玻璃理论(荧光灯)

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1、玻璃理论,在制灯过程中，需要了解一些有 关玻璃机械加工的基本知识，有 助于对工艺过程的认识,目录,1、玻璃及其结构 2、粘度 3、成分 4、热的传导性 5、电的传导性 6、机械强度 7、热膨胀和应力 8、表面张力 9、分类,1、玻璃及其结构,玻璃是几千年以前在自然界中发现的一种材料。这种材料非常坚硬，可以用于制作刀、箭以及类似的东西。 当这种材料可以人工合成时，玻璃就有多种用途，制灯就是其中之一。 大多数普通玻璃的基础成分是沙子（SiO2），其基本的分子结构是四面体，其他的材料可能有另一种结构，如盐（NaCl）的基本结构就是立方体。,Si4+,O2 -,Cl -,Na+,Fig.1,Fig.2

2、,和液体相比，从“熔融”状态开始，这四面体没有相互联结，通过缓慢的冷却，可以达到一个规则的多面体结构，其中所有的结合力是相等的。,普通盐晶体,理想的SiO2晶体（二维示意图）,通常情况下，当结晶速率大于冷却速率时，就会形成“理想的”晶体结构。,Fig.3,在某些情况下，如果液体迅速冷却，就会变得非常粘滞，不同的离子的流动性将很低，就不能形成规则形态（晶体）。这就是玻璃，具有不规则结构。当然，玻璃要比相应的晶体结构具有更高的能量状态，因为比容较大。 因此，玻璃始终具有晶化的趋势。在温度的作用下离子的流动性增加或降低，而这种趋势与之相对应。（见粘度-温度曲线）,不规则结构,Fig.4,这种不规则结

3、构有何作用？ 非晶体结构说明，玻璃没有固定的熔点，但是，逐渐地从固态转变成液态，反之亦然。 这是因为在熔化过程中，由于加热激发，使联结松动，也就是说，在某个平衡点周围的成分振动一定的时间后，成为游离状态，如同在液体中一样，在物体内移动。 由于结合力不等，最弱的地方首先开始断裂，而后较强的断裂（7环第一，6环第二，接着5环，等等）,4,6,7,4,6,3,晶体,非晶体,和非晶体的逐渐断开相比较，结晶体材料的所有结合力是相等的，其变化是急剧突然的。,Fig.5,这样逐渐转变的特性可以让我们用不同于其他材料（如金属）的加工方法来处理玻璃。 这种状态用粘度来描述，另外，热传导性能和表面张力，三者是有关

4、玻璃加工的最重要的特性。,2、粘度,粘度即流动的阻力，用“泊”表示。粘度与流动性相对立，即温度越高，粘度越小，反之亦然。例如： 水的粘度（20 时）：0.1 POISE；糖浆的粘度（ 20 时）：300 POISE； 蜡的粘度（ 20 时）：1010 POISE；软玻璃的粘度（ 20 时）：1020 POISE；（ 600 时）：1010 POISE；（1200 时）：103 POISE；,为了描述玻璃特征和比较不同的玻璃，美国测试材料协会在粘度-温度曲线上定义了一些非常重要的点，这些点与典型的玻璃特性相关。,应力点 在此粘度点上，应力在几小时内可以消失 退火点 在此粘度点上，应力在几分钟内可

5、以消失 美国软化点 在此粘度点上，玻璃由于自身的表面张力和重力 的作用而变形，并且玻璃开始粘滞 工作点 在此粘度点上，玻璃可以用经济的设备进行加工 PHILIPS 为了玻璃加工的目的，提出了另一点，即 PHILIPS 软化点。 PHILIPS 软化点 玻璃在外力的作用下变形，并且内部应力在 几秒之内消失 熔化点 玻璃没有熔化点而只有熔化范围，熔化点被人为地定 义为粘度= 102,粘度-温度曲线,粘度 泊,应力点,退火点,飞利浦软化点,美国软化点,工作点,熔化点,脆性 粘性 液态,102,104,107.4,1012.4,1013,1014.5,退火范围,工作范围,Fig.6,设定点,过渡点,一

6、些玻璃的名义粘度-温度数据,3、玻璃成分,玻璃的最普通的成分是 SiO2 ，但还有更多的具有相同特性的成分，被称为玻璃构成。如氧化硼 B2O3 和 氧化磷 P2O5 。 纯 SiO2 的不规则结构（如Fig.4所示）可以被其他成分所影响。Fig.7为所谓的多成分玻璃。另外的成分，在玻璃的网络中扮演着调节剂的角色，可以在一种特性中起积极的影响，但对另一种特性起消极影响。,Fig.7,氧,硅,调节剂M1,调节剂M2,中间体M3,例如，Na2O能破坏网络桥架从而降低粘度，使玻璃变软可以在较温度下加工，但也会增加导电率和降低化学稳定性，这是在制灯时不希望产生的。 因此可以根据不同用途来改变玻璃成分以达

7、到用户要求。,4、热的传导性,材料的导热率表示：驱动温度变化 1 度时，单位体积内相对两面的热流速度。 在物体内热量传递有 3 种基本形式：,1、传导：某个原子比临近的原子振动更大时（有较高的温度）将会撞击临近的原子，这个原子因此振动变大（温度增加了）。 2、辐射：每个原子都发射和接收很小的能量束。当一个原子比其相邻原子具有较高温度时，发射的能量比接收的能量要多。它将因此损失能量（= 冷却），同时临近原子获得能量（= 升温）直至达到均衡。 3、对流：当一个剧烈振动的原子能够移动时，它将载着全部能量到另一处。当它到达某点时，它将使周围的原子产生更大的振动（温度更高）。,总的来说，在较低温度时（如

8、软玻璃 800）,辐射 和对流最重要。这样就可以理解玻璃液态程度越大，对流作用越大。,导热率,温度,Fig.8,很显然，玻璃的这种性质对于玻璃加工是非常重要的。在较低温度时，热量能够正好对准需要加热、相对狭窄的区域，而其他区域不会变形。随着温度的升高，热量传递迅速增加，待加工的区域可以在合理的时间内加热到工作温度。 优点,另一方面，由于导热率低，贯穿玻璃体的温度差异（加热和冷却所致）将引起应力。 缺点,玻璃的导热率只是金属的一小部分。这是因为金属有规则的、晶体结构，其结合力非常强大，碰撞（传导）发生很快很激烈。结合力越大（即温度低）这种现象越容易发生。 所以，在室温下，金属的热传递要远远大于玻

9、璃，同样，当温度降低时，金属的热导率增加。,总结 冷玻璃 不良导热体 优点：1、可以定点加热。2、可以用手处理。 缺点：可能产生应力。（0 450 区域） 热玻璃 良好导热体 优点：热流可以利用但必须控制它。,5、电的传导性,金属导电是在电子基础上的，而玻璃的导电是由于离子的移动，特别是 Na 离子。在低温条件下，由于粘度，离子运动很困难，但在高温时却容易进行。因此，在室温下，可以认为玻璃是绝缘体，而在高温时，玻璃是导体。 导电率对于灯管内的装架件而言十分重要。例如 Fig.9,Fig.9,Na+,Na+,e+,Na+,e+,e+,e+,DC,AC,当两端电极加上直流电时，相对较小的 Na 离

10、子就逐渐地从正极向负极移动。意味着正极附近的Na 离子减少而积聚在负极。这意味着两端的玻璃成分发生了变化，引起膨胀系数的改变，应力也由此产生。应力炸裂漏气。这种现象称之为“电解” 当两端电极加上交流电时， Na 离子不能在电极之间移动。但电解仍然发生。在真空灯管内，发热的钨丝将电子发射到相对较冷的芯柱夹扁上，夹扁的表面成为负电荷， Na 离子就从电极向表面移动。由于玻璃成分的逐渐变化，膨胀系数变化，引起炸裂。 温度越高，电解发生得越快。由于导电率也将随着Na含量的增加而增加，显然的解决方案是降低Na含量。然而，这将导致软化点温度提高，会对制程产生负面影响。 其他成分如 Pb 和 Ba 是“大”

11、原子，阻碍Na 离子移动和电解。这也就是铅玻璃用来做芯柱的原因。无铅玻璃（360）Ba 代替了Pb，具有同样的作用。,以上可以看出，玻璃类型不同导电率或电阻率也不同。见Fig.10,14,12,10,8,6,4,2,200,400,600,800,1000,温度,Log p （ohm。Cm）,Fig.10,Soda lime,Lead silicate and Barium silicate,Alumino silicate,Fused silica,6、机械强度,理论上，玻璃强度很大，在真空条件下可以承受很大的应力（压应力/张应力）,真空室,钢丝 1 mm2,51 kg,玻璃丝 1 mm2,

12、200 kg,张应力,断裂重量,玻璃丝可承受压应力300 kg/mm2,Fig.11,然而，一旦其表面出现不规则性，张力强度急剧下降，即所谓“刻痕效应”。 如Fig.12，在玻璃上施加一张力F，裂痕尖端的局部应力可达到200倍，而这取决于裂痕的长度。,刻痕,F,F,也就是说，即使 F 很小，在裂痕处的应力也会很快超过其最大强度，玻璃将断裂。 此力= a*F，a 是放大系数，200 左右，取决于刻痕长度/锐度,玻璃理论强度 减小玻璃张力原因 10000 N/mm2 玻璃纤维 玻璃结构破坏 1000 N/mm2 纯新玻璃 大量表面瑕疵 100 N/mm2 普通玻璃 大量表面瑕疵 10 N/mm2

13、玻璃产品强度,7、热膨胀和应力,热膨胀 玻璃的热膨胀是非常重要的性质，有两个主要相关范围： 1、封口（两种材料有效的封接） 2、热振阻力（承受热振的能力） 和其他材料一样，玻璃遇热膨胀，冷却收缩。线性膨胀系数为：温度变化1度时，材料在单位长度的长度变化。即L/L,Fig.13 中，可以区分3种不同的范围。,温度,L/L,P,Q,R,范围 R Q 粘度很低，四面体很容易移动，四面体的晶化速度与冷却速度相当，玻璃表现为粘稠的可塑的材料。膨胀系数比低温时高，玻璃可以自由变形，两种封接的玻璃的膨胀差异可以由粘稠的流动得到补偿，没有应力产生，直到飞利浦软化点并从这里开始内在应力产生。 范围 Q P 粘度

14、较高，越来越阻碍元素的运动。尽管理论上玻璃还是粘稠的，但四面体在结构内移动的时间越来越长，一直到设置温度即玻璃实际可用的“固态点”，玻璃表现为不是完全的粘稠材料但也不是固体的，弹性的材料。介于这两者之间，所谓“过渡范围”。膨胀系数减低但不是和温度成线性关系。封接两种玻璃时，只要这两种玻璃能紧跟可能的收缩差异，就不会产生应力，一直到设置温度（= 应力点+5） 范围 P 0 粘度非常大，四面体不可能在结构内移动，玻璃表现为弹性的，固体的材料。从设置温度往前，（实用而言从应力点开始）膨胀和温度成比例。两种封接的玻璃，由于膨胀系数不同而不能相互屈从，因此产生了应力。,应力 1、由热力引起的临时应力 由

15、于较低的热导率，加热或冷却“固体的”玻璃 (飞利浦软化点)从一侧开始冷却，由于导热率低，造成两侧的温度差异，最终产生应力，见Fig.15。 冷却速度越快，两侧温度差异越大，应力越大。但将玻璃加热到软化温度时（ T飞利浦软化点)，应力可以消除，然后将其缓慢冷却（温差很小），这就是退火（见Fig.17）。有时快速冷却产生应力（回火或增强）Fig.16a，利用此性质可使纯新玻璃在张应力作用下有更高的强度。如汽车挡风玻璃和制灯中喇叭的增强工艺。见Fig.16b,Fig.14,加热,A1 B1,软 软,A2 B2,硬 软,A3 B3,硬 硬,A4 B4,如果自由,A4 B4,最终状态,Fig.15,冷却,应力类型,C T,Fig.16a 回火和增强,T和t,冷却,冷却,C 0 T,C T C,C,C,T,Fig.16b 回火和增强,无T,T,Fig.17 退火曲线,B，不可消除的应力 将两种具有不同膨胀系数的材料封接在一起时，很显然，在冷却之后应力产生了，这是由于联结在一起后，一种材料还要进一步收缩而另一种不收缩造成的。 这种应力不能消除，因为膨胀系数是材料的特性，不能改变。 如：封口，芯柱导丝，钼与石英玻璃等。,冷却,飞利浦软化点,