玻璃的定义与通性.ppt

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1、玻璃的定义与通性玻璃的定义与通性一、玻璃的定义一、玻璃的定义 目前，玻璃这一名词包括了玻璃态、玻璃材料和玻璃制品。目前，玻璃这一名词包括了玻璃态、玻璃材料和玻璃制品。玻璃态玻璃态是指物质的一种结构；是指物质的一种结构；玻璃材料玻璃材料指用作结构材料、功能材料或新材料的玻璃，如指用作结构材料、功能材料或新材料的玻璃，如建筑玻璃等；建筑玻璃等；玻璃制品玻璃制品指玻璃器皿、玻璃瓶罐等。指玻璃器皿、玻璃瓶罐等。玻璃的定义应该包括玻璃态、玻璃材料与玻璃制品的内涵玻璃的定义应该包括玻璃态、玻璃材料与玻璃制品的内涵和特征。和特征。随着人们认识的深化，玻璃的定义也在不断地修改和补充，随着人们认识的深化，玻璃的

2、定义也在不断地修改和补充，有有狭义和广义狭义和广义的玻璃定义类型。的玻璃定义类型。（一）狭义的定义（一）狭义的定义 玻璃：采用无机矿物为原料，经熔融、冷却、固化，具有无玻璃：采用无机矿物为原料，经熔融、冷却、固化，具有无规则结构的非晶态固体。规则结构的非晶态固体。（二）广义的定义（二）广义的定义 玻璃是呈现玻璃是呈现玻璃转变现象玻璃转变现象的非晶态固体。的非晶态固体。玻璃转变现象玻璃转变现象是指当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相是指当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度的当于晶态物质熔点绝对温度的2/32/31/21/2温度附近出现热膨胀、比温度附近出现热膨胀、比热等性

3、能的突变，这一温度称为热等性能的突变，这一温度称为玻璃转变温度玻璃转变温度。二、玻璃的通性二、玻璃的通性 一种具有无规则结构的非晶态固体，其原子不像晶体那样在一种具有无规则结构的非晶态固体，其原子不像晶体那样在空间作长程有序的排列，而近似于液体那样具有短程有序。空间作长程有序的排列，而近似于液体那样具有短程有序。玻璃像固体保持一定的外形，而不像液体态一样能在本身的玻璃像固体保持一定的外形，而不像液体态一样能在本身的重力作用下流动。重力作用下流动。玻璃态物质具有以下五个特性：玻璃态物质具有以下五个特性：（一）各向同性（一）各向同性 近程有序、远程无序，不像晶体那样按定向排列，玻璃态物近程有序、远

4、程无序，不像晶体那样按定向排列，玻璃态物质的质点排列总的说是无规则的，是统计均匀的，因此，它的物质的质点排列总的说是无规则的，是统计均匀的，因此，它的物理化学性质在任何方向都是相同的。理化学性质在任何方向都是相同的。例如硬度、弹性模量、热膨胀系数、折射率、导电率等。而例如硬度、弹性模量、热膨胀系数、折射率、导电率等。而非等轴结晶态物质在不同方向上的性质是不同的，表现为各向异非等轴结晶态物质在不同方向上的性质是不同的，表现为各向异性。性。必须指出，当结构中存在内应力时，玻璃均匀性就遭受破坏，必须指出，当结构中存在内应力时，玻璃均匀性就遭受破坏，玻璃就显示出各向异性，例如产生双折射现象。此外，由于

5、玻璃玻璃就显示出各向异性，例如产生双折射现象。此外，由于玻璃表面与内部结构上的差异，其表面与内部的性质也不相同。表面与内部结构上的差异，其表面与内部的性质也不相同。（二）介稳性（二）介稳性 玻璃态物质一般是由熔融玻璃态物质一般是由熔融体过冷却而得到。在冷却过程体过冷却而得到。在冷却过程中粘度急剧增大，质点来不及中粘度急剧增大，质点来不及作有规则排列而形成晶体，没作有规则排列而形成晶体，没有释出结晶潜热有释出结晶潜热(凝固热凝固热)，因，因此，玻璃态物质比相应的结晶此，玻璃态物质比相应的结晶态物质含有较大的能量。它不态物质含有较大的能量。它不是处于能量最低的稳定状态，是处于能量最低的稳定状态，而

6、属于亚稳状态。而属于亚稳状态。按按热力学观点热力学观点，玻璃态是，玻璃态是不稳定不稳定的，它有自发释放能量向晶的，它有自发释放能量向晶体转化的趋势；但由于玻璃常温粘度很大，体转化的趋势；但由于玻璃常温粘度很大，动力学上是稳定的动力学上是稳定的，实际上玻璃又不会自发地转化成晶体。实际上玻璃又不会自发地转化成晶体。仅在具备一定条件时，克服析晶活化能，即物质由玻璃态转仅在具备一定条件时，克服析晶活化能，即物质由玻璃态转化为晶态的势垒，才能使玻璃析晶。化为晶态的势垒，才能使玻璃析晶。（三）熔融态转变为玻璃态是渐变的、可逆的，在一定温度范围（三）熔融态转变为玻璃态是渐变的、可逆的，在一定温度范围内完成，

7、无固定熔点。内完成，无固定熔点。玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域(软化温度范软化温度范围围)内进行的，它与结晶态物质不同，没有确定的熔点。内进行的，它与结晶态物质不同，没有确定的熔点。在此范围内，玻璃液由粘性体经粘塑性体、粘弹性体逐渐转在此范围内，玻璃液由粘性体经粘塑性体、粘弹性体逐渐转变成为弹性体。这种性质的渐变过程正是玻璃具有良好加工性能变成为弹性体。这种性质的渐变过程正是玻璃具有良好加工性能的基础。的基础。（四）物理、化学性质随成分变化的连续性（四）物理、化学性质随成分变化的连续性 玻璃的成分玻璃的成分(在一定范围内在一定范围内)可以连

8、续变化，与之相应，玻可以连续变化，与之相应，玻璃性质随成分发生连续和逐渐的变化。璃性质随成分发生连续和逐渐的变化。图为图为R R2 20 0SiOSiO2 2系统玻系统玻璃弹性模量的变化。璃弹性模量的变化。从图中可以看出，玻从图中可以看出，玻璃的弹性模量随着璃的弹性模量随着NaNa2 2O O或或K K2 2O O的增加而下降；随着的增加而下降；随着LiLi2 2O O的增加而上升，而且的增加而上升，而且这种变化是连续的和渐变这种变化是连续的和渐变的。的。（五）由熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连（五）由熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化的连续性与可逆性续性与可逆性 玻

9、璃态物质从熔融状态冷却玻璃态物质从熔融状态冷却(或相反加热或相反加热)过程中，其物理化过程中，其物理化学性质产生逐渐和连续的变化；而且是可逆的。学性质产生逐渐和连续的变化；而且是可逆的。下图是物质从熔融状态冷却，在冷却过程中内能与体积的变下图是物质从熔融状态冷却，在冷却过程中内能与体积的变化情况。化情况。从图可以看出：在结晶情况下，从图可以看出：在结晶情况下，从熔融态从熔融态(液体液体)到固态过程中，内能到固态过程中，内能与体积与体积(或其它物理化学性质或其它物理化学性质)在它的在它的熔点发生突变熔点发生突变(沿沿ABCDABCD变化变化)。而冷却。而冷却形成玻璃时，其内能和体积性能形成玻璃时

10、，其内能和体积性能(或其或其它物理化学性质它物理化学性质)却是连续的和逐渐的却是连续的和逐渐的变化变化(沿沿ABKFEABKFE变化变化)。KFKF区域一般称区域一般称“转变区转变区”(一般以一般以T Tg g-T-Tf f温度区表示之温度区表示之)，是玻璃态物质所特有的。，是玻璃态物质所特有的。从图可以看出，玻从图可以看出，玻璃在温度璃在温度T T0 0的比容可能的比容可能是是V V1 1、V V2 2或或V V3 3，它决定，它决定于玻璃的降温速度。于玻璃的降温速度。还可以看出，玻璃还可以看出，玻璃的转变温度也随降温速的转变温度也随降温速度的增大而增高。因此度的增大而增高。因此T Tg g

11、温度与试验条件有关。温度与试验条件有关。图图3 314 14 玻璃性质随温度的变化玻璃性质随温度的变化 abcdabcdd”c”b”a”TgTf温度温度性性质质 玻璃性质随温度玻璃性质随温度的变化可分为三类的变化可分为三类(见图见图)：玻璃的电玻璃的电导、比容、热焓等是导、比容、热焓等是按按I I曲线变化；曲线变化；玻玻璃的热容、膨胀系数、璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等是按密度、折射率等是按IIII曲线变化；曲线变化；玻璃玻璃的导热系数和一些机的导热系数和一些机械性质（如弹性常数械性质（如弹性常数等）按等）按IIIIII曲线变化。曲线变化。一、氧化物玻璃一、氧化物玻璃 分单组分、多组分氧化

12、物玻璃。分单组分、多组分氧化物玻璃。单组分氧化物玻璃有单组分氧化物玻璃有B B2 2O O3 3、SiOSiO2 2、GeOGeO2 2、P P2 2O O5 5 等。有实用价等。有实用价值是石英玻璃。值是石英玻璃。多组分氧化物构成二元，多元系统玻璃，主要包括：多组分氧化物构成二元，多元系统玻璃，主要包括：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、硒酸盐、铝酸硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、硒酸盐、铝酸盐、镓酸盐、砷酸盐、锑酸盐、铋酸盐、钴酸盐、钒酸盐、钼酸盐、镓酸盐、砷酸盐、锑酸盐、铋酸盐、钴酸盐、钒酸盐、钼酸盐与钨酸盐玻璃以及其它含氧玻璃。盐与钨酸盐玻璃以及其它含氧玻璃。玻璃的分类玻

13、璃的分类 玻璃根据其化学成分，可分几大类：玻璃根据其化学成分，可分几大类：二、卤素化合物玻璃二、卤素化合物玻璃 有有氟氟化化物物（BeFBeF2 2）玻玻璃璃和和氯氯化化物物（ZnClZnCl2 2）玻玻璃璃，具具有有优优异异的的红外透过性能红外透过性能。三、硫属元素化合物玻璃三、硫属元素化合物玻璃 砷砷-硫（硒、碲）系统玻璃，其代表为硫（硒、碲）系统玻璃，其代表为AsAs2 2S S3 3和和AsAs2 2SeSe3 3。硫系玻。硫系玻璃具有半导体性质，又称为璃具有半导体性质，又称为“玻璃半导体玻璃半导体”。四、混合玻璃四、混合玻璃 由由氧氧化化物物与与卤卤化化物物，氧氧化化物物与与硫硫系系

14、化化合合物物，硫硫系系化化合合物物与与卤卤化化物物等等混混合合形形成成。具具有有特特殊殊的的光光学学和和电电学学性性质质，如如玻玻璃璃快快离离子子导导体。体。五、金属玻璃五、金属玻璃 某些金属（如某些金属（如NiNi、FeFe、CoCo、CrCr）和合金（如）和合金（如Pb-SiPb-Si，Au-Si-Au-Si-GeGe）的熔体以）的熔体以10106 6/s/s的速度急冷可获得金属玻璃。的速度急冷可获得金属玻璃。保持了金属的延展性，高的强度和硬度，耐腐蚀。含保持了金属的延展性，高的强度和硬度，耐腐蚀。含FeFe、CoCo、NiNi的金属玻璃有良好的磁学性能。的金属玻璃有良好的磁学性能。硅酸盐

15、玻璃的组成、结构与性质硅酸盐玻璃的组成、结构与性质一、硅酸盐玻璃的组成一、硅酸盐玻璃的组成 主主要要由由以以SiOSiO2 2为为主主的的各各种种氧氧化化物物所所组组成成，根根据据各各种种氧氧化化物物中中元元素素与与氧氧键键合合的的单单键键能能及及在在玻玻璃璃结结构构中中所所起起的的作作用用不不同同可可将将它它们们分为分为玻璃形成体、玻璃中间体、玻璃调整体玻璃形成体、玻璃中间体、玻璃调整体，见表，见表2-3-12-3-1。玻璃形成体，单键强玻璃形成体，单键强335kJ/mol335kJ/mol，这类氧化物能单独形，这类氧化物能单独形成玻璃，其正离子称为网络形成离子。这类物质常为成玻璃，其正离子

16、称为网络形成离子。这类物质常为SiOSiO2 2、B B2 2O O3 3等。等。玻璃调整体（网络变性体），单键能玻璃调整体（网络变性体），单键能250kJ/mol250kJ/mol，这类，这类氧化物不能形成玻璃，而是改变网络结构，从而使玻璃性质改变，氧化物不能形成玻璃，而是改变网络结构，从而使玻璃性质改变，其正离子称为网络变性离子。这类物质常为其正离子称为网络变性离子。这类物质常为R R2 2O O、RORO。玻璃中间体，作用介于玻璃形成体和网络变性体之间，玻璃中间体，作用介于玻璃形成体和网络变性体之间，常为常为R R2 2O O3 3等。等。这三类氧化物以不同的品种、比例，组成各具特色的玻

17、璃。这三类氧化物以不同的品种、比例，组成各具特色的玻璃。根据玻璃中主要氧化物的品种可将硅酸盐玻璃分为五类。根据玻璃中主要氧化物的品种可将硅酸盐玻璃分为五类。玻璃的组成决定了玻璃的结构和性质，通常可根据对某种玻玻璃的组成决定了玻璃的结构和性质，通常可根据对某种玻璃的性能要求去设计玻璃的成分，然后再组织生产。璃的性能要求去设计玻璃的成分，然后再组织生产。二、玻璃的结构因素二、玻璃的结构因素 玻璃结构玻璃结构是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程度以及它们彼此间的结合状态。它们彼此间的结合状态。现代玻璃结构理论主要是晶子学说和无规则网络学说。现代玻璃结构理

18、论主要是晶子学说和无规则网络学说。玻璃性质的变化规律和玻璃的结构有直接关系，这些因素是：玻璃性质的变化规律和玻璃的结构有直接关系，这些因素是：（一）硅氧骨架的结合程度（一）硅氧骨架的结合程度 硅硅酸酸盐盐系系统统玻玻璃璃，SiOSiO2 2以以各各种种SiOSiO4 4 的的形形式式存存在在，系系统统中中存存在在“桥桥氧氧”（双双键键）和和“非非桥桥氧氧”（单单键键），二二者者的的比比例例不不同同，各各种玻璃的物理化学性质也相应发生变化。种玻璃的物理化学性质也相应发生变化。SiOSiO4 4 四四面面体体的的性性质质首首先先与与硅硅氧氧骨骨架架的的结结合合程程度度（键键合合度度）有关。有关。需

19、要指出的是：需要指出的是：当当玻玻璃璃中中同同时时含含有有两两种种以以上上的的金金属属氧氧化化物物时时，当当碱碱金金属属氧氧化化物物含含量量大大于于33.333.3时时，即即使使Y2,Y2,也也能能形形成成玻玻璃璃，而而且且某某些些性性能能随随金金属属离离子子数数的的增增加加而而变变好好，这这类类玻玻璃璃具具有有和和一一般般硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃不不同同的的特特殊殊性性质质，我我们们称称为为“逆逆向向玻玻璃璃”或或“逆逆性性玻玻璃璃”或或“离离子子玻玻璃璃”。逆性玻璃的特点有两点：逆性玻璃的特点有两点：第一，在结构上它与通常玻璃是逆性的。第一，在结构上它与通常玻璃是逆性的。一般玻璃的结构以玻璃形

20、成物为主体，靠桥氧来连接，金属一般玻璃的结构以玻璃形成物为主体，靠桥氧来连接，金属离子处于网络空穴中，它仅起补助性作用。逆性玻璃恰恰相反，离子处于网络空穴中，它仅起补助性作用。逆性玻璃恰恰相反，靠金属离子来连接多面体。靠金属离子来连接多面体。第二，逆性玻璃在性质上也发生逆转性。第二，逆性玻璃在性质上也发生逆转性。一般玻璃的性质是随着一般玻璃的性质是随着SiOSiO2 2的减少而降低。而逆性玻璃则相的减少而降低。而逆性玻璃则相反，碱金属和碱土金属含量愈多，结构愈强固，而某些物理性质反，碱金属和碱土金属含量愈多，结构愈强固，而某些物理性质却向着一般玻璃的相反方向变化，如粘度、膨胀系数和介电损耗却向

21、着一般玻璃的相反方向变化，如粘度、膨胀系数和介电损耗等。下图就是这种逆转的例子。等。下图就是这种逆转的例子。目前目前“逆向玻璃（逆向玻璃（invert glassinvert glass）”已发展到其他氧化物已发展到其他氧化物玻璃系统，如硼酸盐、磷酸盐等。玻璃系统，如硼酸盐、磷酸盐等。这些玻璃系统中形成这些玻璃系统中形成“逆向玻璃逆向玻璃”的共同点是：的共同点是：网络外体氧化物的含量大于玻璃生成体氧化物，还有的玻网络外体氧化物的含量大于玻璃生成体氧化物，还有的玻璃系统中不含玻璃生成体氧化物，或者只含中间体氧化物，同璃系统中不含玻璃生成体氧化物，或者只含中间体氧化物，同时含有大量网络外体氧化物。

22、时含有大量网络外体氧化物。逆向玻璃的离子性成分很高，也有人称为逆向玻璃的离子性成分很高，也有人称为“离子玻璃离子玻璃”。（二）阳离子的配位状态（二）阳离子的配位状态 玻璃中场强大的阳离子（小离子半径和高电荷）所形成的配玻璃中场强大的阳离子（小离子半径和高电荷）所形成的配位多面体是牢固的，当由于各种原因引起配位数改变时，可使玻位多面体是牢固的，当由于各种原因引起配位数改变时，可使玻璃某些性质改变。璃某些性质改变。玻璃物理化学中，目前对阳离子配位数改变研究较多的有硼玻璃物理化学中，目前对阳离子配位数改变研究较多的有硼效应、铝效应和相应的硼铝效应等。效应、铝效应和相应的硼铝效应等。（三）离子的极化程

23、度（三）离子的极化程度与光性能、电性能有关与光性能、电性能有关 （四）离子堆积的紧密程度（四）离子堆积的紧密程度机械性能、力学性能、热性能机械性能、力学性能、热性能 1.1.热历史有关：快冷热历史有关：快冷疏松疏松 慢冷慢冷紧密紧密 2.2.离子半径大小有关。离子半径大小有关。f f S S （2-3-12-3-1）三、熔融玻璃液的性质三、熔融玻璃液的性质（一）（一）玻璃的粘度玻璃的粘度 粘度：指面积为粘度：指面积为S S的两平行液层以一定的速度梯度的两平行液层以一定的速度梯度dv/dxdv/dx移移动时所产生的内摩擦力动时所产生的内摩擦力f f。式中式中为粘度，为帕为粘度，为帕秒。秒。（1

24、1帕帕秒秒=10=10泊）泊）玻璃粘度是玻璃的一个重要物理性质。它对玻璃的溶化、玻璃粘度是玻璃的一个重要物理性质。它对玻璃的溶化、成型、退火、热加工和热处理等都有密切关系。成型、退火、热加工和热处理等都有密切关系。1 1玻璃粘度与温度的关系玻璃粘度与温度的关系（1 1）粘度温度曲线）粘度温度曲线 图图2-3-12-3-1为硅酸盐玻璃的粘度为硅酸盐玻璃的粘度-温温度曲线。度曲线。在整个玻璃粘度温度在整个玻璃粘度温度曲线上，没有如熔融金属曲线上，没有如熔融金属或盐类在凝固点时那样的或盐类在凝固点时那样的粘度突变点。粘度突变点。玻璃熔体在冷却过程玻璃熔体在冷却过程中粘度不断地增长称为玻中粘度不断地增

25、长称为玻璃的硬化或固化。璃的硬化或固化。冷却过程中玻璃液粘冷却过程中玻璃液粘度增加的快慢称为硬化速度增加的快慢称为硬化速度。硬化速度与玻璃本身度。硬化速度与玻璃本身粘度粘度-温度关系有关；还取温度关系有关；还取决于玻璃的冷却速度。决于玻璃的冷却速度。B B 短性玻璃：随温度变化，粘度变化速率快，又称为快凝玻璃。短性玻璃：随温度变化，粘度变化速率快，又称为快凝玻璃。A A 长性玻璃：随温度变化，粘度变化速率慢，又称为慢凝玻璃。长性玻璃：随温度变化，粘度变化速率慢，又称为慢凝玻璃。对于组成不同的玻璃，粘度温度曲线形状相似，但随温度对于组成不同的玻璃，粘度温度曲线形状相似，但随温度变化，粘度变化速率

26、不同，这种情况称为玻璃具有不同的料性：变化，粘度变化速率不同，这种情况称为玻璃具有不同的料性：（2 2）粘度的特性温度）粘度的特性温度 特特性性温温度度或或特特征征粘粘度度：在在玻玻璃璃温温度度-粘粘度度曲曲线线上上（见见图图2-3-12-3-1，存在着一些代表性的点。，存在着一些代表性的点。A.A.应变点应变点 粘度为粘度为101014.514.5泊（泊（loglog：14.514.5）时的温度称为应变点。）时的温度称为应变点。在在此此温温度度，玻玻璃璃不不能能产产生生粘粘性性流流动动，低低于于此此温温度度，玻玻璃璃中中的的应力无法消除。玻璃退火下限。应力无法消除。玻璃退火下限。B.B.退火

27、点退火点 又称转变温度、转化温度和脆性温度，常用又称转变温度、转化温度和脆性温度，常用T Tg g表示。表示。退火点是粘度为退火点是粘度为10101313泊时的温度。消除应力的上限温度。泊时的温度。消除应力的上限温度。C.C.变形点（垂点）变形点（垂点）由由于于自自垂垂而而开开始始急急剧剧变变曲曲的的温温度度称称为为垂垂点点。粘粘度度范范围围1010101010101111泊的温度。泊的温度。D.D.软化点软化点 又又称称软软化化温温度度，常常用用T Tf f表表示示。粘粘度度为为 4.5104.5107 7泊泊时时的的温温度度。大致相应于操作温度的下限。大致相应于操作温度的下限。E.E.流动

28、温度流动温度 粘粘度度10105 5泊泊时时的的温温度度，处处于于成成型型粘粘度度范范围围内内。是是玻玻璃璃成成形形操操作基准点之一。作基准点之一。F.F.熔化温度熔化温度 T TS S 粘度为粘度为101010102 2泊时的温度。熔化。泊时的温度。熔化。T Tg gT TS S对玻璃成型、熔制具有重要的意义。对玻璃成型、熔制具有重要的意义。2.2.玻璃粘度与组成的关系玻璃粘度与组成的关系（1 1）首首先先决决定定于于硅硅氧氧四四面面体体的的连连接接程程度度，即即随随O/SiO/Si比比的的上上升升而而下下降。降。（2 2）引引入入碱碱金金属属氧氧化化物物R RO O（LiLi2 2O O、

29、NaNa2 2O O、K K2 2O O、RbRb2 2O O、CsCs2 2O O等等）时，粘度降低。时，粘度降低。（3 3）二二价价金金属属离离子子对对粘粘度度的的影影响响比比较较复复杂杂。一一般般来来说说降降低低粘粘度的顺序：度的顺序：BaO BaO SrO SrO CaO CaO MgOMgO CaOCaO、ZnOZnO表表现现较较特特别别，低低温温时时使使粘粘度度增增加加，高高温温时时使使粘粘度度降低。降低。（4 4）AlAl2 2O O3 3对对粘粘度度的的影影响响也也比比较较复复杂杂。用用量量一一般般不不超超过过1010，使使粘度增加。粘度增加。B B2 2O O3 3含含量量较

30、较少少时时，粘粘度度随随含含量量升升高高而而升升高高。B B2 2O O3 3含含量量为为1515趋于最高点，以后部分趋于最高点，以后部分BOBO4 4 变成变成BOBO3 3 三角体，粘度下降。三角体，粘度下降。（5 5）稀稀土土氧氧化化物物、氯氯化化物物及及硫硫酸酸盐盐在在熔熔体体中中一一般般起起降降低低粘粘度度作作用。用。（二）玻璃的表面张力（二）玻璃的表面张力 玻璃与另一相接触的相界面上，在恒温、恒容下增加一个玻璃与另一相接触的相界面上，在恒温、恒容下增加一个单位表面单位表面所作的所作的功功。也可定义为：也可定义为：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。

31、熔融玻璃表面质点受到内部质点的作用而趋向于熔体内部，熔融玻璃表面质点受到内部质点的作用而趋向于熔体内部，使表面有收缩的趋势。使表面有收缩的趋势。表面张力在玻璃的澄清、均化、成形，玻璃液与耐火材料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起着重大的作用。在一定程度上决定了气泡相互作用等过程中起着重大的作用。在一定程度上决定了气泡的成长和溶解速度。的成长和溶解速度。1.1.与组成的关系与组成的关系 较复杂，规律性不强。较复杂，规律性不强。芒硝、芒硝、NaNa2 2SiFSiF6 6、NaCl可降低表面张力。可降低表面张力。2.2.与温度的关系与温度的关系 比较复杂。高温时作

32、用速度快，低温时作用速度慢。比较复杂。高温时作用速度快，低温时作用速度慢。3.3.玻璃表面张力与气氛的关系玻璃表面张力与气氛的关系 还原气氛下的表面张力约比氧化气氛下增加还原气氛下的表面张力约比氧化气氛下增加2020。第二类性质和玻璃成分间的关系比较简单，一般可以根据玻第二类性质和玻璃成分间的关系比较简单，一般可以根据玻璃成分和某些特定的加和法则进行推算。璃成分和某些特定的加和法则进行推算。当玻璃从熔融状态经过转变区域冷却时，它们往往产生突变，当玻璃从熔融状态经过转变区域冷却时，它们往往产生突变，见图见图。属于这类性质的有折射率属于这类性质的有折射率(n)(n)、分子体积、分子体积(Vm)(V

33、m)、色散、密度、色散、密度、弹性弹性(E)(E)模量、刚性模量模量、刚性模量(G)(G)，硬度、热膨系数以及介电常数等。，硬度、热膨系数以及介电常数等。（一）玻璃的密度（一）玻璃的密度 石石英英玻玻璃璃密密度度为为2.21kg102.21kg103 3/m/m3 3，普普通通钠钠钙钙硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃的的密密度为度为2.52.52.6 kg102.6 kg103 3/m/m3 3。玻璃的密度主要取决于：玻璃的密度主要取决于：1 1、构成玻璃的原子的质量；、构成玻璃的原子的质量；2 2、原子堆积紧密程度；、原子堆积紧密程度；3 3、配位数。、配位数。一般来讲：一般来讲：1 1、网络结构紧密或

34、网络外结构被填空，密度增加；、网络结构紧密或网络外结构被填空，密度增加；2 2、温度升高，密度下降；、温度升高，密度下降；3 3、压力增加，密度增加。、压力增加，密度增加。四、玻璃的物理、化学性质四、玻璃的物理、化学性质（二）玻璃的机械强度（二）玻璃的机械强度 抗抗压压强强度度比比抗抗张张强强度度大大8 81010倍倍。抗抗压压强强度度介介于于5005002000MPa2000MPa之间，而抗张强度则在之间，而抗张强度则在4040120MPa120MPa之间。之间。影响玻璃强度的主要因素有：影响玻璃强度的主要因素有：（1 1）玻璃成分的影响）玻璃成分的影响 有有完完整整的的、强强的的Si-OS

35、i-O键键的的强强度度较较高高。在在石石英英玻玻璃璃中中加加入入R R+离离子后，强度降低。子后，强度降低。引入少量的引入少量的AlAl2 2O O3 3，使结构紧密，能提高强度。，使结构紧密，能提高强度。（2 2）玻璃的缺陷对强度的影响）玻璃的缺陷对强度的影响 表表面面微微裂裂纹纹的的存存在在，玻玻璃璃的的微微不不均均匀匀性性，玻玻璃璃中中的的宏宏观观和和微微观缺陷严重影响玻璃的强度。观缺陷严重影响玻璃的强度。（）温度对玻璃强度的影响（）温度对玻璃强度的影响 低低温温强强度度随随温温度度的的上上升升而而下下降降，在在200200左左右右强强度度为为最最低低点点，高于高于200200时，强度逐

36、渐增加。可能是塑性变形引起。时，强度逐渐增加。可能是塑性变形引起。（）玻璃中应力对强度的影响（）玻璃中应力对强度的影响 分分布布不不均均匀匀的的残残余余应应力力，使使强强度度大大为为降降低低。强强化化（钢钢化化）后后，玻璃表面存在压应力，强度提高。玻璃表面存在压应力，强度提高。（三）玻璃的弹性（三）玻璃的弹性 定义定义 ：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后能恢复原：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。来形状的性质。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。在低温下和常温下玻璃基本上是服从虎克定律的弹性体。在低温下和常温下玻璃基本上是服从虎

37、克定律的弹性体。玻璃的弹性模量由它的化学组成所决定，同时受到温度和热玻璃的弹性模量由它的化学组成所决定，同时受到温度和热处理的影响。处理的影响。（1 1）组成）组成 内部组成质点间内部组成质点间化学键化学键越越强强变形越小，变形越小，E E越越大大。（2 2）热处理）热处理 淬火玻璃淬火玻璃EE退火玻璃退火玻璃E E 约约27%（3 3）温度）温度 T T E E（四）玻璃的脆性（四）玻璃的脆性 脆脆性性：材材料料在在受受力力过过程程中中没没有有发发生生塑塑性性变变形形就就断断裂裂的的现现象象叫叫脆性。脆性。在常温下玻璃是典型的脆性体。在常温下玻璃是典型的脆性体。玻玻璃璃的的脆脆性性由由它它的

38、的化化学学组组成成所所决决定定，同同时时受受到到温温度度和和热热处处理理的影响。的影响。1 1、R R+、R R2+2+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。2 2、淬火试样脆性比退火样大、淬火试样脆性比退火样大57倍倍。（五）玻璃的硬度（五）玻璃的硬度 意义意义：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。玻玻璃璃的的硬硬度度决决定定于于化化学学组组成成，同同时时受受到到温温度度和和热热处处理理的的影影响。响。1 1、网络生成离子使硬度提高，网络外体使硬度降低。、网络生成离子使硬度提高，网络外体使硬度降低。a a、多铅的或含碱性氧化物高

39、的玻璃，硬度较小。、多铅的或含碱性氧化物高的玻璃，硬度较小。b b、石英玻璃和含有、石英玻璃和含有10101212B B2 2O O3 3的硼酸盐玻璃硬度最大。的硼酸盐玻璃硬度最大。2 2、T T高，硬度降低。高，硬度降低。（六）玻璃的热膨胀性（六）玻璃的热膨胀性 玻璃的热膨胀玻璃的热膨胀是由于温度上升时造成玻璃质点热振动的振幅是由于温度上升时造成玻璃质点热振动的振幅增加，导致质点间距增大，使玻璃呈现膨胀。增加，导致质点间距增大，使玻璃呈现膨胀。常温：质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动）；常温：质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动）；高温：质点振动幅度增大，质点间距也变大。高温：质点振动幅度

40、增大，质点间距也变大。玻璃的热膨胀系数大小主要决定于：玻璃的热膨胀系数大小主要决定于：（1 1）组组成成玻玻璃璃的的氧氧化化物物中中各各阳阳离离子子和和氧氧离离子子之之间间的的引引力力f f2Z/a2Z/a2 2，Z Z为为阳阳离离子子的的原原子子价价，a a为为正正负负离离子子的的中中心心距距离离。f f愈愈大大，膨胀愈小；反之，则愈大。膨胀愈小；反之，则愈大。（2 2）网网络络骨骨架架。Si-OSi-O组组成成三三度度空空间间网网络络，刚刚性性大大，不不易易膨膨胀胀。加加入入R R2 2O O和和氧氧化化物物后后，膨膨胀胀系系数数增增大大。引引入入的的少少量量AlAl2 2O O3 3，膨

41、膨胀胀系系数数下降。下降。（七）玻璃的电学性质（七）玻璃的电学性质 导电性：导电性：在在常常温温下下一一般般玻玻璃璃是是电电绝绝缘缘材材料料，1010111110101313 m m。但但转转变变温温度度T Tg g点点以以上上，导导电电率率迅迅速速提提高高，到到熔熔融融状状态态，玻玻璃璃变变成成良良导导体体。1010-2-2310310-3-3 m m。玻玻璃璃的的电电导导率率随随组组成成而而改改变变，碱碱性性氧氧化化物物含含量量越越多多，电电导导率率就越高。其中影响最大的是就越高。其中影响最大的是NaNa+，其次为，其次为LiLi+及及K K。二二价价碱碱土土金金属属氧氧化化物物对对电电导

42、导率率的的影影响响较较一一价价碱碱金金属属氧氧化化物物小小，影响影响且随原子半径增大而减少且随原子半径增大而减少。（八）玻璃的折射率（八）玻璃的折射率 为为1.51.51.751.75。与玻璃成分，密度、温度、热历史有密切关系。与玻璃成分，密度、温度、热历史有密切关系。1 1、密密度度大大，结结构构致致密密，玻玻璃璃折折射射率率大大。石石英英玻玻璃璃密密度度小小，具有较小的折射率。具有较小的折射率。BaOBaO、PbOPbO折射率高。折射率高。2 2、一般温度升高玻璃的折射率增大，也有例外。、一般温度升高玻璃的折射率增大，也有例外。3 3、当玻璃内存在应力时，会产生双折射现象。、当玻璃内存在应

43、力时，会产生双折射现象。（九）玻璃的反射、吸收、透过（九）玻璃的反射、吸收、透过 反反射射率率：从从玻玻璃璃表表面面反反射射出出去去的的光光强强度度与与入入射射光光强强度度之之比比称称为反射率为反射率R R。决定于玻璃表面光滑程度及光的入射角。决定于玻璃表面光滑程度及光的入射角。入入射射角角增增加加，反反射射率率也也增增大大。玻玻璃璃对对光光的的表表面面反反射射导导致致光光损损失失，使使透透过过率率降降低低。为为了了减减少少反反射射，可可采采取取表表面面化化学学处处理理或或涂涂膜膜等方法。等方法。入入射射到到玻玻璃璃上上的的可可见见光光中中的的一一部部分分被被选选择择吸吸收收，玻玻璃璃就就着着

44、色色，并并呈呈现现出出与与被被吸吸收收光光互互补补的的颜颜色色。如如果果玻玻璃璃对对任任何何波波长长的的光光都都有有同样的吸收，与此透过率相应的呈现白色、灰色至黑色。同样的吸收，与此透过率相应的呈现白色、灰色至黑色。玻玻璃璃着着色色大大致致可可分分为为：金金属属离离子子着着色色、胶胶体体着着色色、光光照照老老化化着色、放射线和紫外线辐照着色。着色、放射线和紫外线辐照着色。（十）玻璃的化学稳定性（十）玻璃的化学稳定性 玻璃的化学稳定性玻璃的化学稳定性：指玻璃抵抗气体（包括大气在内）或水、：指玻璃抵抗气体（包括大气在内）或水、酸、碱、盐类及其它化学试剂溶液侵蚀破坏的能力。酸、碱、盐类及其它化学试剂

45、溶液侵蚀破坏的能力。玻璃的化学稳定性决定于：侵蚀介质的种类和特性以及玻璃玻璃的化学稳定性决定于：侵蚀介质的种类和特性以及玻璃的抗蚀能力。的抗蚀能力。1.1.玻璃的侵蚀玻璃的侵蚀 对玻璃起作用的侵蚀介质可分为两组：对玻璃起作用的侵蚀介质可分为两组：A A、只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的、只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的R R2 2O O、RORO等网络调等网络调整物的物质，如水、湿空气、酸、中性盐和酸性盐的溶液。整物的物质，如水、湿空气、酸、中性盐和酸性盐的溶液。B B、不仅对上述的、不仅对上述的R R2 2O O、RORO等起作用等起作用,而且也对玻璃结构中的硅而且也对玻璃结构中的硅

46、氧骨架起作用的物质，如氢氧化物溶液、碳酸盐溶液、磷酸和磷氧骨架起作用的物质，如氢氧化物溶液、碳酸盐溶液、磷酸和磷酸盐类溶液、氢氟酸和氟化物溶液等。另外还有高温的金属蒸汽、酸盐类溶液、氢氟酸和氟化物溶液等。另外还有高温的金属蒸汽、熔体或熔盐等。熔体或熔盐等。（）水对玻璃的侵蚀（）水对玻璃的侵蚀 玻玻璃璃受受水水侵侵蚀蚀时时，玻玻璃璃中中的的金金属属离离子子浸浸出出，离离子子交交换换,水水化化形形成成SiOHSiOH4 4,形成硅酸凝胶形成硅酸凝胶,形成形成SiOSiO2 2薄膜薄膜,称为称为“保护膜层保护膜层”。普普通通硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃中中含含有有RORO、R R2 2O O3 3等等离离子

47、子，具具有有一一定定的的抗抗水水侵侵蚀蚀能力。能力。（）酸对玻璃的侵蚀（）酸对玻璃的侵蚀 除除氢氢氟氟酸酸外外，一一般般的的酸酸并并不不直直接接与与玻玻璃璃起起反反应应，它它是是通通过过水水的作用侵蚀玻璃。浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。的作用侵蚀玻璃。浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。（）碱对玻璃的侵蚀（）碱对玻璃的侵蚀 硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃一一般般不不耐耐碱碱，碱碱对对玻玻璃璃的的侵侵蚀蚀是是通通过过OHOH-离离子子破破坏坏硅硅氧氧骨骨架架使使SiOSiO2 2溶溶解解在在溶溶液液中中。所所以以，在在玻玻璃璃侵侵蚀蚀过过程程中中，不不形形成硅酸凝胶薄膜，而使玻璃表面层全部脱落。成硅酸凝胶薄膜，

48、而使玻璃表面层全部脱落。（）玻璃的风化（）玻璃的风化 玻玻璃璃置置于于空空气气中中，受受到到空空气气中中水水汽汽、COCO2 2、SOSO3 3等等侵侵蚀蚀。它它们们往往往往比比水水溶溶液液具具有有更更大大的的侵侵蚀蚀性性。对对玻玻璃璃的的侵侵蚀蚀，先先是是以以离离子子交交换换为为主主的的释释碱碱过过程程，后后来来逐逐步步过过渡渡到到以以破破坏坏网网络络为为主主的的溶溶蚀蚀过过程程。上述过程称为风化。上述过程称为风化。呈现雾状白斑、虹彩、贴片等现象。呈现雾状白斑、虹彩、贴片等现象。.影响玻璃化学稳定性的因素影响玻璃化学稳定性的因素（）玻璃组成的影响（）玻璃组成的影响 硅硅氧氧含含量量愈愈多多，

49、硅硅氧氧四四面面体体SiOSiO4 4 互互相相连连接接程程度度愈愈大大，玻玻璃璃的化学稳定性越高。以的化学稳定性越高。以SiOSiO2 2 、AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2最为显著。最为显著。（）温度与热处理的影响（）温度与热处理的影响 温度的升高，侵蚀速度增加。温度的升高，侵蚀速度增加。退火时间增长和退火温度提高，化学稳定性增加。退火时间增长和退火温度提高，化学稳定性增加。（）表面状态的影响（）表面状态的影响 新新断断口口的的表表面面化化学学稳稳定定性性最最低低。用用表表面面处处理理的的方方法法（采采用用无无机、有机涂膜）来提高玻璃的化学稳定性。机、有机涂膜）来提高玻璃的化

50、学稳定性。第四节第四节 普通玻璃配合料的制备普通玻璃配合料的制备一、玻璃组成的设计和确定一、玻璃组成的设计和确定1 1、原则、原则（1 1）设计组成，需满足预定性能要求；）设计组成，需满足预定性能要求；（2 2）相图和形成图，设计玻璃组成；）相图和形成图，设计玻璃组成；（3 3）根根据据生生产产条条件件使使设设计计的的玻玻璃璃能能够够适适应应熔熔制制、成成型型和和加加工工等等工序的要求；工序的要求；（4 4）所设计的玻璃应当价格低廉、原料易于获得；）所设计的玻璃应当价格低廉、原料易于获得；2 2、步骤、步骤（1 1）列出设计玻璃的性能要求）列出设计玻璃的性能要求（2 2）必要的性能调整；）必要