玻璃工艺学第三章课件.ppt

1、第三章 玻璃的物理性质p玻璃的粘度；玻璃的粘度；p玻璃的密度；玻璃的密度；p玻璃的热膨胀系数玻璃的热膨胀系数1.玻璃的粘度 流体在流动时，相邻流体层间存在着相对运动，则该两流体层间会产生摩擦阻流体在流动时，相邻流体层间存在着相对运动，则该两流体层间会产生摩擦阻力，称为粘滞力。粘度是用来衡量粘滞力大小的一个物性数据。力，称为粘滞力。粘度是用来衡量粘滞力大小的一个物性数据。 在重力、机械力和热应力等作用下，玻璃液中的结构组元（离子或离子基团）在重力、机械力和热应力等作用下，玻璃液中的结构组元（离子或离子基团）相互之间发生流动，如果这种流动是以结构组元依次占据结构空位的方式来进行的相互之间发生流动，

2、如果这种流动是以结构组元依次占据结构空位的方式来进行的话，则成为粘滞流动。话，则成为粘滞流动。 粘度是指面积为粘度是指面积为S的两个平行液面，以一定速度的两个平行液面，以一定速度dV/dx移动时所需克服的内摩擦阻移动时所需克服的内摩擦阻力力f： 其中，其中，粘度或粘滞系数（帕粘度或粘滞系数（帕秒）秒） S平行液面间的接触面积平行液面间的接触面积 dV/dx沿垂直于液流方向，液层间的速度梯度沿垂直于液流方向，液层间的速度梯度 dxdVSf粘度在玻璃中的表现o 原料颗粒的溶解、气泡的排除、各组分的扩原料颗粒的溶解、气泡的排除、各组分的扩散都与粘度有关；散都与粘度有关；o 玻璃的制备过程（与粘度有关

3、）；玻璃的制备过程（与粘度有关）；o 制品内应力的消除与粘度有关；制品内应力的消除与粘度有关；o 制品在熔制、成形、退火等各过程中都表现制品在熔制、成形、退火等各过程中都表现为大小不同的特征粘度，可以指导生产。为大小不同的特征粘度，可以指导生产。粘度反映的是玻璃中结构基团的缔合程度！不同温度下对应的粘度数据玻璃的热历史 -与粘度的关系极为密切 玻璃的物理、化学性能在很大程度上都取决于它的热历史。玻璃的物理、化学性能在很大程度上都取决于它的热历史。热历史热历史指玻璃从高温液态冷却，通过指玻璃从高温液态冷却，通过转变温度区域转变温度区域和和退火温退火温度区域度区域的经历。的经历。消除应力消除应力应

4、力的解释应力的解释玻璃热历史对粘度的影响急冷玻璃急冷玻璃：较大的体积，较小的粘度；：较大的体积，较小的粘度；慢冷玻璃慢冷玻璃：较小的体积，较大的粘度。：较小的体积，较大的粘度。粘度的影响因素： 温度温度； 玻璃组成玻璃组成。C0 200 400 600 800 1000 1200 1400 BA杨式模量logNa2O-CaO-SiO2玻璃的弹性、粘度与温度的关系简图玻璃的弹性、粘度与温度的关系简图A区温度较高，为粘性液体，无弹性表现；区温度较高，为粘性液体，无弹性表现；B区粘度随温度影响很大，弹性模量迅速增大；区粘度随温度影响很大，弹性模量迅速增大；C区弹性模量和粘度随温度下降，都明显增大，且

5、无粘滞流动。区弹性模量和粘度随温度下降，都明显增大，且无粘滞流动。钠钙硅玻璃的粘度-温度数据温度（）粘度（帕秒）52010145601012580101161010106401098741087601069001041000103118010213003.1610145010Tg附近附近Tf附近附近熔制范围熔制范围开始结晶开始结晶结晶处理过程结晶处理过程温度的影响温度的影响Tg、Tf特征温度区间的粘度特性 温度低于温度低于Tg Tg ，粘度很大，玻璃基本是具有弹性和脆，粘度很大，玻璃基本是具有弹性和脆性的固体，温度的变化对结构的影响很小。性的固体，温度的变化对结构的影响很小。 温度高于温度高于

6、T Tf f，粘度相应较小，质点流动和扩散快，温，粘度相应较小，质点流动和扩散快，温度变化对结构的影响也很小，结构可以很快进入平衡状态。度变化对结构的影响也很小，结构可以很快进入平衡状态。 温度介于温度介于TgTg和和T Tf f之间时，玻璃处于结构转变区间，粘之间时，玻璃处于结构转变区间，粘度不是很大，质点可以按照化学键和结晶化学等一系列要度不是很大，质点可以按照化学键和结晶化学等一系列要求进行重排，是一个结构重排的微观过程。求进行重排，是一个结构重排的微观过程。 粘度小于粘度小于10dPas：熔化过程；：熔化过程； 粘度在粘度在103107dPas：玻璃加工过程，如吹制、压制、拉制和轧制；

7、：玻璃加工过程，如吹制、压制、拉制和轧制； 粘度为粘度为107.6dPas：软化点附近，玻璃粉末烧结和玻璃吹制；：软化点附近，玻璃粉末烧结和玻璃吹制； 粘度高于粘度高于1010dPas：结构平衡需要很长时间；：结构平衡需要很长时间； 粘度为粘度为1013dPas：可以认定玻璃结构已经固化或：可以认定玻璃结构已经固化或“冻结冻结”。特征粘度操作点特征粘度操作点压制的玻璃产品 (1)玻璃砖：隔音透光，防火保温，节能耐磨，兼顾稳定等特点，可以作为玻璃隔玻璃砖：隔音透光，防火保温，节能耐磨，兼顾稳定等特点，可以作为玻璃隔断，室内装饰，幕墙，地面装饰等。断，室内装饰，幕墙，地面装饰等。 压制的玻璃产品面

8、板材料液晶屏的原理 液晶屏液晶屏大都采用大都采用TFT（Thin Film Transistor）即薄膜场效）即薄膜场效应晶体管应晶体管液晶面板，目前最先进的液晶显示技术。由两片线性偏光器和液晶面板，目前最先进的液晶显示技术。由两片线性偏光器和一层液晶所构成。一层液晶所构成。 两片偏光器各自透过一个方向的光线，成两片偏光器各自透过一个方向的光线，成90度交叉度交叉放置。如果光线保持一个方向射入，必定只能通过某一片线性偏光器，放置。如果光线保持一个方向射入，必定只能通过某一片线性偏光器，而无法透过另一片，通常液晶屏保持黑色。两者之间维持一定的电压差，而无法透过另一片，通常液晶屏保持黑色。两者之间

9、维持一定的电压差，当电压差取消时，入射光线扭转当电压差取消时，入射光线扭转90度，顺利通过第二层偏光器，液晶屏度，顺利通过第二层偏光器，液晶屏即亮起来。即亮起来。 一般液晶屏主要由背光源、偏光板、玻璃基板液晶体、微彩色膜、玻一般液晶屏主要由背光源、偏光板、玻璃基板液晶体、微彩色膜、玻璃基板（含公共电极）、偏振片等部分组成。璃基板（含公共电极）、偏振片等部分组成。 液晶屏自身是不发光的，它需要借助背光灯管来实现发光，即灯管发液晶屏自身是不发光的，它需要借助背光灯管来实现发光，即灯管发出的光线通过液晶屏后透射出来，我们才能看清楚液晶屏上显示的内容。出的光线通过液晶屏后透射出来，我们才能看清楚液晶屏

10、上显示的内容。 液晶屏散光板通常是物理散光，好像就是一块毛玻璃。基本没有坏的可能。液晶屏散光板通常是物理散光，好像就是一块毛玻璃。基本没有坏的可能。压制的玻璃产品日用产品日用产品压制的玻璃产品艺术品艺术品如何判断玉石与玻璃仿制品的区别？ 一、真玉手感冰凉润滑。一、真玉手感冰凉润滑。 二、真玉的硬度比玻璃大，可以划花玻璃。二、真玉的硬度比玻璃大，可以划花玻璃。 三、水鉴别法三、水鉴别法 将一滴水滴在玉上，如成露珠状将一滴水滴在玉上，如成露珠状久不散开者真玉；水滴很快消失的是伪劣货。久不散开者真玉；水滴很快消失的是伪劣货。 四、视察法四、视察法 将玉器朝向光明处，如阳光、灯光将玉器朝向光明处，如阳

11、光、灯光处，如果颜色剔透、绿色均匀分布就是真玉。处，如果颜色剔透、绿色均匀分布就是真玉。 五、舌舐法五、舌舐法 舌尖舐真玉有涩的感觉；而假玉则舌尖舐真玉有涩的感觉；而假玉则无涩的感觉。无涩的感觉。 拉制的玻璃产品旅游景点 随温度升高，粘度随温度升高，粘度逐渐减小，据特征逐渐减小，据特征点确定操作温度。点确定操作温度。典型的温度典型的温度- -粘度曲线粘度曲线粘度随温度变化的解释 主要是熔体结构的变化。在玻璃熔体中，主要由硅氧四主要是熔体结构的变化。在玻璃熔体中，主要由硅氧四面体构成网络结构，在四面体群中存在较大的空隙，可以容面体构成网络结构，在四面体群中存在较大的空隙，可以容纳小型的离子或结构

12、单元穿插移动。纳小型的离子或结构单元穿插移动。 高温时，空隙相对较大、较多，有利于小型结构单元的高温时，空隙相对较大、较多，有利于小型结构单元的移动，表现为粘度下降；移动，表现为粘度下降； 温度下降时，空隙变小，结构单元移动受阻，而且小型温度下降时，空隙变小，结构单元移动受阻，而且小型四面体群结合为大型多面体群，网络结合程度加大，表现为四面体群结合为大型多面体群，网络结合程度加大，表现为粘度上升。粘度上升。举例举例： 高温下，R+和R2+能够较自由地移动，同时使氧离子极化和减弱硅氧键，从而使粘度下降； 当温度下降时， R+和R2+迁移能力降低，倾向于按照一定的配位关系处于某些多面体群中，并且R

13、2+还能够将一些小型四面体群结合成大四面体群，从而在一定程度上提高了玻璃的粘度。玻璃组成对粘度的影响玻璃组成对粘度的影响p氧硅比氧硅比p化学键强度化学键强度p离子的极化离子的极化p结构的对称性结构的对称性p配位数配位数1.氧硅比氧硅比(即网络结合程度即网络结合程度) 氧硅比增大，即氧的相对含量增大，如碱含量的提高，使氧硅比增大，即氧的相对含量增大，如碱含量的提高，使大型四面体群分解为小型四面体群，从而导致玻璃网络的结合大型四面体群分解为小型四面体群，从而导致玻璃网络的结合程度下降。程度下降。组成O:Si1400时粘度SiO22109Na2O2SiO22.528Na2OSiO230.162Na2

14、OSiO240.1 其他阴离子与硅的比值对粘度也有显著作用： 例如水（例如水（H2O）一般以）一般以OH-状态存在于玻璃结构中，状态存在于玻璃结构中，是玻璃中的阴离子与硅的比值增大，因此也能够降低是玻璃中的阴离子与硅的比值增大，因此也能够降低玻璃的粘度。从某种意义上说，水对四面体群起着解玻璃的粘度。从某种意义上说，水对四面体群起着解聚的作用聚的作用水中剪刀剪碎玻璃的极好解释水中剪刀剪碎玻璃的极好解释。 氟化物取代氧化物时（如氟化物取代氧化物时（如CaF2），由于阴离子与硅），由于阴离子与硅的比值增大，因此也有降低粘度的作用。的比值增大，因此也有降低粘度的作用。2.化学键强度 (1)在其他条件相

15、同的情况下，粘度随氧离子与氧的键力增大而增大。在其他条件相同的情况下，粘度随氧离子与氧的键力增大而增大。 (2)碱硅二元（碱硅二元（R2O-SiO2）系统中，当）系统中，当R2O含量较高，引起含量较高，引起O/Si比值比值很高时，硅氧四面体之间连接较少，处于岛状结构，四面体间靠很高时，硅氧四面体之间连接较少，处于岛状结构，四面体间靠R-O键力键力连接。因此，电场强度最大的连接。因此，电场强度最大的Li+可以产生相对较大的粘度，随着电场强度可以产生相对较大的粘度，随着电场强度的减弱，粘度按的减弱，粘度按Li2ONa2OK2O顺序依次递减。顺序依次递减。 (3)在加入配位数相同的阳离子情况下，各氧

16、化物取代在加入配位数相同的阳离子情况下，各氧化物取代SiO2后，后，R-O键键的键强越大，玻璃的粘度越大。的键强越大，玻璃的粘度越大。3.离子的极化 阳离子的极化力大，对硅氧键中氧离子的极化、变形大，减弱了硅氧键阳离子的极化力大，对硅氧键中氧离子的极化、变形大，减弱了硅氧键的作用，表现为使玻璃的粘度下降。比如的作用，表现为使玻璃的粘度下降。比如Pb2+、Cd2+等，以及一些过渡金等，以及一些过渡金属氧化物。因为过渡金属等阳离子，电子层结构不对称，在高于属氧化物。因为过渡金属等阳离子，电子层结构不对称，在高于Tg时容易时容易在结构中形成缺陷或不对称中心，因而导致粘度下降。在结构中形成缺陷或不对称

17、中心，因而导致粘度下降。 同样，在同样，在R2O-SiO2二元玻璃中，当二元玻璃中，当O/Si比值很低时，硅氧四面体之比值很低时，硅氧四面体之间连接紧密，此时极化力很大的间连接紧密，此时极化力很大的Li+的存在，可以减弱的存在，可以减弱Si-O-Si键的连接，键的连接，从而导致粘度下降。相比较而言，粘度下降的顺序按照从而导致粘度下降。相比较而言，粘度下降的顺序按照Li2ONa2OK2O的顺序依次递增。的顺序依次递增。含铅玻璃含铅玻璃的应用，如霓虹灯管、防辐射玻璃等。霓虹灯管目前主要三种：霓虹灯管目前主要三种：1.钠玻璃管钠玻璃管，此种玻璃稳定性差，受潮后易变质、泛碱，此种玻璃稳定性差，受潮后易

18、变质、泛碱(风化风化)，易爆裂，易爆裂，使用量使用量80%；2.铅玻璃管铅玻璃管，此种玻璃机械性能、光、电、化学等性能，以及使用寿命，此种玻璃机械性能、光、电、化学等性能，以及使用寿命均优于钠玻璃。目前国际上通用此种管，我国已达均优于钠玻璃。目前国际上通用此种管，我国已达20-30%。分重铅、。分重铅、中铅和轻铅三种。中铅和轻铅三种。3.彩色玻璃管，在拉制玻璃管时充入染料。彩色玻璃管，在拉制玻璃管时充入染料。铅玻璃的特性 （1 1）在高铅玻璃中，）在高铅玻璃中，PbOPbO形成一种螺旋形的链状结构，在玻形成一种螺旋形的链状结构，在玻璃中与璃中与SiOSiO4 4 通过顶角或共边相连接，形成一种

19、特殊的网络。从通过顶角或共边相连接，形成一种特殊的网络。从而导致而导致PbO-SiOPbO-SiO2 2系统具有很宽的玻璃形成区，并决定了氧化铅在系统具有很宽的玻璃形成区，并决定了氧化铅在硅酸盐熔体中的高度硅酸盐熔体中的高度助熔性助熔性。 （2 2）铅是重金属元素，核外电子层次多，离子半径大，电）铅是重金属元素，核外电子层次多，离子半径大，电子云容易变形，这些都决定了铅玻璃子云容易变形，这些都决定了铅玻璃电阻大，介电损耗小，折电阻大，介电损耗小，折射率和色散高，以及吸收高能辐射射率和色散高，以及吸收高能辐射等一系列特性。等一系列特性。4.结构的对称性 结构不对称，可能就会存在缺陷或不对称中心等

20、结构弱点，结构不对称，可能就会存在缺陷或不对称中心等结构弱点，因此使粘度下降。因此使粘度下降。 比如，虽然比如，虽然Si-O键和键和B-O键的键强处于同一数量级，但是石键的键强处于同一数量级，但是石英玻璃的粘度却比英玻璃的粘度却比B2O3玻璃大得多。这就是由于硼氧构成的三玻璃大得多。这就是由于硼氧构成的三元环中，键角可以较大改变，并且形成的层状结构复杂，所产元环中，键角可以较大改变，并且形成的层状结构复杂，所产生的不对称结构导致的。生的不对称结构导致的。5.配位数 配位状态对粘度有重要影响。配位状态对粘度有重要影响。 （1）这方面）这方面B2O3的表现特别明显。以的表现特别明显。以Na2O-B

21、2O3-SiO2体系为例，当体系为例，当B2O3含量较低时，即含量较低时，即Na2O/B2O31时，硼处于时，硼处于BO4中，玻璃网络结构紧密，粘度上升；当中，玻璃网络结构紧密，粘度上升；当B2O3含量逐渐增大，至含量逐渐增大，至Na2O/B2O31时，增加的硼处时，增加的硼处于于BO3中，使结构疏松，粘度下降。中，使结构疏松，粘度下降。 （2）电荷相同，阳离子配位数越大，对硅氧基团的积）电荷相同，阳离子配位数越大，对硅氧基团的积聚作用越大，导致玻璃粘度越大。聚作用越大，导致玻璃粘度越大。 对粘度产生影响的因素总结：温度。温度越高，玻璃的粘度越小。反之，越大；温度。温度越高，玻璃的粘度越小。反之，越大；组成。组成。SiO2、Al2O3、ZrO2等提高粘度；等提高粘度；碱金属氧化物降低粘度；碱金属氧化物降低粘度；碱土金属氧化物有双重作用：一方面使大型四面体群解碱土金属氧化物有双重作用：一方面使大型四面体群解聚，降低粘度；另一方面，夺取氧离子，积聚在自身周围，聚，降低粘度；另一方面，夺取氧离子，积聚在自身周围，使粘度增大。使粘度增大。PbO、CdO、SnO及过渡金属氧化物等降低粘度。及过渡金属氧化物等降低粘度。