射角的正弦之比，或者用光在二种介质的传播速度之的正弦之比，或者用光在二种介质的传播速度之比来表示。比来表示。n一般以一般以n表示。表示。本讲稿第二十八页，共三十四页n影响玻璃折射率的因素主要有：影响玻璃折射率的因素主要有：（1）玻璃的组成）玻璃的组成n玻璃内部离子的越易极化，玻璃密度越大，玻璃内部离子的越易极化，玻璃密度越大，n越大。越大。（2）温度）温度n对于一般玻璃，温度低于玻璃的转变温度时，对于一般
16、玻璃，温度低于玻璃的转变温度时，n一般随一般随温度的升高略增，温度进一步升高，温度的升高略增，温度进一步升高，n升高。升高。（3）热历史）热历史P24（4）波长）波长本讲稿第二十九页，共三十四页2.色散色散n定义：玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现定义：玻璃的折射率随入射光波长不同而不同的现象。象。n玻璃色散的表示：玻璃色散的表示：n平均色散平均色散n部分色散部分色散n阿贝数阿贝数n相对部分色散相对部分色散本讲稿第三十页，共三十四页3.玻璃的反射、吸收与透过玻璃的反射、吸收与透过n玻璃的反射：玻璃的反射：与玻璃表面的光滑程度、光的入射角、频与玻璃表面的光滑程度、光的入射角、频率及玻璃的折射
17、率有关率及玻璃的折射率有关n当入射角为当入射角为90时，时，nR反射率反射率n玻璃对光的吸收与透过遵循兰比尔定律玻璃对光的吸收与透过遵循兰比尔定律n式中式中T透光率透光率I进入玻璃中的入射光强度进入玻璃中的入射光强度（扣除反射部分）（扣除反射部分）I0透过玻璃的光强度透过玻璃的光强度l玻璃的厚度玻璃的厚度 着色剂的吸收系数着色剂的吸收系数本讲稿第三十一页，共三十四页n对于有色玻璃，对于有色玻璃，与着色剂和种类和浓度有关与着色剂和种类和浓度有关n其中其中、c分别为着色剂的吸收系数与浓度分别为着色剂的吸收系数与浓度n常用光密度常用光密度D来表示玻璃对光的吸收与反射损失。来表示玻璃对光的吸收与反射损失。本讲稿第三十二页，共三十四页4.玻璃的着色：玻璃的着色：只要原子中电子的基态和激发态间的能量只要原子中电子的基态和激发态间的能量差（差（E2-E1）处于可见光的能量范围时，相应波长的光就被吸）处于可见光的能量范围时，相应波长的光就被吸收，从而呈现颜色。收，从而呈现颜色。n玻璃的着色分为：玻璃的着色分为：离子着色、硫硒化物着色和金属胶体着离子着色、硫硒化物着色和金属胶体着色。色。P25-26本讲稿第三十三页，共三十四页3.3.6玻璃的电学性质玻璃的电学性质n离子导电离子导电n电子导电电子导电本讲稿第三十四页，共三十四页