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1、第3章 玻璃的力学性能及热学性能,3.1 玻璃的力学性质 3.2 玻璃的热学性质,3.1 玻璃的力学性质,3.1.1 玻璃的机械强度（掌握） 3.1.2 玻璃的弹性（熟悉） 3.1.3 玻璃的硬度和脆性（熟悉） 3.1.4 玻璃的密度（掌握）,3.1.1 玻璃的机械强度（掌握）,1 理论强度与实际强度（掌握） 2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉） 3 影响强度的主要因素（掌握）,玻璃的机械强度,耐压 抗折 抗张 抗冲击,机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示,理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能 承受的最大应力。,玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折抗张不高、脆性大。,1 理论强度与实际
2、强度（掌握）,奥鲁凡（Orowan)假设,理论强度,弹性模量,0.1-0.2,3.1 玻璃的力学性质,原因,玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃内部不均匀区及缺陷造成应力集中 表面微裂纹急剧扩展,据测定12玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5微米，宽0.010.02微米，光学显微镜分不出来。,2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）,裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损伤等影响，在其内部和表面形成了各种缺陷 裂纹源,3.1 玻璃的力学性质,裂纹扩展,在裂纹的尖端处存在着应力集中 驱使裂纹扩展的动力。,裂纹扩展速度,弹性模量 密度,3 影响强度的主要因素（掌握）,1）化学键与化学组成,玻璃
3、的键强包括各种的强度及数目。 键强大，机械强度好。 结构网络紧密，强度好。,3.1 玻璃的力学性质,一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。 MgO、Fe2O3对强度作用不大。,常见的氧化物对抗张强度的提高作用是：,CaOB2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、Fe2O3),常见的氧化物对耐压强度的提高作用是：,Al2O3（SiO2、MgO、ZnO)B2O3Fe2O3 (PbO、CaO ),抗张强度和抗压强度可用加和性法则计算,3.1 玻璃的力学性质,2）微不均匀性,玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两相间成分不同且
4、结合力弱，膨胀系数不一样，易产生应力，强度下降。,3）宏观和微观缺陷,缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。,4）活性介质,渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展,起化学作用，使结构破坏,作用,水、酸、碱、某些盐类,3.1 玻璃的力学性质,5）温度,低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200时，强度为最低。,高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）,6）应力,玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀，将导致其强度大下降。,3.1 玻璃的力学性质,3.1.2 玻璃的弹性（熟悉）,1 概念 2 弹性模量与成分的关系 3 弹性模量与热处理的关系 4 弹性模量与温
5、度的关系,1 概念,弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去掉后恢复原来形状的性质。,塑性：如外力去掉后仍停留在完全或部分变形状态。,玻璃的弹性 弹性模量E,应力,相对的纵向变形,表54,3.1 玻璃的力学性质,2 弹性模量与成分的关系,与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。结构紧密，弹性模量高。,常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是：,CaOMgOB2O3Fe2O3Al2O3BaOZnOPbO,同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子（Li+Be+Mg2+Al3等）则提高弹性模量,在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐玻璃中，有硼铝反常现象。
6、,Na2O或K2O弹性模量，PbO不起作用,玻璃的弹性模量可用加和法 则进行近似计算,3.1 玻璃的力学性质,3 弹性模量与热处理的关系,退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃的密度大，结构牢固）,4 弹性模量与温度的关系,大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高温时质点热运动动能增大）,Tg以上，玻璃逐渐失去弹性，并趋于软化,石英玻璃、高硅氧玻璃、硼酸盐玻璃，因膨胀系数小，温度升高，则弹性模量(反常现象：T，离子间距增大而造成相互作用力，使E 下降的原因已不存在）,3.1 玻璃的力学性质,3.1.3 玻璃的硬度和脆性（熟悉）,概念 影响因素,1 硬
7、度概念,表示玻璃抵抗其它物体侵入的能力。 一般用显微硬度表示,利用金刚石正方锥以一定负荷在玻璃表面打入印痕，在测量对角线的长度进行计算,2 硬度影响因素（组成、结构）,网络生成体增加硬度，网络外体降低硬度 温度升高，硬度下降 淬火玻璃硬度小于退火玻璃硬度 与玻璃的冷加工工艺有关,3.1 玻璃的力学性质,结论, 硅酸盐玻璃中，石英玻璃硬度最大；含有适量B2O3的硼酸盐玻璃硬度也较大；高铅或碱性氧化物的玻璃硬度较小； 各种氧化物对玻璃硬度提高的顺序为,SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO, 一般玻璃硬度为57（莫氏硬度）,3.1 玻璃的力学性质,3 脆
8、性概念,当负荷超过玻璃的极限强度时，不产生明显的塑性变形而立即破裂的性能。,松驰速度低,4 脆性影响因素,化学组成及结构、热历史、试样的形状及厚度等。,3.1 玻璃的力学性质,3.1.4 玻璃密度（掌握）,1 密度,玻璃的密度决定于构成玻璃的各原子质量和原子的堆积方式。,1 密度概念 2 密度与成份的关系 3 密度与温度及热历史的关系 4 密度与压力及析晶的关系,玻璃单位体积的质量称。,3.1 玻璃的力学性质,2 密度与成份的关系,成份发生微小变化，密度会敏感的反映出来。,生产中常以测定密度值来监控玻璃成份。,1）、在玻璃中加入R2O和RO时，密度随原子 序数的增加而增加,2）、同种氧化物在玻
9、璃中的配位数不同，对密度的影响也不同，Ba3+处于四面体比三角体时大，而Al3+正好相反。,3）、玻璃中同时含有Al2O3和B2O3时，玻璃密度的变化变得复杂。,4）、玻璃密度可以根据组成氧化物含量进行计算。,3.1 玻璃的力学性质,随温度升高，密度下降。,同成份玻璃的热历史不同，密度差别较大，如退火和淬火玻璃,4 密度与压力及析晶的关系,在常压下不受压力的影响。当承受100200*108Pa时，密度变大并保持，当在Tg附近时，才恢复正常值。,析晶后质点进行有序排列，一般密度增大。,3 密度与温度及热历史的关系,3.1 玻璃的力学性质,3.2 玻璃的热学性质,3.2.1 玻璃的热膨胀系数（掌握
10、） 3.2.2 玻璃的热稳定性（掌握）,3.2.1 玻璃的热膨胀系数（掌握）,1 热膨胀系数的概念 2 热膨胀系数与成分的关系 3 热膨胀系数与温度及热历史的关系,1 热膨胀系数的概念,玻璃平均线膨胀系数,（1/）,通常用室温300（或400）的平均线膨胀系数表示玻璃的热膨胀系数,2 热膨胀系数与成分的关系,能增强网络结构的，则，使网络断裂者，则,R2O与RO主要是断网作用，积聚作用是次要的，当引入时，一般使，同一主族的阳离子随原子半径增大，则,高价阳离子（Zr4+、La3+)积聚作用是主要的，则 ,网络形成体， ，对于网络中间体，在游离氧足够的条件下也能 ,Tg（转变温度）点以下，可以通过加
11、和法则计算,3.2 玻璃的热学性质,3 热膨胀系数与温度及热历史的关系,Tg点以下，是线性的 Tg点以下，退火玻璃的淬火玻璃 Tg点附近，质点开始移动，结构调整引起收缩，淬火玻璃的收缩大于热膨胀，伸长量减小，则淬火玻璃线在退火玻璃线的下方 Tg点以上，退火玻璃与淬火玻璃曲线都急剧上升，结构调整引起的伸长已大于膨胀作用,补充：析晶使质点间作用力增强，（与析出晶相的种类与数量有关）,3.2 玻璃的热学性质,3.2.2 玻璃的热稳定性（掌握）,1 概念 2 影响因素,1 概念,玻璃经受剧烈的温度变化而不破坏的性能称,表示,用试样在保持不破坏条件下所能经受的最大温度差,破坏过程,温度急变沿玻璃厚度从表
12、面到内部，各层温度不一样，膨胀量也不一样，则产生应力，当其超过极限强度时就造成破坏。,决定因素是抗张极限强度。,试样受急冷,3.2 玻璃的热学性质,2 影响因素,组成：凡能降低玻璃热膨胀系数的组分都能提高热稳性；硅含量高而碱含量低时，热稳性好,制品选型复杂、厚薄不均匀的，热稳性差,制品越厚，热稳性差,提高热稳性的途径,降低玻璃的热膨胀系数；减小制品的壁厚等。,凡能降低玻璃机械强度的因素，都能使热稳定性降低。,结论,3.2 玻璃的热学性质,第4章 玻璃的化学稳定性,玻璃对水、酸、碱、盐及其它化学试剂溶液侵蚀的抵抗能力称化学稳定性或耐久性、耐蚀性。,4.1 侵蚀机理（掌握） 4.2 影响化学稳定性
13、的因素（掌握）,4.1 侵蚀机理（掌握）,4.1.1 侵蚀剂的分类 4.1.2 水对玻璃的侵蚀 4.1.3 酸对玻璃有侵蚀 4.1.4 碱对玻璃的侵蚀 4.1.5 大气对玻璃的侵蚀玻4.1.6 玻璃的脱片现象, 只能改变、破坏或溶解玻璃结构组成中的R2O和RO等, 不仅对上述氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起作用的物质。,4.1.1 侵蚀剂的分类,4.1.2 水对玻璃的侵蚀,侵蚀过程,开始于H2O中H+和玻璃中的Na+进行交换，之后进行的是水化、中和三个反应。,H2O分子也能对硅氧骨架直接起反应而生成Si(OH)4极性分子，最后形成一层SiO2 XH2O薄膜，称硅酸凝胶保护膜。当PH
14、8时此膜较稳定，能阻挡侵蚀过程，称自抑制作用。,第4章 玻璃的化学稳定性,4.1.3 酸对玻璃有侵蚀,除HF酸外，一般酸不和玻璃直接反应，而是通过 其中水分子的作用而侵蚀的。,注意,酸侵蚀的第一步反应与水相同； 1反应中产生的ROH很快被酸中和，即产生两种效果：一是加速了反应1，使侵蚀加快；二是阻碍了反应3，降低反应3，使反应速度减慢； 当玻璃中含R2O量高时，一作用是主要的。而当SiO2含量高时，二作用是主要的。,第4章 玻璃的化学稳定性, 碱中的OH-集中在玻璃表面，并把玻璃中各种阳离子吸附于玻璃的表面。, OH-直接破坏网络结构，使Si-O键断裂。, 产生的硅氧群最后变成硅酸离子或与吸附
15、于表面上的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解于碱液中。,4.1.4 碱对玻璃的侵蚀,过程,反应如下,第4章 玻璃的化学稳定性,结论, 碱对玻璃侵蚀是不会产生高硅保护膜的，侵蚀会不断的进行下去。, 碱的侵蚀速度很大程度上决定于侵蚀中形成的硅酸盐的溶解度，溶解度小侵蚀慢。, 玻璃的耐碱性与RO键强有关，键强越大，耐碱性好。因此，高场强的阳离子能提高玻璃的耐碱性。,第4章 玻璃的化学稳定性,大气中含有H2O 、CO2、 SO2等对玻璃都有一定的侵蚀作用，其中潮湿大气最为严重。,过程：玻璃表面吸附水分子后，形成一层水膜类似于水的侵蚀开始，并且在玻璃表面释出碱而在原地不断的积累，到一定程度类似于碱的侵蚀，其速
16、度大为加快。,4.1.5 大气对玻璃的侵蚀,实质,先是以离子交换的释碱过程，后来过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。,说明,水气对玻璃的侵蚀远大于水的侵蚀。,第4章 玻璃的化学稳定性,4.1.6 玻璃的脱片现象,现象,盛装药液和饮料用的玻璃瓶，受到水或碱溶液的侵蚀后所出现的现象。,原因,(1) 玻璃表面层中，可溶性成分溶出后，不溶性的高硅氧残存薄膜的剥离,(2) 原溶液中存在（或玻璃中溶出）的多价金属离子，在玻璃表面层形成含水硅酸盐薄膜后剥离。,(3) 保温瓶脱片的主要成分是含低SiO2和高CaO、MgO等物质,结论,蒸馏水几乎不发生；自来水易；pH值低的不易，高的易；同样条件下的水，对于碱溶出量多的玻璃和组成 中引入MgO的玻璃，易发生；温度和侵蚀时间延长，则脱片加剧。,第4章 玻璃的化学稳定性,4.2.1 化学组成 4.2.2 热处理 4.2.3 表面状态 4.2.4 温度和压力,4.2 影响化学稳定性的因素（掌握）,第
