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玻璃的機械性能和表面性質(zhì)

編輯:【?谖骱赇摶Aв邢薰尽 更新時間:【2013/03/22】 瀏覽次數(shù):【2366】

1.玻璃表面張力的物理與工藝意義
    玻璃表面張力指玻璃與另一相接觸的相分界面上(一般指空氣),在恒溫、恒容下增加一個單位表面時所做的功,單位為N/m和J/m2。硅酸鹽玻璃的表面張力為(200―380)*10-3N/m。玻璃的表面張力在玻璃的澄清、均化、成型、玻璃液與耐火材料相互作用等過程中起著重要的作用。
    2.玻璃表面張力與組成及溫度的關(guān)系
    各種氧化物對玻璃的表面張力有不同的影響,如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表面張力。K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量較大,則能大大降低表面張力。同時,Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多時也能降低表面張力。
    組成氧化物對玻璃熔體與空氣界面上表面張力的影響可分為三類。第"類組成氧化物對表面張力的影響關(guān)系,符合加和性法則.
    第Ⅱ類和第Ⅲ類組成氧化物對熔體的表面張力的關(guān)系是組成的復(fù)合函數(shù),不符合加和性法則。由于這些組成的吸附作用,表面層的組成與蔣體內(nèi)的組成是不同的。
    氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6,硫酸鹽如芒硝,氯化物如NaCl等都能顯著地降低玻璃的表面張力,因此,這些化合物的加入,均有利于玻璃的澄清和均化。
    表面張力隨著溫度的升高而降低,二者幾乎成直線關(guān)系,實際上可認(rèn)為,當(dāng)溫度提高100℃時表面張力減少1%,然而在表面活性組分及一些游離的氧化物存在的情況下,表面張力能隨溫度升高而稍微增加。
    3.玻璃的力學(xué)性能
    3.1玻璃的理論強度和實際強度
    一般用抗壓強度、抗折強度、抗張強度和抗沖擊強度等指標(biāo)表示玻璃的機械強度。玻璃以其抗壓強度高、硬度高而得到廣泛應(yīng)用,也因其抗張強度與抗折強度不高,脆性大而使其應(yīng)用受到一定的限制。
    玻璃的理論強度按照Orowan假設(shè)計算為11.76GPa,表面無嚴(yán)重缺陷的玻璃纖維,其平均強度可達686MPa。玻璃的抗張強度一般在 34.3―83.3MPa之間,而抗壓強度一般在4.9――1.96GPa之間。但實際玻璃的抗折強度只有6.86MPa,比理論強度小2―3個數(shù)量級。這是由于實際玻璃中存在有微裂紋(尤其是表面微裂紋)和不均勻區(qū)(分相等)所致。
    目前常采用的提高玻璃機械強度的方法主要有退火、鋼化、表面處理與涂層、微晶化、與其它材料制成復(fù)合材料等。這些方法能使玻璃的強度增加幾倍甚至十幾倍。
    3.1.1玻璃強度與化學(xué)組成的關(guān)系。
    不同化學(xué)組成的玻璃結(jié)構(gòu)間的鍵強也不同,從而影響玻璃的機械強度。石英玻璃的強度最高。各種氧化物對玻璃抗張強度的提高作用順序是:CSO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>(MgO、FC2O3)
    各組成氧化物對玻璃抗壓強度提高作用的順序是:Al2O3>(MgO、SiO2、ZnO)> B2O3>Fe2O3>( B2O3、Cao、PbO)
    3.1.2玻璃中的缺陷。
    宏觀缺陷如固態(tài)夾雜物、氣態(tài)夾雜物、化學(xué)不均勻等,由于其化學(xué)組成與主體玻璃不一致而造成內(nèi)應(yīng)力。同時,一些微觀缺陷(如點缺陷、局部析晶、晶界等)常常在宏觀缺陷的地方集中,而導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生微裂紋,嚴(yán)重影響玻璃的強度。
    3.1.3溫度。
    在不同的溫度下玻璃的強度不同,根據(jù)對-20℃―500℃范圍內(nèi)的測量結(jié)果可知,強度最低值位于200℃左右。
    一般認(rèn)為,隨著溫度的升高,熱起伏現(xiàn)象增加,使缺陷處積聚了更多的應(yīng)變能,增加了破裂的幾率。當(dāng)溫度高于200℃時,由于玻璃粘滯性流動增加,使微裂紋的裂口鈍化,緩和了應(yīng)力作用,從而使玻璃強度增大。
    3.1.4玻璃中的應(yīng)力。
    玻璃中的殘余應(yīng)力,特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力,使強度大為降低。然而,玻璃進行鋼化后,表面存在壓應(yīng)力,內(nèi)部存在張應(yīng)力,而且是有規(guī)則的均勻分布,所以玻璃強度得以提高。
    3.2玻璃的硬度
    硬度是表示物體抵抗其他物體侵人的能力。硬度的表示方法甚多,有莫氏硬度、顯微硬度、研磨硬度和刻劃硬度,玻璃的莫氏硬度為5―7。玻璃的硬度決定于組成原子的半徑、電荷大小和堆積密度,網(wǎng)絡(luò)生成體離子使玻璃具有硬度,而網(wǎng)絡(luò)外體離子則使玻璃硬度降低。各種組成對玻璃硬度提高的作用大致為:SiO2〉SiO2(MgO、ZnO、 BaO)〉A(chǔ)l2O3> Fe2O3> K2O>Na2O> PbO,玻璃的硬度隨著溫度的升高而降低。
    3.3玻璃的脆性
    玻璃的脆性是指當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強度時立即破裂的特性。玻璃的脆性通常用它被破壞時所受到的沖擊強度來表示。沖擊強度的測定值與試樣厚度及樣品的熱歷史有關(guān),淬火玻璃的沖擊強度較退火玻璃大5―7倍。
    3.4玻璃的彈性
    在近代技術(shù)中玻璃愈來愈廣泛地被用作結(jié)構(gòu)材料,因此對玻璃的彈性進行研究也日益增長。高空高速飛行需要具有一定剛度的高彈性模量材料,高功率激光通過玻璃介質(zhì)時所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)壓縮和松弛會導(dǎo)致密度和折射率的變化等。彈性已成為玻璃的一項重要物理性質(zhì)。
    4.玻璃的密度與密度計算
    4.1玻璃的密度
    玻璃的密度表示玻璃單位體積的質(zhì)量,主要決定于玻璃的化學(xué)組成、溫度和熱歷史,也與玻璃的原子堆積緊密程度、配位數(shù)有關(guān),是表征      玻璃的密度與化學(xué)組成關(guān)系密切。玻璃組成不同密度相差很大。各種玻璃制品中,石英玻璃的密度最小,為2000kg/m3,普通鈉鈣硅玻璃為2500―2600kg/m3。而含有PbO、Bi2O3、Ta2O5、WO3的玻璃密度可達6000kg/m3。甚至某些防輻射玻璃的密度可高達8000kg/m3。
    玻璃的密度隨溫度升高而下降。一般工業(yè)玻璃,當(dāng)溫度由20℃升高1300℃時,密度下降約為6%―12%,在彈性形變范圍內(nèi),密度的下降與玻璃的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。
    玻璃的熱歷史是指玻璃從高溫冷卻,通過Tf―Tn區(qū)域時的經(jīng)歷,包括在該區(qū)域停留時間和冷卻速度等具體情況在內(nèi)。熱歷史影響到固體玻璃結(jié)構(gòu)以及與結(jié)構(gòu)有關(guān)的許多性質(zhì)。其對玻璃密度影響為:
    4.1.1玻璃從高溫狀態(tài)冷卻時,淬冷玻璃的密度比退火玻璃的小。
    4.1.2在一定退火溫度下保溫一定時間后,玻璃密度趨向平衡。
    4.1.3冷卻速度越快,偏離平衡密度越多,其Tg值也越高。所以,在生產(chǎn)上退火質(zhì)量的好壞可在密度上明顯地反映出來。
    在玻璃生產(chǎn)中常出現(xiàn)事故,如配方計算錯誤、配合料稱量差錯、原料化學(xué)組成波動等,這些均可引起玻璃密度的變化。因此,玻璃工廠常將測定密度作為控制玻璃生產(chǎn)的手段。

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