玻璃知识1.

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1、GLASSGLASS Edit by ZHOU JINGWEI CONTENTS 1. 1. 引言引言 2. 2. 什么是玻璃？什么是玻璃？ 3 3. . 玻璃的结构玻璃的结构 4 4. . 玻璃的类型玻璃的类型 5 5. . 玻璃的热性能玻璃的热性能 6 6. . 玻璃的机械强度玻璃的机械强度 7 7. . 玻璃的光学性能玻璃的光学性能 8 8. . 玻璃的电学性质玻璃的电学性质 9 9. . 玻璃金属封接玻璃金属封接 10. 10. 火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力 11. 11. 玻璃的应力玻璃的应力 12. 12. 应力测量应力测量 13. 13. 玻璃加工玻璃加工举例举例

2、 引言 封灯材料在气体放电灯中的作用是密封放电。在白炽灯中它封灯材料在气体放电灯中的作用是密封放电。在白炽灯中它 将灯丝保持在正确的气氛中。对封灯材料的主要要求是：在灯中将灯丝保持在正确的气氛中。对封灯材料的主要要求是：在灯中 发出的光有最大的可见输出且材料必须是气密的和耐温的。发出的光有最大的可见输出且材料必须是气密的和耐温的。 对封灯材料的一般要求：对封灯材料的一般要求： - -在可见光区域合适的透光性（有时是红外或紫外区域）在可见光区域合适的透光性（有时是红外或紫外区域） - -抗填充物化学腐蚀（如：汞，卤化物或钠）抗填充物化学腐蚀（如：汞，卤化物或钠） - -抗热冲击抗热冲击 - -在

3、高温下保持机械强度在高温下保持机械强度 - -电绝缘电绝缘 - -灯工作时不透气灯工作时不透气 - -低的蒸气压和蒸发率；好的除气特性，在灯工作时不会低的蒸气压和蒸发率；好的除气特性，在灯工作时不会 释放杂质气体。释放杂质气体。 - -价格必须低及可加工成所需的形状并在误差范围内。价格必须低及可加工成所需的形状并在误差范围内。 - -必须可以有电通路，如有金属导丝的真空封接。必须可以有电通路，如有金属导丝的真空封接。 对大多数灯而言玻璃满足这些要求。但没有一种玻璃满对大多数灯而言玻璃满足这些要求。但没有一种玻璃满 足所有灯的所有要求，所以我们有许多各种不同类型的玻璃足所有灯的所有要求，所以我们

4、有许多各种不同类型的玻璃 。象高压钠灯（。象高压钠灯（SONSON）我们没有玻璃能承受我们没有玻璃能承受200200C C钠蒸气的腐钠蒸气的腐 蚀。为这种灯特别发展了称为蚀。为这种灯特别发展了称为PCAPCA的一种陶瓷材料的一种陶瓷材料 下面我们讨论制灯玻璃材料，它的性能及在制灯过程中下面我们讨论制灯玻璃材料，它的性能及在制灯过程中 的的处理。处理。 引言 玻璃的定义: 玻璃是一种在高温下熔化后，再经过冷却制得的无定形无机物 质。一般玻璃的主要成分是SiO2 什么是玻璃？ 玻璃的重要特性： -它不是一种结晶物质（不是长程有序的，没有熔点）。 -有高的粘度；在较高温度下不变形(热稳定性好) 。

5、-没有机械屈服点，一个增加的机械负荷并不导致变形， 超过临界点时会“破碎”。 -可能“失透”，由于某些热处理可能产生再结晶；如果 不容易再结晶我们就称玻璃是稳定的。 -许多玻璃在可见和附近的红外和紫外区域是透光的，而 且这种透光性很容易通过特殊添加剂被改变。 -热导率很低但随着温度增加而增加，(玻璃在低温下是热 的不良导体，玻璃在高温下是热的良导体)。玻璃的粘度随着温度 增加而降低。这些性质使得玻璃可以在高温下加工而制成成品。 玻璃结构 玻璃的结构可以用玻璃和晶体间的不同点来得到很好的说玻璃的结构可以用玻璃和晶体间的不同点来得到很好的说 明。首先我们来看看石英玻璃，其主要结构是明。首先我们来看

6、看石英玻璃，其主要结构是SiO2SiO2，这也是最这也是最 重要的玻璃。下图是重要的玻璃。下图是这些结构的这些结构的二维二维表示。表示。 水晶水晶a a和玻璃和玻璃b b的晶格结构的晶格结构 玻璃结构 在三维图形中小的在三维图形中小的SiSi 4+ 4+离子四面被大得多的离子四面被大得多的O 2-O 2-离子离子 紧密包围，紧密包围，被相邻原子共享的氧原子称为接桥氧离子。被相邻原子共享的氧原子称为接桥氧离子。 SiSi离子的四面体结构离子的四面体结构 q不规则结构的结果: 没有固定的熔点 从固体到液体逐渐转变，反之亦然。 玻璃结构 玻璃结构 从熔融态冷从熔融态冷 却形成晶体却形成晶体 或玻璃或

7、玻璃 晶体晶体 当融液从当融液从a a点冷却，体积点冷却，体积VspecVspec将逐渐减少到将逐渐减少到b b点，相应的熔点点，相应的熔点 为为TsTs。当多余的热量消散时体积急剧减到当多余的热量消散时体积急剧减到c c点。物质结晶即在某温点。物质结晶即在某温 度从液态变到固态（在固化过程中热被释放）。一旦所有的流体被度从液态变到固态（在固化过程中热被释放）。一旦所有的流体被 固化，继续冷却并体积固化，继续冷却并体积VspecVspec进一步缩小。在结晶过程中结构改变进一步缩小。在结晶过程中结构改变 即在液态时离子的不规则运动现在以一种有序的模式结晶（晶格）即在液态时离子的不规则运动现在以一

8、种有序的模式结晶（晶格） 。 玻璃结构 从熔融态冷从熔融态冷 却形成晶体却形成晶体 或玻璃或玻璃 玻璃玻璃 从从a a点冷却到点冷却到b b点粘度增加，没有结晶地冷却到固化点以下。点粘度增加，没有结晶地冷却到固化点以下。 在在b-eb-e范围内是一个过渡态。在范围内是一个过渡态。在e-fe-f温度范围内是固态玻璃。温度范围内是固态玻璃。 温度温度TgTg是是a-fa-f转折点的温度。转折点的温度。TgTg也叫做转换温度。但也叫做转换温度。但TgTg不是一不是一 个真正的象晶体熔化温度那样的定义值，所以用转化范围定义可能个真正的象晶体熔化温度那样的定义值，所以用转化范围定义可能 更好。玻璃并不是

9、一个稳定态，但在温度更好。玻璃并不是一个稳定态，但在温度TgTg以下从玻璃到晶体的转以下从玻璃到晶体的转 化非常慢，所以可以认为实际上没有晶化。化非常慢，所以可以认为实际上没有晶化。 玻璃结构 NaNa打开氧桥打开氧桥 玻璃中除了二氧化硅，还有不能由本身形成玻璃的玻璃中除了二氧化硅，还有不能由本身形成玻璃的“ “添加添加 物物” ”（Na2O, K2O, Na2O, K2O, MgOMgO, , CaOCaO, , BaOBaO and and PbOPbO），），这些添加物这些添加物 可以结合在玻璃结构中。以这种方式我们可以有不同性质的可以结合在玻璃结构中。以这种方式我们可以有不同性质的 稳

10、定玻璃。下图中稳定玻璃。下图中Na2ONa2O取代了被分开的氧桥。取代了被分开的氧桥。 这反应使网络中的结合力减弱：在一定温度下玻璃热膨这反应使网络中的结合力减弱：在一定温度下玻璃热膨 胀增加。钠离子有高的迁移率使玻璃的电阻大大减小。胀增加。钠离子有高的迁移率使玻璃的电阻大大减小。 玻璃结构 石灰料结构石灰料结构 下图中显示了加了下图中显示了加了Na2O Na2O 和和 CaOCaO的（苏打）石灰料的示意结构。的（苏打）石灰料的示意结构。 玻璃类型 基本的玻璃类型：石灰料基本的玻璃类型：石灰料 ，铅玻璃，铅玻璃 ，硼玻璃，铝玻璃，石英玻璃，硼玻璃，铝玻璃，石英玻璃 玻璃类型 石灰料和铅玻璃属于

11、软料。硼玻璃和铝玻璃属于硬料。区分软石灰料和铅玻璃属于软料。硼玻璃和铝玻璃属于硬料。区分软 料和硬料并不根据玻璃的硬度而是根据玻璃软化的温度。料和硬料并不根据玻璃的硬度而是根据玻璃软化的温度。 软料表示相对低的软化温度（软化点软料表示相对低的软化温度（软化点750 C C） 软化点是表达玻璃软化行为的一个参考值。软化点是表达玻璃软化行为的一个参考值。 软料玻璃有相对高的膨胀系数，硬料玻璃有相对低的膨胀系数软料玻璃有相对高的膨胀系数，硬料玻璃有相对低的膨胀系数 。 某些灯用玻璃的组成和性质与我们日常生活中用的玻璃很相近某些灯用玻璃的组成和性质与我们日常生活中用的玻璃很相近 。石灰料是最便宜的玻璃

12、，被用于一般的白炽灯，。石灰料是最便宜的玻璃，被用于一般的白炽灯，TLTL灯和气体放电灯和气体放电 灯外壳。它的成分与普通的窗玻璃相近。硼玻璃也被用于耐热玻璃灯外壳。它的成分与普通的窗玻璃相近。硼玻璃也被用于耐热玻璃 如烤炉盘。如烤炉盘。 玻璃类型 A. 苏打石灰料玻璃 主要成分: q 71 % SiO2 玻璃生成体 q 15% Na2O 软化剂 q 6% CaO 增加化学耐用性 主要应用: q 室内光源的玻壳( GLS , TL ) 石灰料有高的膨胀系数所以不能抗热冲击。加碱土氧化 物(CaO, MgO, 有时 BaO 和 SrO)可以改善抗化学性。 B. 铅玻璃 主要成分: q 64 %

13、SiO2 玻璃生成体 q 21 % PbO 增加防电解能力 q 7 % Na2O 软化剂 q 7 % K2O 软化剂 主要应用: 室内光源的灯芯, GLS, CFL 汽车灯 铅玻璃被用于白炽灯和TL灯的金属导丝部分。用PbO 代替 CaO 和MgO能增加电阻但粘度降低。 玻璃类型 C. 硼硅酸盐玻璃. 主要成分: q 75 % SiO2 玻璃生成体 q 16 % B2O3 玻璃硬化剂 q 4 % Na2O q 3 % Al2O3 主要应用: 较低的膨胀系数可防热爆，被用于高负载白炽灯和高负载气体 放电灯的外壳。 在纯SiO2玻璃中加B2O3可以降低粘度。这种玻璃的熔点大约为 1500C。膨胀系

14、数很低，所以有好的抗热冲击性。硼玻璃兼有好的抗 化学性和好的抗热冲击性。 玻璃类型 D. 铝硅酸盐玻璃 主要成分 q 60 % SiO2 玻璃生成体 q 20 % Al2O3 玻璃硬化剂 q 10 % CaO 主要应用: 因为其防热爆性比硼硅酸盐玻璃更高，所以在高负载的 灯中应用，如卤钨灯,特种HID，金卤灯和汽车灯。 玻璃类型 玻璃类型 E. 纯石英 成分: 100 % SiO2 主要应用: 由于其特殊的防热爆性和非常高的软化点，所以应用在HID电 弧管， 卤钨灯和汽车灯中。 石英玻璃用于最高负载的卤钨灯和气体放电灯。缺点是加 工时需要很高的温度（1700-2300 C）。目前发展了二种有低

15、 加工温度及石英玻璃优点的（耐高温和抗热冲击）品种。它们 是：掺杂石英玻璃和维克玻璃 F. 掺杂石英玻璃 在石英玻璃中加入少量其它材料可改变纯石英的特性。 掺几百ppm的K，Al 或 Mg能使玻璃加工温度降低。可 以增加生产速度。掺杂Ce, Ti和Al可以改变UV输出。 玻璃类型 成分: SiO2及少量的K，Al ， Ce 等 主要应用: 汽车灯 ，卤钨灯及特种H.I.D.灯 玻璃类型 G. 维克玻璃 一种经过化学处理，去除添加物再熔合的硼硅酸盐 玻璃。这种玻璃较便宜，而且比用天然晶体生产的石英光 学性能更好。 主要应用：用于汽车灯，卤钨灯和红外线灯。 成分: 96% SiO2 4 % B2O3 维克玻璃由低熔点硼玻璃制成。去掉Na2O，B2O3后进行 烧结。剩下的部分包含96% SiO2 和 4% B2O3。 一些熟知物质的粘度值 ： (poise) 水Water 0.02 甘油Glycerine 10 蜂蜜Treacle 300 焦油Tar 10 11 铝Aluminium 10 15 窗玻璃Window glass 10 19 窗玻璃 at 1500 C 100 玻璃能够承受的最大不变形