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1、第三章 玻璃的性能,根据玻璃不同性质间的共同特点，可将玻璃的性质分为三类：,粘度、电阻与温度的关系,第一类是与玻璃中离子迁移 有关的性质，如：粘度、电 阻率、化学稳定性等。,第二类性质主要与玻璃的 网络骨架及网络与网络外 阳离子的相互作用有关。 如：密度、强度、折射 率、膨胀系数、硬度等。,第三类性质包括玻璃的光吸收、颜色等。这些性质与玻璃中 离子的电子跃迁及原子或原子团的振动有关。,3. 1 玻璃的粘度与表面张力,粘度又称粘滞系数。是流体（液体或气体）抵抗流动的量度。,表面张力是作用于液体表面单位长度上使液面收缩的力。,表面张力是由于液体表面的不平衡力场而产生的，使液体表面 具有收缩到最小面
2、积的趋势。,粘度和表面张力分别以符号、表示，其国际单位分别为 Pa S和N / m.,粘度与表面张力对玻璃生产的影响贯穿玻璃生产的 全过程，因而有着极其重要的工艺意义。,一、 影响玻璃粘度的因素二、 影响表面张力的因素,一、 影响玻璃粘度的因素,玻璃的粘度主要由化学组成和温度决定。,1、温度的影响,2、组成的影响,与大多数液体一样，玻璃的粘度随温度的升高而降低。,硅酸盐玻璃的粘度首先决定于硅氧网络的连接程度， O/Si比增大，玻璃粘度下降；反之，玻璃的粘度增大。,常见氧化物对玻璃粘度的影响概括如下：,（1）SiO2、Al2O3、ZrO2等增大玻璃的粘度；（2）碱金属氧化物可降低玻璃的粘度；（3
3、）碱土金属氧化物对玻璃粘度的影响；（4）PbO、CdO、Bi2O3、SnO2等能降低玻璃的粘度。,碱金属氧化物可降低玻璃的粘度,一方面，类似于碱金属氧化物，导致大的阴离子团解聚，使粘度减小；另一方面碱土金属阳离子的场强较大，具有吸引氧离子到自己周围的能力，起到积聚网络的作用，从而导致粘度增大。前一种作用在高温是主要的，而后一种作用在较低温度下表现出来。,二、 影响表面张力的因素,1、温度的影响,2、组成的影响,在一定温度范围内、对于一般液体，温度升高，质点间 结合力减弱，液体的的表面张力减小。,组成玻璃的物质间的相互吸引力越小，其对玻璃表面张 力的贡献越小。,表面张力可根据玻璃的组成和各氧化物
4、的表面张力因子 通过加和法则来计算。,3. 2 玻璃的密度,玻璃密度取决于构成玻璃的原子的质量以及玻璃结构网络 的紧密程度和网络空隙的填充情况。生产上常通过测定玻 璃的密度来监控玻璃成分的变化。,一、玻璃成分对密度的影响 二、温度对玻璃密度的影响 三、热历史对玻璃密度的影响,一、玻璃成分对密度的影响,玻璃的密度与其组成之间的关系非常密切。 首先，玻璃组成中的网络形成体氧化物确定了构成玻璃 网络的基本结构单元的体积大小。,网络中间体氧化物，当其处于网络空隙中时，通常使玻 璃的密度上升。若其成为玻璃网络的一部分时，其对玻 璃密度的影响取决于其对玻璃网络紧密程度的影响。,网络外体氧化物的阳离子填充在
5、玻璃网络的空隙中， 当这些阳离子的半径较小，未引起玻璃网络的扩张 时，可增加玻璃的密度。但当网络外体氧化物的阳 离子的半径较大时，其对玻璃密度的影响则取决于 其对玻璃分子质量与分子体积的双重影响。,玻璃的密度可由基于加和法则的经验公式求得。,二、温度对玻璃密度的影响,温度对玻璃密度的影响是温度对玻璃结构影响的 外在表现。当温度低于玻璃的转变温度Tg时，温 度升高玻璃的密度略有下降；温度高于Tg，玻璃 的密度显著下降。,三、热历史对玻璃密度的影响,从高温急冷所得的玻璃因继承 了玻璃熔体高温下的松散、开 放结构，其密度较慢冷或退火 玻璃小。右图显示，冷却速率 越大，玻璃密度越小。,冷却速率对硼冕玻
6、璃密度的影响 A:平衡态 B:1 K/h C:1.86 K/h D:9.87 K/h,3. 3 玻璃的热学性质,玻璃的热膨胀系数、热稳定性为玻璃的主要热学性质。,玻璃的热膨胀系数有线膨胀系数和体膨胀系数之分， 3。,玻璃的热膨胀系数（）与玻璃的退火、玻璃封接、玻璃的 热稳定性密切相关。,根据玻璃的热膨胀系数大小可将玻璃划分为：硬质玻璃（6010-7/K）软质玻璃（6010-7/K）,影响膨胀系数的因素：,组成玻璃中非桥氧越少，玻璃的热膨胀系数越小。,碱金属氧化物的加入导致玻璃的热膨胀系数增大。,碱土金属氧化物的作用与碱金属氧化物类似。,热历史对玻璃热膨胀系数的影响与其对玻璃结构的影响相关联。,
7、玻璃的热稳定性是玻璃在非室温条件下使用时最重要的 性能之一。玻璃的热稳定性受玻璃制品的厚度、比热、 导热系数、密度、强度、弹性模量、热膨胀系数等因素 影响。常用下面的公式来表示玻璃的热稳定性：,式中： K 玻璃的热稳定性系数，度厘米/秒1/2 P 玻璃的抗张强度极限，千克力/毫米2 玻璃的线膨胀系数 E 玻璃的弹性模量，千克力/毫米2, 玻璃的导热系数，卡/厘米秒度 c 玻璃的热容，卡/克度 d 玻璃的密度，克/厘米3 B 常数 1-2 导致玻璃破裂的最小急变温度,3. 4 玻璃的机械性质,它是指玻璃在受力过程中，从开始加载到断裂为止，所能达 承受的最大应力值。,按照受力情况的不同，有抗压强度
8、、抗张强度、抗折强度、 抗冲击强度等。,玻璃的抗压强度一般要比抗张或抗折强度大一个数量级。,一、玻璃的理论强度与实际强度 二、影响玻璃强度的因素 三、玻璃的硬度与脆性,一、玻璃的理论强度与实际强度,对于硅酸盐玻璃的理论强度约为1.31010 N/m2（13 GPa）。 实验测得的玻璃强度要比上述数值低23个数量级。 一般玻璃的实际强度为50200MPa。,二、影响玻璃强度的因素,影响玻璃强度的因素包括内因和外因两个方面。,内因主要有：玻璃的组成、玻璃的宏观与微观缺陷。,外因主要是：玻璃的使用环境（如温度、湿度）、加载方式、试样的尺寸。,玻璃的宏观和微观缺陷与玻璃的熔化过程密切相关，设计 合理的
9、组成，减少玻璃的分相发生，提高熔化质量，获取 组成均匀、缺陷少的玻璃是提高玻璃强度的重要手段。,从常温下开始升温，玻璃的强度先呈下降趋势，当温度升 至100以上，玻璃的强度又开始增大。,随着试样尺寸的减小，玻璃的强度增加。,玻璃的增强的措施：通常采用退火、钢化、表面处理 （表面脱碱、火抛光、酸抛光、表面涂层、表面晶化、 离子交换等）、微晶化等措施来提高玻璃的使用强度。,三、玻璃的硬度与脆性,一般玻璃的硬度在57之间。,玻璃的硬度首先取决于其内部化学键的强度和离子的配位数。 通常，网络生成体阳离子使玻璃具有高的硬度，而网络外离 子使玻璃的硬度下降。对于同类型的玻璃，随着网络外阳离 子的场强的增大
10、，玻璃的硬度上升。,各种氧化物提高玻璃硬度的能力由小到大的顺序是：,SiO2B2O3(MgOZnOBaO)Al2O3Fe2O3K2O NaOPbO,急冷玻璃由于其结构较慢冷玻璃疏松，因而硬度也较小。,玻璃的脆性常用抗冲击强度或抗压强度与抗冲击强度 之比来表示。,玻璃的脆性与玻璃的成分、宏观均匀性、热历史、试样 的形状与厚度等有关。,3. 5 玻璃的光学性质,玻璃的主要光学指数包括折射率、色散。玻璃的 主要光学性质包括玻璃对光的反射、吸收、透过。,3. 5. 1 折射率 3. 5. 2 色散 3. 5. 3 玻璃的反射、吸收、透过,3. 5. 1 折射率,一、折射率定义,光通过二物质界面时，射角
11、正弦之比。一般以n 表示。,通常所说的折射率是玻璃对真空的相对折射率，n等于 光在二种介质的传播速度，即：,n = sin1/sin2=c1 / c2,普通玻璃的n为1.5左右，n1表明，光从光疏介质进入 光密介质，速度变慢。,二、影响折射率的因素,1、玻璃的组成,光由空气进入玻璃时速度变慢，是因为光通过玻璃时， 给出一部分能量，使其速度下降。,另一方面，光线由光疏进入光密介质，行进速度下降。 因此，组成对n的影响具有如下关系：,凡是能增加玻璃密度的组成（份），均使n增大.玻璃组成中氧化物的分子折射率越大，n越大。离子的极化度越大，n越小。半径大，易极化，离子折射度大，n越大。网络形成体阳离子
12、形成Nf-O键较强，不易极化，离子折射度小。,2、温度的影响,室温下，n一般随温度的升高略有上升。,n=0.1 12.08 * 10-6,主要是温度对玻璃的折射度的影响造成的。,3、波长的影响,光波波长不同，n不同，此即色散观象。,总趋势： 增大，n减小。（因增大，频率 减小，电磁场交变变慢，光损失减小，n减小）,3. 5. 2 色散,一、定义,折射率随波长变化而变化的现象。,二、正常色散 ：增大， n减小。,反常色散 ：在可见光范围内，n随增大而 减小，当光波接近材料吸收带时，n急剧增大。,原因：光通过玻璃时，某些离子的电子随光波的变化而 产生振动，当电子振动的自然频率等于光波的振动频率 时
13、，发生共振，振动加强。从而大量吸收光能，光速大 大减小，n急剧增大。,三、色差,复色光通过光学系统时，由于不同，n不同因而成像 在轴上的位置不同，从而呈现彩色光带的现象。,消除办法：利用冕牌玻璃的凸透镜和火石玻璃的凹透镜组合消除色差。,3. 5. 3 玻璃的反射、吸收、透过,当光束照射到玻璃上，一部分光被玻璃表面反射，一部 分被玻璃所吸收，另一部分光透过玻璃。这三部分与入 射光强度之比分别为反射系数R、吸收系数K、透过率T， 且R + K + T = 1。,一、光的反射 二、玻璃对光的吸收与透过,一、光的反射,反射率R用来表示玻璃对光的反射能力。它与玻璃的 光滑程度、光的入射角、频率及玻璃的折
14、射率有关。,当入射角为900时：,R,（,）,n - 1,n + 1,2,所以，n越大，R越大。,反射会导致光损失，降低透率。依此原理，可制造 反光膜、增透膜。,二、玻璃对光的吸收与透过,玻璃对光的吸收与透过遵循兰比尔定律,即,dI / d l = -I ( I / Io ) = -lT = -lT = e l,式中：,T 透光率I 进入玻璃的入射光的强度(已扣除反射部分)Io 透过玻璃的光强度e 自然对数的底 着色剂的吸收系数l 玻璃的厚度,对于颜色玻璃, 与着色剂的种类与浓度有关。即,= c,其中、c分别为各着色剂的吸收系数与浓度。,由于着色剂的存在,颜色玻璃表现出对可见光的选择性吸收。,
15、在实践中常以光密度D来表示玻璃对光的吸收与反射 损失。 D与T的关系如下:,D = log（1 / T）,玻璃对可见光的吸收与反射能力是评价隔热玻璃性能 的重要依据。,3. 6 玻璃的电学性质,3. 6. 1 概述,玻璃的导电机理：,一、离子导电 二、电子导电,一、离子导电,普通Na2O-CaO-SiO2玻璃是由SiO4构成网络骨架， 伯特.贝哲的实验证明, Na+、Ca2+作为网络外体阳离 子，钠钙硅玻璃中的电流全部是由Na+作为载流子的。 Ca2+的作用小的可以忽略不计。以下的一组数据可使 大家更好的理解这一点。,玻璃种类 石英玻璃 CaO-Al2O3-SiO2玻璃 Na2O-CaO-Si玻璃 电阻率（.cm） 1017 1015 101314,把这种以离子作为载流子的导电过程,称为离子导电。,其导电过程如下:在外加电场的作用下,离子的不规则 热运动趋于稳定,长程迁移贯穿于整个玻璃体,即显示 导电。,二、电子电导,在玻璃中加入大量的可以呈现为多种化合价的元素的方法 来实现的。,如在硅酸玻璃及硼酸盐玻璃中加Fe2O3及MnO或在磷酸盐 玻璃中加入各种化合物的钒,这是由于玻璃中出现了化合 物多变的副族元素而出现部分未束缚的电子。在热激发条 件下,即出现电子导电。,3. 6. 2 影响电阻率的 因素,
