玻璃工艺学讲义课件.ppt

1、上页下页返回玻玻 璃璃 工工 艺艺 学学上页下页返回一、玻璃的发展简史一、玻璃的发展简史原始社会末期开始使用玻璃；原始社会末期开始使用玻璃；5000多年多年学会制造玻璃（埃及古墓）；学会制造玻璃（埃及古墓）；3500年前年前中国殷商时期的瓷器有中国殷商时期的瓷器有“素肌玉骨素肌玉骨”之称之称；2000年前年前罗马人用砖砌筑小池熔化玻璃，玻璃透明罗马人用砖砌筑小池熔化玻璃，玻璃透明；700年前年前15世纪世纪世界玻璃制造中心在威尼斯，玻璃厂世界玻璃制造中心在威尼斯，玻璃厂集中于穆兰诺岛集中于穆兰诺岛；1615年年英国汤姆以煤炭为燃料的坩埚熔制技术英国汤姆以煤炭为燃料的坩埚熔制技术；1675年年英

2、国人拉文斯克罗夫制成含氧化铅的火石玻璃英国人拉文斯克罗夫制成含氧化铅的火石玻璃（中国战国时期出现铅钡玻璃）（中国战国时期出现铅钡玻璃）；1688年年法国人路易发明浇铸法法国人路易发明浇铸法；上页下页返回 1790年年瑞士人发明搅拌法；瑞士人发明搅拌法；1881年年德国人阿贝和肖特合作研究光学玻璃，奠定了德国人阿贝和肖特合作研究光学玻璃，奠定了玻璃科学基础玻璃科学基础；19世纪中期世纪中期发生炉煤气、蓄热室发生炉煤气、蓄热室池窑池窑得以应用，开始得以应用，开始出现蒸汽机。；出现蒸汽机。；1903年年机械吹筒法机械吹筒法；1913年年比利时比利时弗克法弗克法建厂，建厂，1922年传入中国年传入中国

3、；1916年年美国人美国人柯尔本法柯尔本法建厂，七十年代传入中国建厂，七十年代传入中国；1925年年美国美国皮兹堡法皮兹堡法建厂，六十年代传入中国建厂，六十年代传入中国；1959年年浮法浮法研制成功，研制成功，1962年建厂年建厂；1971年年洛阳浮法投产；洛阳浮法投产；上页下页返回二、玻璃研制方面的特点二、玻璃研制方面的特点 成份的变化成份的变化 形状的变化形状的变化 玻璃态的变化玻璃态的变化 玻璃的功能变化玻璃的功能变化 玻璃的制备工艺玻璃的制备工艺上页下页返回三、我国玻璃发展概况三、我国玻璃发展概况平板玻璃的发展：平板玻璃的发展：1971年，洛阳平板玻璃浮法工艺研制成功年，洛阳平板玻璃浮

4、法工艺研制成功 引进合资的浮法玻璃生产线：引进合资的浮法玻璃生产线：上海匹尔金顿上海匹尔金顿 大型浮法玻璃厂大型浮法玻璃厂 广东广东PPG浮法玻璃厂浮法玻璃厂 一条薄片控制生产线，一条薄片控制生产线，0.51.3mm 2006年我国平板玻璃总产量达年我国平板玻璃总产量达4.39亿重量箱，可亿重量箱，可生产玻璃厚度生产玻璃厚度1.050mm 特种玻璃的发展：特种玻璃的发展：上页下页返回 日用玻璃：日用玻璃：瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品等。瓶罐、器皿、保温瓶、工艺美术品等。建筑玻璃：建筑玻璃：窗玻璃、窗玻璃、平板玻璃平板玻璃、空心玻璃砖、隔声、空心玻璃砖、隔声、隔热的泡沫玻璃等。钢化玻璃、磨光玻

5、璃、夹层玻璃隔热的泡沫玻璃等。钢化玻璃、磨光玻璃、夹层玻璃等装配着各种运输工具。等装配着各种运输工具。电真空玻璃和照明玻璃电真空玻璃和照明玻璃：需要其具有透明、气密、：需要其具有透明、气密、绝缘等特性，是制造电子管、电视机、电灯等不可取绝缘等特性，是制造电子管、电视机、电灯等不可取代的。代的。四、玻璃的种类四、玻璃的种类上页下页返回 光学玻璃：光学玻璃：用于生产显微镜、望远镜、照相用于生产显微镜、望远镜、照相机等各种复杂的光学仪器。机等各种复杂的光学仪器。试验用具试验用具：化学仪器、温度计等。：化学仪器、温度计等。玻璃纤维玻璃纤维：以及与各种树脂制成的玻璃钢。：以及与各种树脂制成的玻璃钢。上页

6、下页返回五、玻璃的基础研究五、玻璃的基础研究 玻璃的结构玻璃的结构 玻璃的形成、分相与析晶玻璃的形成、分相与析晶 功能玻璃的能量转换与失效机理功能玻璃的能量转换与失效机理 有机无机材料（有机改性硅酸盐）有机无机材料（有机改性硅酸盐）上页下页返回六、本课程研究的内容六、本课程研究的内容 了解玻璃的了解玻璃的组成结构性能组成结构性能之间之间的依从关系的依从关系 玻璃的形成玻璃的形成 玻璃工艺过程玻璃工艺过程上页下页返回玻璃的定义与结构玻璃的定义与结构u 玻璃的定义玻璃的定义u 玻璃的特性和转变玻璃的特性和转变u 玻璃的结构玻璃的结构u 玻璃组成、结构、性能之间的关系玻璃组成、结构、性能之间的关系u

7、 玻璃结构的研究方法玻璃结构的研究方法上页下页返回l 玻璃的定义玻璃的定义上页下页返回1、无定形固体、无定形固体2、无机熔融物、无机熔融物3、物理化学观点：凝固的、物理化学观点：凝固的过冷液体过冷液体4、无机非晶态固体中最重要的一族，其、无机非晶态固体中最重要的一族，其结构特点是结构特点是近程有序、远程无序近程有序、远程无序什么是玻璃？什么是玻璃？上页下页返回 玻璃是熔融、冷却、固化的非结晶（在特玻璃是熔融、冷却、固化的非结晶（在特定条件下也可能成为晶态）无机物。定条件下也可能成为晶态）无机物。玻璃的定义：玻璃的定义：广义玻璃的定义：广义玻璃的定义：结构上完全表现为长程无序的，性能上具有结构上

8、完全表现为长程无序的，性能上具有玻璃转变特性玻璃转变特性的非晶态固体。的非晶态固体。上页下页返回一、玻璃的特性（玻璃的通性）一、玻璃的特性（玻璃的通性）1、各向同性、各向同性2、无固定熔点无固定熔点3、介稳性、介稳性4、渐变性与可逆性、渐变性与可逆性l 玻璃的特性与转变玻璃的特性与转变上页下页返回介稳性介稳性 思考题思考题1：为什么玻璃在常温时能以介稳状为什么玻璃在常温时能以介稳状态稳定存在？态稳定存在？上页下页返回可逆性可逆性上页下页返回渐变性渐变性上页下页返回二、玻璃的转变二、玻璃的转变1、定义：、定义：熔融状态冷凝到固态玻璃，或其相反的熔融状态冷凝到固态玻璃，或其相反的过程。过程。动力学

9、条件：动力学条件：自身结构调整因素（结构调整速度）自身结构调整因素（结构调整速度）动力学因素（冷却、加热速度）动力学因素（冷却、加热速度）上页下页返回2、玻璃的、玻璃的“转变温度区转变温度区”TgTf上页下页返回Tg：玻璃转变温度（转变点），玻璃转变温度（转变点），1012PaS；“退火区域退火区域”：10121013.5PaSTf：玻璃软化温度（软化点），玻璃软化温度（软化点），10810PaS。上页下页返回假想温度：假想温度：在转变温度区间内，某一温度下，玻璃熔体在转变温度区间内，某一温度下，玻璃熔体有对应于该有对应于该温度温度的平衡结构。的平衡结构。上页下页返回（1）玻璃的热历史（热处理

10、过程）玻璃的热历史（热处理过程）指玻璃从高温液态冷却，通过指玻璃从高温液态冷却，通过转变温度转变温度区域区域和和退火温度区域退火温度区域的经历。的经历。2、玻璃转变的影响因素、玻璃转变的影响因素上页下页返回热历史对玻璃热谱的影响热历史对玻璃热谱的影响上页下页返回热历史对玻璃达到平衡结构的速度的影响热历史对玻璃达到平衡结构的速度的影响（1）自）自542迅速冷却迅速冷却至至532；（2）自自522迅速加热迅速加热至至532上页下页返回热历史对玻璃性能的影响热历史对玻璃性能的影响上页下页返回（2）玻璃的热现状）玻璃的热现状 上页下页返回l 玻璃的结构玻璃的结构u 晶子学说晶子学说u 无规则网络学说无

11、规则网络学说 思考题思考题2：玻璃结构的两大主要学说的论点、玻璃结构的两大主要学说的论点、论据及学说的重点是什么？玻璃结构的特点是论据及学说的重点是什么？玻璃结构的特点是什么？什么？一、玻璃的结构理论一、玻璃的结构理论上页下页返回玻璃的四个基本结构参数：玻璃的四个基本结构参数：X 每个多面体中非桥氧离子的平均数；每个多面体中非桥氧离子的平均数；Y 每个多面体中桥氧离子的平均数；每个多面体中桥氧离子的平均数；Z 每个多面体氧离子的总数（即配位数）；每个多面体氧离子的总数（即配位数）；R 玻璃中氧离子总数与网络形成离子的总玻璃中氧离子总数与网络形成离子的总 数之比数之比SiOO2网络形成剂离子数数

12、全部RRYXZYX21RZYZRX222或或例：例：1）SiO2：2）232231SiOOAlONa上页下页返回Y又称为又称为结构参数结构参数，玻璃的很多性质取决于，玻璃的很多性质取决于Y值。值。Y值减小，热膨胀系数值减小，热膨胀系数增大，电导升高，粘度下降：增大，电导升高，粘度下降：Y值越高，值越高，越大，玻璃形成能力越强越大，玻璃形成能力越强Y值值 335kJ/mol配位数：配位数：阳离子阳离子F的是的是3或或4；阴离子阴离子O2-的配位数是的配位数是2。配位多面体：配位多面体：FO4或或FO3顶角相连。顶角相连。能单独生成玻璃能单独生成玻璃，如：，如：SiO2、B2O3、P2O5、GeO

13、2、As2O5等等F：网络生成体离子：网络生成体离子上页下页返回不能单独生成玻璃，不参加网络，一般不能单独生成玻璃，不参加网络，一般处于网络之外处于网络之外。如：。如：Li2O、Na2O、K2O、CaO、BaO、ZrO2等。等。2、网络外体氧化物、网络外体氧化物M：网络外体离子：网络外体离子M-O键：键：离子键离子键电场强度电场强度：较小，：较小，单键能单键能：251kJ/mol配位数配位数：6。上页下页返回各种氧化物给出游离氧的本领（各种氧化物给出游离氧的本领（K）上页下页返回一般不能单独生成玻璃，其作用一般不能单独生成玻璃，其作用介于网络生成介于网络生成体和网络外体之间体和网络外体之间。常

14、见的有：。常见的有：BeO、(MgO)、ZnO、Al2O3、Ga2O3、TiO2等。等。3、中间体氧化物、中间体氧化物I：中间体离子：中间体离子I-O键：键：离子键性，具有一定的共价性离子键性，具有一定的共价性单键能单键能：251.2334.9kJ/mol配位数配位数：一般为：一般为6，夺取游离氧后配位数可以变成夺取游离氧后配位数可以变成4上页下页返回 在含有不止一种中间体氧化物的复杂系统中，在含有不止一种中间体氧化物的复杂系统中，当游离氧不足时，中间体离子大致按下列次序进当游离氧不足时，中间体离子大致按下列次序进入网络：入网络：BeO4AlO4GaO4BO4TiO4ZnO4 离子多面体的体积

15、（离子多面体的体积（Vm）大小次序为：）大小次序为：BO4 SiO4 GeO4 AlO4上页下页返回二、结构因素对玻璃性质的影响二、结构因素对玻璃性质的影响1.氧硅比对结构的影响氧硅比对结构的影响2.阳离子配位状态的影响阳离子配位状态的影响3.离子极化的影响离子极化的影响4.离子堆积与排列的影响离子堆积与排列的影响5.亚稳分相的影响亚稳分相的影响1、氧硅比对结构的影响（、氧硅比对结构的影响（硅氧骨架的结合程度硅氧骨架的结合程度）R(O/Si)Y242.533213.540上页下页返回逆性玻璃：逆性玻璃：如果玻璃中同时存在两种以上金属离子，如果玻璃中同时存在两种以上金属离子，且他们的大小和所带电

16、荷不相同时，即使且他们的大小和所带电荷不相同时，即使Y2（f0.33）也能制成玻璃，这构成了结构上的）也能制成玻璃，这构成了结构上的逆性，并且其某些性能会随着金属离子数的增逆性，并且其某些性能会随着金属离子数的增大而变好，一般这种玻璃称为大而变好，一般这种玻璃称为逆性玻璃。逆性玻璃。上页下页返回上页下页返回2、阳离子配位状态的影响、阳离子配位状态的影响一价碱金属离子一价碱金属离子R+二价碱土金属氧化物二价碱土金属氧化物RO场强大的阳离子场强大的阳离子上页下页返回双碱效应（混合碱效应、中和效应）：双碱效应（混合碱效应、中和效应）：在硅酸盐熔体或玻璃中，在硅酸盐熔体或玻璃中，R2O总量不变，总量不

17、变，由一种由一种R2O 部分取代另外一种部分取代另外一种R2O时，玻时，玻璃的某些性质不是呈线性变化、而是出现璃的某些性质不是呈线性变化、而是出现明显的极值，这就是明显的极值，这就是双碱效应双碱效应。上页下页返回双碱效应双碱效应上页下页返回压制效应：压制效应：在固态玻璃中，在固态玻璃中，RO置换置换R2O-SiO2系系统中部分统中部分SiO2（R2O-RO-SiO2），），R2O中中R离子扩散系数变小，即二价阳离子离子扩散系数变小，即二价阳离子R2对一价阳离子对一价阳离子R的压制作用。的压制作用。3、离子极化的影响、离子极化的影响上页下页返回4、离子堆积与排列的影响、离子堆积与排列的影响玻璃中的空隙玻璃中的空隙上页下页返回上页下页返回5、亚稳分相的影响、亚稳分相的影响上页下页返回玻璃结构的研究方法玻璃结构的研究方法上页下页返回