玻璃工艺学课件

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1、,玻璃工艺,1.狭义的玻璃,2.广义的玻璃（玻璃态）,由熔融物冷却而不析晶得到的无机物,三条件：,非晶体,熔融物冷却,无机物,表现出玻璃转变现象的非晶态物质,转变现象：Tg=1/22/3Tm性质突变（比热、等）,1.1 玻璃的含义及发展历史 1.1.1 玻璃的含义 玻璃的含义包括了玻璃态、玻璃材料、玻璃制品等 方面的含义。,第一章 绪论,1.1.2 玻璃发展简史 (brief history) （1）远古文明时代 公元前 2500公元前2000年，西亚（目前中 东） 釉砂和玻砂 并不是真正的玻璃 青铜时代后期 卷芯法 公元前16世纪 美索不达米亚 公元前9世纪 犹太国 玻璃浇注技术 玻璃花瓶

2、我国西周中期 开始 战国时期 世界上最早的铅钡体 系玻璃 模压工艺 这是我国历史上最早的平板 玻璃制品 （2）古典文明时代 古希腊 花纹玻璃 古罗马 雕花玻璃 玻璃吹制技术 西汉中期前后 铅钡玻璃到铅玻璃 技术东渡,（3）中世纪时代 教堂（或清真寺）玻璃 以基督教为中心的东 罗马的拜占庭玻璃和以伊斯兰教为中心的伊 斯兰玻璃 我国 铅钡玻璃到高铅玻璃和钠钙玻璃 引入西 方的玻璃吹制技术 （4）近代时期 威尼斯 玻璃制作中心 水晶玻璃 珐琅化 我国 停滞落后 新中国成立后大发展,1.2 玻璃的结构特征,玻璃是一种无规则的非晶态固体，是短程有序，长程无序。可以作为一种固体保持一定的外形。 1.2.1

3、 玻璃的结构 玻璃结构是指离子或原子在空间的几何配置以及它们在玻璃 中形成的结构形成体。 最早试图解释玻璃本质的是G.Tamman的过冷液体假说，认 为玻璃是过冷液体，玻璃从熔体凝固为固体的过程仅是一个 物理过程。最有影响的近代玻璃结构假说有：晶子学说、无 规则网络学说、凝胶学说、五角对称学说、高分子学说，其 中能很好解释玻璃性质的是晶子学说和无规则网络学说。,（1）晶子学说（1921年 列别捷夫） 基本观点：,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,玻璃由无数晶子组成 是高分散晶体的集合体 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,* 玻璃态物质结构特点：

4、 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,成功之处：揭示了玻璃的微观结构不均匀性和近程有序性的 结构特征。 不足之处：晶子大小、含量等都未能合理解决,（2）无规则网络学说,(查哈里阿森W.H.Zachariasen 1932年） 基本观点：,SiO4是基本结构单元 由氧离子多面体以 顶角相连的形式在三维空间形成网络,三维空间作无序排列， R+ R2+填充在网络空隙,强调了玻璃体中离子与多面体相互排列的均匀性、连续性及无序性等特点，其结构特征可以在玻璃体各向同性、内部性质均匀性以及性质变化等方面得以实现，能解释一系列玻璃体性质的变化，是玻璃结构学说的主流。,（3）近代玻璃结构学说,分相：是指玻璃在冷

5、却和热处理过程中，内 部形成两个互不相容的液相（玻璃相）。 近代实际玻璃结构是由一个远程无序近程 有序的骨架构成。该骨架可能是三维的，也 可能是层状或链状的，甚至是无序金属离子 和岛屿结构（逆性玻璃）。 迄今为止，关于玻璃结构理论没有一个 完整、统一、公认的理论。,1.2.2 准晶与液晶的结构,（1）准晶 具有准周期平移格子构造的固体，其中的原 子一般呈定向有序排列，但不作周期性平移 重复，其对称要素包含与晶体空间格子不相 容的对称。 历史 1984年，中、美、法和以色列等国家的学者 几乎同时在淬冷合金中发现存在5次对称轴，确证 这些合金具有长程定向有序，而没有周期平移有序 的一种封闭的正20

6、面体相，并称之为准晶体。以后 又陆续发现了具有8次、10次、12次对称的准晶结 构。,2009年7月1日，美国Science杂志报道，自从科学家25年前首次制造出这种物质以来，人们一直试图在自然界中找到准晶。为了找到答案，研究人员在那些包含有形成准晶的物质铝、铜和铁的岩石中展开搜索。最终在计算机的帮助下，科学家在一种名为Khatyrkite(铝锌铜矿)的岩石中找到了准晶。这一发现使得准晶被划入了一种真实存在的矿物质中。,（2）液晶,定义：在某一温度范围可以出现液晶相，在 较低温度为正常结晶的物质。 组成：一种有机化合物，以碳为中心构成的 化合物。同时由两种物质组成的液晶 是以分子间力组合的。具

7、有特殊的光 学性质，对电磁场敏感。 分类：热致液晶：光电效应受温度控制 溶致液晶：受控于浓度条件,液晶材料主要是脂肪族、芳香族和硬脂酸等有机物。液晶也存在于生物结构中。日常生活中，适当浓度的肥皂水就是一种液晶。目前发现和合成的液晶材料有五千多种。 热致液晶：分为 向列相，近晶相（层状相）、胆甾相三类。 溶致液晶：按其含水量的不同形成层状结构、多角形结构或立方结构。目前认为，人体的大脑、肌肉、眼睛视网膜等中都存在溶致液晶结构。,1.3 玻璃的性质,任何固态物质都可能以两种不同的形式存 在，及结晶态和无定形态。由熔融的液态冷 却形成的无定形态称玻璃态。玻璃态具有较 高的内能，是一种介稳状态。 1.

8、3.1 光学性质 玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、 吸收和透射等性质。 （1）折射率及色散 定义： 玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速 度的降低（以真空中的光速为准）,定义式： （2）反射率 定义： 镜面反射 漫反射 漫反射测量在提取样品组成和结构信息方面 更直接可靠。,玻璃的折射率也可以用光的入射角的正弦 与折射角的正弦之比来表示,（3）透过率,兰伯特-比尔定律 1.3.2 力学性质 主要包括机械强度、弹性、硬度、脆性、密度。 玻璃具有脆性，耐压强度高 抗张强度低 加热至变形温度以上会出现塑性变形 普通玻璃 石英玻璃和硼硅酸盐玻璃 硬度最大 含碱性氧化物玻璃 硬度较小 高铅硅酸盐

9、硬度最小,1.3.3 热学性质,主要包括热容、热膨胀系数、导热性、热稳定性 热容：Tg以下，增加不显著，Tg以上迅速增加 热膨胀系数：由玻璃的组成决定，Na2O和K2O能显 著提高该值；石英玻璃该值最小； 导热性：玻璃是热的不良导体 热稳定性：取决于热膨胀系数、弹性模量、强度 钠钙玻璃热胀系数最大，耐急冷急热能 力差，硼硅酸盐玻璃热胀系数小，耐急 冷急热能力强，成为耐热玻璃；石英 玻璃热胀系数最小，热稳定性最好,1.3.4 电学性质,主要包括导电性、介电性。 主要影响因素：温度和组成 常温下为绝缘体 导电率随温度升高增加 熔融态为导体 石英玻璃的绝缘性最好， 碱金属氧化物能显著提高其电导率 1

10、.3.5 化学性质 化学稳定性：玻璃对水、酸、碱、盐类、气体的抵 抗能力,补充：玻璃的结构分析（structure analysis） 一、性质与其反映的结构情况,二、结构分析方法与反映的结构信息 结构分析方法：衍射法、电镜法、光谱法,1.4 玻璃的分类 (classification) 日用玻璃（器皿、平板、瓶罐等） 特种玻璃（光纤、生物玻璃等）,制造工艺：熔融法和非熔融法 熔融法：传统方法， 工艺流程为：原料预加工、配合料制备、熔 制、成型、退火和后加工 工业化生成普通玻璃多用熔融法 非熔融法： 1.凝胶法 2.气相沉淀法 3.冲击波法,谢谢大家！,（四）玻璃化方法 (glassifica

11、tion method) 1.固体（晶体）直接玻璃化无定形固体 2.经液相玻璃化玻璃 3.由气相制玻璃无定形薄膜,（五）玻璃态物质的特性 (property) 1.各向同性(isotropy) 质点无序排列而呈统计均匀结构的外在表现 2.亚稳性(metastability) 所有玻璃都有析晶倾向 3.无固定熔点(unfixed melting point) 4.可逆性(reversibility) 温变过程中性质产生逐渐连续的变化且可逆 5.可变性(changebility) 性质随成分（一定范围）发生连续和逐渐的变化,三维空间作无序排列， R+ R2+填充在网络空隙,（六）玻璃的结构学说 (

12、Structure theories of glass),一、传统学说,1.过冷液体学说（Tamman） 不同分子混合物,2.聚合物学说（Sockman） 高分子聚集体 SixO3x+1-2(X+1),3.无规则网络学说* (W.H.Zachariasen 1932年） 基本观点：, SiO4是基本结构单元,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：Warren X-ray结构分析数据,学说重点：多面体排列的连续性、均匀性和无序性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,实验证实：X-ray结构分析数据

13、学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：

14、,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、

15、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,玻璃有无数晶子组成 晶

16、子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,* 玻璃态物质结构特点： 短程有序（微观） 长程无序（宏观）,实验证实：X-ray结构分析数据 学说重点：玻璃的有序性、不均匀性和不连续性,玻璃有无数晶子组成 晶子有晶格畸变，晶子到无定形介质是渐变,4 .晶子学说（列别捷夫） 基本观点：,玻璃有无数晶子组成 晶