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淺談玻璃的機(jī)械性能和表面性質(zhì)
來源:
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作者:pmo51a623
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發(fā)布時間: 2017-07-06
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1.玻璃表面張力的物理與工藝意義
玻璃表面張力指玻璃與另一相接觸的相分界面上（一般指空氣），在恒溫、恒容下增加一個單位表面時所做的功，單位為N/m和J/m2.硅酸鹽玻璃的表面張力為（200―380）*10-3N/m.玻璃的表面張力在玻璃的澄清、均化、成型、玻璃液與耐火材料相互作用等過程中起著重要的作用.
2.玻璃表面張力與組成及溫度的關(guān)系
各種氧化物對玻璃的表面張力有不同的影響，如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表面張力.K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量較大，則能大大降低表面張力.同時，Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多時也能降低表面張力.
組成氧化物對玻璃熔體與空氣界面上表面張力的影響可分為三類.第"類組成氧化物對表面張力的影響關(guān)系，符合加和性法則.
第Ⅱ類和第Ⅲ類組成氧化物對熔體的表面張力的關(guān)系是組成的復(fù)合函數(shù)，不符合加和性法則.由于這些組成的吸附作用，表面層的組成與蔣體內(nèi)的組成是不同的.
氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6，硫酸鹽如芒硝，氯化物如NaCl等都能顯著地降低玻璃的表面張力，因此，這些化合物的加入，均有利于玻璃的澄清和均化.
表面張力隨著溫度的升高而降低，二者幾乎成直線關(guān)系，實(shí)際上可認(rèn)為，當(dāng)溫度提高100℃時表面張力減少1%，然而在表面活性組分及一些游離的氧化物存在的情況下，表面張力能隨溫度升高而稍微增加.
3.玻璃的力學(xué)性能
3.1玻璃的理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度
一般用抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等指標(biāo)表示玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.玻璃以其抗壓強(qiáng)度高、硬度高而得到廣泛應(yīng)用，也因其抗張強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度不高，脆性大而使其應(yīng)用受到一定的限制.
玻璃的理論強(qiáng)度按照Orowan假設(shè)計(jì)算為11.76GPa，表面無嚴(yán)重缺陷的玻璃纖維，其平均強(qiáng)度可達(dá)686MPa.玻璃的抗張強(qiáng)度一般在 34.3―83.3MPa之間，而抗壓強(qiáng)度一般在4.9――1.96GPa之間.但實(shí)際玻璃的抗折強(qiáng)度只有6.86MPa，比理論強(qiáng)度小2―3個數(shù)量級.這是由于實(shí)際玻璃中存在有微裂紋（尤其是表面微裂紋）和不均勻區(qū)（分相等）所致.
目前常采用的提高玻璃機(jī)械強(qiáng)度的方法主要有退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其它材料制成復(fù)合材料等.這些方法能使玻璃的強(qiáng)度增加幾倍甚至十幾倍.
3.1.1玻璃強(qiáng)度與化學(xué)組成的關(guān)系.
不同化學(xué)組成的玻璃結(jié)構(gòu)間的鍵強(qiáng)也不同，從而影響玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.石英玻璃的強(qiáng)度最高.各種氧化物對玻璃抗張強(qiáng)度的提高作用順序是：CSO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>（MgO、FC2O3）
各組成氧化物對玻璃抗壓強(qiáng)度提高作用的順序是：Al2O3>（MgO、SiO2、ZnO）> B2O3>Fe2O3>（ B2O3、Cao、PbO）
3.1.2玻璃中的缺陷.
宏觀缺陷如固態(tài)夾雜物、氣態(tài)夾雜物、化學(xué)不均勻等，由于其化學(xué)組成與主體玻璃不一致而造成內(nèi)應(yīng)力.同時，一些微觀缺陷（如點(diǎn)缺陷、局部析晶、晶界等）常常在宏觀缺陷的地方集中，而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響玻璃的強(qiáng)度.
3.1.3溫度.
在不同的溫度下玻璃的強(qiáng)度不同，根據(jù)對-20℃―500℃范圍內(nèi)的測量結(jié)果可知，強(qiáng)度最低值位于200℃左右.
一般認(rèn)為，隨著溫度的升高，熱起伏現(xiàn)象增加，使缺陷處積聚了更多的應(yīng)變能，增加了破裂的幾率.當(dāng)溫度高于200℃時，由于玻璃粘滯性流動增加，使微裂紋的裂口鈍化，緩和了應(yīng)力作用，從而使玻璃強(qiáng)度增大.
3.1.4玻璃中的應(yīng)力.
玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力，使強(qiáng)度大為降低.然而，玻璃進(jìn)行鋼化后，表面存在壓應(yīng)力，內(nèi)部存在張應(yīng)力，而且是有規(guī)則的均勻分布，所以玻璃強(qiáng)度得以提高.
3.2玻璃的硬度
硬度是表示物體抵抗其他物體侵人的能力.硬度的表示方法甚多，有莫氏硬度、顯微硬度、研磨硬度和刻劃硬度，玻璃的莫氏硬度為5―7.玻璃的硬度決定于組成原子的半徑、電荷大小和堆積密度，網(wǎng)絡(luò)生成體離子使玻璃具有硬度，而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使玻璃硬度降低.各種組成對玻璃硬度提高的作用大致為：SiO2〉SiO2（MgO、ZnO、 BaO）〉A(chǔ)l2O3> Fe2O3> K2O>Na2O> PbO，玻璃的硬度隨著溫度的升高而降低.
3.3玻璃的脆性
玻璃的脆性是指當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時立即破裂的特性.玻璃的脆性通常用它被破壞時所受到的沖擊強(qiáng)度來表示.沖擊強(qiáng)度的測定值與試樣厚度及樣品的熱歷史有關(guān)，淬火玻璃的沖擊強(qiáng)度較退火玻璃大5―7倍.
3.4玻璃的彈性
在近代技術(shù)中玻璃愈來愈廣泛地被用作結(jié)構(gòu)材料，因此對玻璃的彈性進(jìn)行研究也日益增長.高空高速飛行需要具有一定剛度的高彈性模量材料，高功率激光通過玻璃介質(zhì)時所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)壓縮和松弛會導(dǎo)致密度和折射率的變化等.彈性已成為玻璃的一項(xiàng)重要物理性質(zhì).
4.玻璃的密度與密度計(jì)算
4.1玻璃的密度
玻璃的密度表示玻璃單位體積的質(zhì)量，主要決定于玻璃的化學(xué)組成、溫度和熱歷史，也與玻璃的原子堆積緊密程度、配位數(shù)有關(guān)，是表征 玻璃的密度與化學(xué)組成關(guān)系密切.玻璃組成不同密度相差很大.各種玻璃制品中，石英玻璃的密度最小，為2000kg/m3，普通鈉鈣硅玻璃為2500―2600kg/m3.而含有PbO、Bi2O3、Ta2O5、WO3的玻璃密度可達(dá)6000kg/m3.甚至某些防輻射玻璃的密度可高達(dá)8000kg/m3.
玻璃的密度隨溫度升高而下降.一般工業(yè)玻璃，當(dāng)溫度由20℃升高1300℃時，密度下降約為6%―12%，在彈性形變范圍內(nèi)，密度的下降與玻璃的熱膨脹系數(shù)有關(guān).
玻璃的熱歷史是指玻璃從高溫冷卻，通過Tf―Tn區(qū)域時的經(jīng)歷，包括在該區(qū)域停留時間和冷卻速度等具體情況在內(nèi).熱歷史影響到固體玻璃結(jié)構(gòu)以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的許多性質(zhì).其對玻璃密度影響為：
4.1.1玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時，淬冷玻璃的密度比退火玻璃的小.
4.1.2在一定退火溫度下保溫一定時間后，玻璃密度趨向平衡.
4.1.3冷卻速度越快，偏離平衡密度越多，其Tg值也越高.所以，在生產(chǎn)上退火質(zhì)量的好壞可在密度上明顯地反映出來.
在玻璃生產(chǎn)中常出現(xiàn)事故，如配方計(jì)算錯誤、配合料稱量差錯、原料化學(xué)組成波動等，這些均可引起玻璃密度的變化.因此，玻璃工廠常將測定密度作為控制玻璃生產(chǎn)的手段.
2.玻璃表面張力與組成及溫度的關(guān)系
各種氧化物對玻璃的表面張力有不同的影響，如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表面張力.K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量較大，則能大大降低表面張力.同時，Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多時也能降低表面張力.
組成氧化物對玻璃熔體與空氣界面上表面張力的影響可分為三類.第"類組成氧化物對表面張力的影響關(guān)系，符合加和性法則.
第Ⅱ類和第Ⅲ類組成氧化物對熔體的表面張力的關(guān)系是組成的復(fù)合函數(shù)，不符合加和性法則.由于這些組成的吸附作用，表面層的組成與蔣體內(nèi)的組成是不同的.
氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6，硫酸鹽如芒硝，氯化物如NaCl等都能顯著地降低玻璃的表面張力，因此，這些化合物的加入，均有利于玻璃的澄清和均化.
表面張力隨著溫度的升高而降低，二者幾乎成直線關(guān)系，實(shí)際上可認(rèn)為，當(dāng)溫度提高100℃時表面張力減少1%，然而在表面活性組分及一些游離的氧化物存在的情況下，表面張力能隨溫度升高而稍微增加.
3.玻璃的力學(xué)性能
3.1玻璃的理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度
一般用抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度等指標(biāo)表示玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.玻璃以其抗壓強(qiáng)度高、硬度高而得到廣泛應(yīng)用，也因其抗張強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度不高，脆性大而使其應(yīng)用受到一定的限制.
玻璃的理論強(qiáng)度按照Orowan假設(shè)計(jì)算為11.76GPa，表面無嚴(yán)重缺陷的玻璃纖維，其平均強(qiáng)度可達(dá)686MPa.玻璃的抗張強(qiáng)度一般在 34.3―83.3MPa之間，而抗壓強(qiáng)度一般在4.9――1.96GPa之間.但實(shí)際玻璃的抗折強(qiáng)度只有6.86MPa，比理論強(qiáng)度小2―3個數(shù)量級.這是由于實(shí)際玻璃中存在有微裂紋（尤其是表面微裂紋）和不均勻區(qū)（分相等）所致.
目前常采用的提高玻璃機(jī)械強(qiáng)度的方法主要有退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其它材料制成復(fù)合材料等.這些方法能使玻璃的強(qiáng)度增加幾倍甚至十幾倍.
3.1.1玻璃強(qiáng)度與化學(xué)組成的關(guān)系.
不同化學(xué)組成的玻璃結(jié)構(gòu)間的鍵強(qiáng)也不同，從而影響玻璃的機(jī)械強(qiáng)度.石英玻璃的強(qiáng)度最高.各種氧化物對玻璃抗張強(qiáng)度的提高作用順序是：CSO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>（MgO、FC2O3）
各組成氧化物對玻璃抗壓強(qiáng)度提高作用的順序是：Al2O3>（MgO、SiO2、ZnO）> B2O3>Fe2O3>（ B2O3、Cao、PbO）
3.1.2玻璃中的缺陷.
宏觀缺陷如固態(tài)夾雜物、氣態(tài)夾雜物、化學(xué)不均勻等，由于其化學(xué)組成與主體玻璃不一致而造成內(nèi)應(yīng)力.同時，一些微觀缺陷（如點(diǎn)缺陷、局部析晶、晶界等）常常在宏觀缺陷的地方集中，而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重影響玻璃的強(qiáng)度.
3.1.3溫度.
在不同的溫度下玻璃的強(qiáng)度不同，根據(jù)對-20℃―500℃范圍內(nèi)的測量結(jié)果可知，強(qiáng)度最低值位于200℃左右.
一般認(rèn)為，隨著溫度的升高，熱起伏現(xiàn)象增加，使缺陷處積聚了更多的應(yīng)變能，增加了破裂的幾率.當(dāng)溫度高于200℃時，由于玻璃粘滯性流動增加，使微裂紋的裂口鈍化，緩和了應(yīng)力作用，從而使玻璃強(qiáng)度增大.
3.1.4玻璃中的應(yīng)力.
玻璃中的殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力，使強(qiáng)度大為降低.然而，玻璃進(jìn)行鋼化后，表面存在壓應(yīng)力，內(nèi)部存在張應(yīng)力，而且是有規(guī)則的均勻分布，所以玻璃強(qiáng)度得以提高.
3.2玻璃的硬度
硬度是表示物體抵抗其他物體侵人的能力.硬度的表示方法甚多，有莫氏硬度、顯微硬度、研磨硬度和刻劃硬度，玻璃的莫氏硬度為5―7.玻璃的硬度決定于組成原子的半徑、電荷大小和堆積密度，網(wǎng)絡(luò)生成體離子使玻璃具有硬度，而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使玻璃硬度降低.各種組成對玻璃硬度提高的作用大致為：SiO2〉SiO2（MgO、ZnO、 BaO）〉A(chǔ)l2O3> Fe2O3> K2O>Na2O> PbO，玻璃的硬度隨著溫度的升高而降低.
3.3玻璃的脆性
玻璃的脆性是指當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時立即破裂的特性.玻璃的脆性通常用它被破壞時所受到的沖擊強(qiáng)度來表示.沖擊強(qiáng)度的測定值與試樣厚度及樣品的熱歷史有關(guān)，淬火玻璃的沖擊強(qiáng)度較退火玻璃大5―7倍.
3.4玻璃的彈性
在近代技術(shù)中玻璃愈來愈廣泛地被用作結(jié)構(gòu)材料，因此對玻璃的彈性進(jìn)行研究也日益增長.高空高速飛行需要具有一定剛度的高彈性模量材料，高功率激光通過玻璃介質(zhì)時所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)壓縮和松弛會導(dǎo)致密度和折射率的變化等.彈性已成為玻璃的一項(xiàng)重要物理性質(zhì).
4.玻璃的密度與密度計(jì)算
4.1玻璃的密度
玻璃的密度表示玻璃單位體積的質(zhì)量，主要決定于玻璃的化學(xué)組成、溫度和熱歷史，也與玻璃的原子堆積緊密程度、配位數(shù)有關(guān)，是表征 玻璃的密度與化學(xué)組成關(guān)系密切.玻璃組成不同密度相差很大.各種玻璃制品中，石英玻璃的密度最小，為2000kg/m3，普通鈉鈣硅玻璃為2500―2600kg/m3.而含有PbO、Bi2O3、Ta2O5、WO3的玻璃密度可達(dá)6000kg/m3.甚至某些防輻射玻璃的密度可高達(dá)8000kg/m3.
玻璃的密度隨溫度升高而下降.一般工業(yè)玻璃，當(dāng)溫度由20℃升高1300℃時，密度下降約為6%―12%，在彈性形變范圍內(nèi)，密度的下降與玻璃的熱膨脹系數(shù)有關(guān).
玻璃的熱歷史是指玻璃從高溫冷卻，通過Tf―Tn區(qū)域時的經(jīng)歷，包括在該區(qū)域停留時間和冷卻速度等具體情況在內(nèi).熱歷史影響到固體玻璃結(jié)構(gòu)以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的許多性質(zhì).其對玻璃密度影響為：
4.1.1玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時，淬冷玻璃的密度比退火玻璃的小.
4.1.2在一定退火溫度下保溫一定時間后，玻璃密度趨向平衡.
4.1.3冷卻速度越快，偏離平衡密度越多，其Tg值也越高.所以，在生產(chǎn)上退火質(zhì)量的好壞可在密度上明顯地反映出來.
在玻璃生產(chǎn)中常出現(xiàn)事故，如配方計(jì)算錯誤、配合料稱量差錯、原料化學(xué)組成波動等，這些均可引起玻璃密度的變化.因此，玻璃工廠常將測定密度作為控制玻璃生產(chǎn)的手段.