浅谈玻璃的机械性能和表面性质

发布日期: 2018-07-11
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1.玻璃表面张力的物理与工艺意义

  玻璃表面张力指玻璃与另一相接触的相分界面上(一般指空气),在恒温、恒容下增加一个单位表面时所做的功,单位为N/m和J/m2.硅酸盐玻璃的表面张力为(200―380)*10-3N/m.玻璃的表面张力在玻璃的澄清、均化、成型、玻璃液与耐火材料相互作用等过程中起着重要的作用.
2.玻璃表面张力与组成及温度的关系
各种氧化物对玻璃的表面张力有不同的影响,如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表面张力.K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量较大,则能大大降低表面张力.同时,Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多时也能降低表面张力.

组成氧化物对玻璃熔体与空气界面上表面张力的影响可分为三类.第"类组成氧化物对表面张力的影响关系,符合加和性法则.

浅谈玻璃的机械性能和表面性质

第Ⅱ类和第Ⅲ类组成氧化物对熔体的表面张力的关系是组成的复合函数,不符合加和性法则.由于这些组成的吸附作用,表面层的组成与蒋体内的组成是不同的.
氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6,硫酸盐如芒硝,氯化物如NaCl等都能显著地降低玻璃的表面张力,因此,这些化合物的加入,均有利于玻璃的澄清和均化.
表面张力随着温度的升高而降低,二者几乎成直线关系,实际上可认为,当温度提高100℃时表面张力减少1%,然而在表面活性组分及一些游离的氧化物存在的情况下,表面张力能随温度升高而稍微增加.
3.玻璃的力学性能
3.1玻璃的理论强度和实际强度
一般用抗压强度、抗折强度、抗张强度和抗冲击强度等指标表示玻璃的机械强度.玻璃以其抗压强度高、硬度高而得到广泛应用,也因其抗张强度与抗折强度不高,脆性大而使其应用受到一定的限制.
玻璃的理论强度按照Orowan假设计算为11.76GPa,表面无严重缺陷的玻璃纤维,其平均强度可达686MPa.玻璃的抗张强度一般在 34.3―83.3MPa之间,而抗压强度一般在4.9――1.96GPa之间.但实际玻璃的抗折强度只有6.86MPa,比理论强度小2―3个数量级.这是由于实际玻璃中存在有微裂纹(尤其是表面微裂纹)和不均匀区(分相等)所致.
目前常采用的提高玻璃机械强度的方法主要有退火、钢化、表面处理与涂层、微晶化、与其它材料制成复合材料等.这些方法能使玻璃的强度增加几倍甚至十几倍.
3.1.1玻璃强度与化学组成的关系.
不同化学组成的玻璃结构间的键强也不同,从而影响玻璃的机械强度.石英玻璃的强度最高.各种氧化物对玻璃抗张强度的提高作用顺序是:CSO>B2O3>BaO>Al2O3>PbO>K2O>Na2O>(MgO、FC2O3)
各组成氧化物对玻璃抗压强度提高作用的顺序是:Al2O3>(MgO、SiO2、ZnO)> B2O3>Fe2O3>( B2O3、Cao、PbO)
3.1.2玻璃中的缺陷.
宏观缺陷如固态夹杂物、气态夹杂物、化学不均匀等,由于其化学组成与主体玻璃不一致而造成内应力.同时,一些微观缺陷(如点缺陷、局部析晶、晶界等)常常在宏观缺陷的地方集中,而导致玻璃产生微裂纹,严重影响玻璃的强度.
3.1.3温度.
在不同的温度下玻璃的强度不同,根据对-20℃―500℃范围内的测量结果可知,强度最低值位于200℃左右.
一般认为,随着温度的升高,热起伏现象增加,使缺陷处积聚了更多的应变能,增加了破裂的几率.当温度高于200℃时,由于玻璃粘滞性流动增加,使微裂纹的裂口钝化,缓和了应力作用,从而使玻璃强度增大.
3.1.4玻璃中的应力.
玻璃中的残余应力,特别是分布不均匀的残余应力,使强度大为降低.然而,玻璃进行钢化后,表面存在压应力,内部存在张应力,而且是有规则的均匀分布,所以玻璃强度得以提高.
3.2玻璃的硬度
硬度是表示物体抵抗其他物体侵人的能力.硬度的表示方法甚多,有莫氏硬度、显微硬度、研磨硬度和刻划硬度,玻璃的莫氏硬度为5―7.玻璃的硬度决定于组成原子的半径、电荷大小和堆积密度,网络生成体离子使玻璃具有硬度,而网络外体离子则使玻璃硬度降低.各种组成对玻璃硬度提高的作用大致为:SiO2〉SiO2(MgO、ZnO、 BaO)〉Al2O3> Fe2O3> K2O>Na2O> PbO,玻璃的硬度随着温度的升高而降低.
3.3玻璃的脆性
玻璃的脆性是指当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的特性.玻璃的脆性通常用它被破坏时所受到的冲击强度来表示.冲击强度的测定值与试样厚度及样品的热历史有关,淬火玻璃的冲击强度较退火玻璃大5―7倍.
3.4玻璃的弹性
在近代技术中玻璃愈来愈广泛地被用作结构材料,因此对玻璃的弹性进行研究也日益增长.高空高速飞行需要具有一定刚度的高弹性模量材料,高功率激光通过玻璃介质时所产生的结构压缩和松弛会导致密度和折射率的变化等.弹性已成为玻璃的一项重要物理性质.
4.玻璃的密度与密度计算
4.1玻璃的密度
玻璃的密度表示玻璃单位体积的质量,主要决定于玻璃的化学组成、温度和热历史,也与玻璃的原子堆积紧密程度、配位数有关,是表征      玻璃的密度与化学组成关系密切.玻璃组成不同密度相差很大.各种玻璃制品中,石英玻璃的密度最小,为2000kg/m3,普通钠钙硅玻璃为2500―2600kg/m3.而含有PbO、Bi2O3、Ta2O5、WO3的玻璃密度可达6000kg/m3.甚至某些防辐射玻璃的密度可高达8000kg/m3.
玻璃的密度随温度升高而下降.一般工业玻璃,当温度由20℃升高1300℃时,密度下降约为6%―12%,在弹性形变范围内,密度的下降与玻璃的热膨胀系数有关.
玻璃的热历史是指玻璃从高温冷却,通过Tf―Tn区域时的经历,包括在该区域停留时间和冷却速度等具体情况在内.热历史影响到固体玻璃结构以及与结构有关的许多性质.其对玻璃密度影响为:
4.1.1玻璃从高温状态冷却时,淬冷玻璃的密度比退火玻璃的小.
4.1.2在一定退火温度下保温一定时间后,玻璃密度趋向平衡.
4.1.3冷却速度越快,偏离平衡密度越多,其Tg值也越高.所以,在生产上退火质量的好坏可在密度上明显地反映出来.
在玻璃生产中常出现事故,如配方计算错误、配合料称量差错、原料化学组成波动等,这些均可引起玻璃密度的变化.因此,玻璃工厂常将测定密度作为控制玻璃生产的手段.


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