1、 基礎理論課程基礎理論課程玻璃玻璃 介紹介紹 主要內容主要內容 1.玻璃是什么及玻璃結構玻璃是什么及玻璃結構. 2.玻璃三個主要特性玻璃三個主要特性. 3.玻璃種類玻璃種類. 4.玻璃粘度玻璃粘度. 5.玻璃主要成分玻璃主要成分. 6.熱導率熱導率. 7.電導率電導率. 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力. 9.玻璃機械強度玻璃機械強度. 10.玻璃表面張力玻璃表面張力. 11.有關玻璃其它方面的一些理論知識有關玻璃其它方面的一些理論知識. 1.玻璃是什么及玻璃結構玻璃是什么及玻璃結構 1.玻璃是什么玻璃是什么? 玻璃在幾千年前就在自然界中被發現物質玻璃在幾千年前就在自然界中被發現物質,有著廣泛的應

2、用有著廣泛的應用.在一些情況下在一些情況下,如果液如果液 體的冷卻速度非常快體的冷卻速度非常快,液體或變的很粘液體或變的很粘,不同的粒子流動性很低不同的粒子流動性很低,這樣就失去規則結這樣就失去規則結 構構,象這樣的材料稱之為玻璃象這樣的材料稱之為玻璃. 玻璃是不規則的結構、非晶體并且是不均勻的玻璃是不規則的結構、非晶體并且是不均勻的.玻璃在加熱后化學鍵在不同的時玻璃在加熱后化學鍵在不同的時 間內斷開間內斷開. 不同的材料有不同的結構不同的材料有不同的結構,如食鹽或金屬其基礎結構是立方體如食鹽或金屬其基礎結構是立方體,是規則的結構、結是規則的結構、結 晶體并且是均勻的晶體并且是均勻的.金屬在加

3、熱后化學鍵在相同的時間內斷開金屬在加熱后化學鍵在相同的時間內斷開. 玻璃結構玻璃結構: 1.玻璃是什么及玻璃結構玻璃是什么及玻璃結構 1.什么是理想的晶體結構什么是理想的晶體結構?(也稱規則結構也稱規則結構). 當結晶速度大于冷卻速度時就可以形成理想的晶體結構當結晶速度大于冷卻速度時就可以形成理想的晶體結構,也稱規則結也稱規則結 構構,反之就形成不理想的非晶體結構反之就形成不理想的非晶體結構,也稱不規則結構也稱不規則結構. 規則結構規則結構: 不規則結構不規則結構: 1.玻璃結構玻璃結構 溫度溫度 熔化點熔化點 固體固體 液體液體 玻璃玻璃 金屬金屬 2.玻玻 璃璃 三個主要特性三個主要特性

4、1.玻璃有哪三個主要特性玻璃有哪三個主要特性 ? 玻璃沒有固定的熔點玻璃沒有固定的熔點,只有一個熔解范圍只有一個熔解范圍. 玻璃在低溫下是熱的不良導體玻璃在低溫下是熱的不良導體.玻璃在高溫下是熱的良導體玻璃在高溫下是熱的良導體. 玻璃有很高的表面張力玻璃有很高的表面張力. 3.玻璃種類玻璃種類 1.玻璃的種類有哪些玻璃的種類有哪些 ? 玻璃的種類有三大類玻璃的種類有三大類: 軟料玻璃、硬料玻璃和軟料玻璃、硬料玻璃和石英玻璃或二氧化石英玻璃或二氧化 硅玻璃硅玻璃. 軟料玻璃包括軟料玻璃包括:石灰料玻璃和鉛玻璃石灰料玻璃和鉛玻璃. 軟料玻璃膨脹系數軟料玻璃膨脹系數:=90- 100X10-7/度度

5、 硬料玻璃包括硬料玻璃包括:硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃. 硬料玻璃膨脹系數硬料玻璃膨脹系數:=35-40 X10-7/度度 石英玻璃或二氧化硅玻璃膨脹系數石英玻璃或二氧化硅玻璃膨脹系數:=6.5X10-7/度度 3-1.石灰料玻璃石灰料玻璃 1.石灰料玻璃的主要成分是那些石灰料玻璃的主要成分是那些? 71%的二氧化硅的二氧化硅,玻璃生成體玻璃生成體.17%的氧化鈉的氧化鈉,軟化劑軟化劑.5%的氧化鈣的氧化鈣, 增加化學耐用性增加化學耐用性. 2.主要運用主要運用:室內光源的玻殼室內光源的玻殼.(例如例如:GLS及及TL) 3.主要規格主要規格:(1)290蘇打石灰料玻

6、璃蘇打石灰料玻璃. (2)291鉛玻璃鉛玻璃. (3)203玻璃玻璃. (4)241玻璃玻璃. (5)320玻璃防風化玻璃玻璃防風化玻璃. (由于天氣因素造成腐蝕由于天氣因素造成腐蝕,如高的濕度弱化玻璃如高的濕度弱化玻璃,使玻璃表使玻璃表 面模糊面模糊). 3-2.鉛玻璃鉛玻璃 1.鉛玻璃的主要成分是那些鉛玻璃的主要成分是那些? 62%的二氧化硅的二氧化硅,玻璃生成體玻璃生成體.21%的氧化鉛的氧化鉛,增加防電解能力增加防電解能力.7% 的氧化鈉和的氧化鈉和,7%的氧化鉀的氧化鉀. 2.主要運用主要運用:室內光源的燈芯和汽車燈室內光源的燈芯和汽車燈. 3.主要規格主要規格: (1)01玻璃玻璃

7、(30%氧化鉛氧化鉛) (2)78玻璃玻璃(36%氧化鉛氧化鉛) (3)291玻璃玻璃(21%氧化鉛氧化鉛)燈泡應用中的標準玻璃燈泡應用中的標準玻璃. 備注備注:由于環境因素由于環境因素,現在許多工廠換用現在許多工廠換用360玻璃玻璃,是一種無鉛玻璃是一種無鉛玻璃 里面鉛的功能用鋇來代替里面鉛的功能用鋇來代替,有時指的是鋇玻璃有時指的是鋇玻璃. 3-3.硼硅酸鹽玻璃硼硅酸鹽玻璃 1.硼硅酸鹽玻璃的主要成分是那些硼硅酸鹽玻璃的主要成分是那些? 72%的二氧化硅的二氧化硅,玻璃生成體玻璃生成體.17%的三氧化二鋇的三氧化二鋇,玻璃硬化劑玻璃硬化劑.5% 的氧化鈉的氧化鈉. 2.主要運用主要運用:室

8、外光源室外光源HID燈中使用燈中使用,較低的膨脹系數可防熱爆較低的膨脹系數可防熱爆. 3.主要規格主要規格: (1)8486玻璃玻璃,生產玻殼生產玻殼. (2)8487玻璃玻璃,生產玻管生產玻管. 3-4.鋁硅酸鹽玻璃鋁硅酸鹽玻璃 1.鋁硅酸鹽玻璃的主要成分是那些鋁硅酸鹽玻璃的主要成分是那些? 60%的二氧化硅的二氧化硅,玻璃生成體玻璃生成體.5%的三氧化二鋇的三氧化二鋇.17%的三氧化二的三氧化二 鋁鋁,玻璃硬化劑玻璃硬化劑. 2.主要運用主要運用:室外光源特種室外光源特種HID燈中使用燈中使用,金鹵燈和汽車燈金鹵燈和汽車燈,因為其防因為其防 熱爆性比硼硅酸鹽玻璃更高熱爆性比硼硅酸鹽玻璃更高

9、. 3.主要規格主要規格: (1)180玻璃玻璃. (2)1724玻璃玻璃. (3)1725玻璃玻璃. 3-5.石英玻璃或二氧化硅玻璃石英玻璃或二氧化硅玻璃 1.石英玻璃或二氧化硅玻璃的主要成分是那些石英玻璃或二氧化硅玻璃的主要成分是那些? 石英玻璃或二氧化硅玻璃是石英玻璃或二氧化硅玻璃是100%的二氧化硅的二氧化硅. 2.主要運用主要運用:HID電弧管電弧管,鹵鎢燈和汽車燈鹵鎢燈和汽車燈.它有特殊的防熱爆性和非它有特殊的防熱爆性和非 常高的軟化點常高的軟化點. 3.主要規格主要規格: (1)300玻璃玻璃. (2)214玻璃玻璃. 3-6.摻雜石英玻璃摻雜石英玻璃 1.摻雜石英玻璃摻雜石英玻

10、璃 在石英玻璃中加入少量其它材料可改變純石英的特性。 a. 飛利浦 521 成分: 同300類似.但摻雜了Al,Ce,Ti和K以降低粘度,可以增加生產速度。 主要應用: 汽車燈 (H 4)最高溫度850oC b. 飛利浦361 成分: 類似于300，但摻雜了鈰, 鈦和鋁以改變UV輸出。 主要應用: 鹵鎢燈 和H.I.D.燈 最高溫度 850oC 3-7.維克玻璃維克玻璃 C. 維克玻璃維克玻璃 成分: 一種經過化學處理，去除添加物再熔合的硼硅酸鹽玻璃。這 種玻璃較便宜，而且比用天然晶體生產的石英光學性能更好。 96% SiO2 4 % B2O3 主要應用: 過去在Philips內制造汽車燈。

11、最高溫度850oC 4.玻璃粘度玻璃粘度 1.什么是粘度？什么是粘度？ 粘度是流動的阻力粘度是流動的阻力,可用可用dPa.s表示表示(十分之一帕十分之一帕.秒秒,或泊來表示或泊來表示). 例如例如:在糖水中和在水中攪動湯勺在糖水中和在水中攪動湯勺,比較受到的阻力比較受到的阻力,粘度同流動性粘度同流動性 成反比關系成反比關系,溫度越高溫度越高,粘度越低粘度越低. 下面是一些粘度的例子下面是一些粘度的例子: - water水水 (20o C): visc. 0.01 poise - syrup糖漿糖漿 (20o C): visc. 300 poise - wax蠟蠟 (20oC): visc. 1

12、010 poise - soft glass軟料玻璃軟料玻璃 (20o C): visc. 1020 poise (600o C):visc. 1010 poise (1200o C): visc. 103 poise Visc. (Pois 粘粘 度度 1014.5 1013 1012.4 107.4 104 102 Strain point屈服點屈服點: The viscosity point where stresses are relieved in hours 應力能在幾小時內消失的粘度點應力能在幾小時內消失的粘度點 Annealing point退火點退火點: The viscos

13、ity point where stresses are relieved in minutes. 應力能在數分鐘內消除的粘度點應力能在數分鐘內消除的粘度點 Philips Softening point: 菲利浦軟化點：菲利浦軟化點： Glass can be deformed by an applied force and internal stresses are relieved in seconds.在施加外力情況下玻璃會在施加外力情況下玻璃會 變形，應力能在數秒內消除變形，應力能在數秒內消除 American Softening point: 美國軟化點：美國軟化點： The vi

14、scosity point where the glass deforms by its own (surface tension, gravity) and the glass starts to stick. 玻璃自己就會變形的粘度點（表面張力，重力），玻璃開始玻璃自己就會變形的粘度點（表面張力，重力），玻璃開始 可以粘住。可以粘住。 Working point: 工作點：工作點： The viscosity point where glass can be processed on commercial machines.玻璃可以在商業設備上加工的玻璃可以在商業設備上加工的 粘度點粘度點

15、 。 Melting point 熔化點：熔化點： Temp. liquidviscous brittle 4.玻璃粘度玻璃粘度 4.玻璃粘度玻璃粘度 注意注意: 這些點的粘度值對所有的玻璃都是相同的這些點的粘度值對所有的玻璃都是相同的. 對于不同的玻璃對于不同的玻璃,唯一不同的是這些點所對應的溫度值唯一不同的是這些點所對應的溫度值. 4.玻璃粘度玻璃粘度 Temp. VISC. S.P. A.P. P.S.P. A.S.P. W.P. A B Glass A is softer than B 硬料玻璃和軟料玻璃硬料玻璃和軟料玻璃 4.玻璃粘度玻璃粘度 Temp. VISC. S.P. A.P

16、. P.S.P. A.S.P. W.P. A B Glass A is longer than B 長料玻璃和短料玻璃長料玻璃和短料玻璃 5.玻璃成分玻璃成分 1.玻璃的主要成分是什么？玻璃的主要成分是什么？ 玻璃有三個主要成分玻璃有三個主要成分: (1) 玻璃成形體玻璃成形體(石英砂或二氧化硅石英砂或二氧化硅). (2) 熔化點熔化點降低劑降低劑 (如如:蘇打或氧化鈉蘇打或氧化鈉). (3) 影響玻璃性能的添加劑影響玻璃性能的添加劑. 冷玻璃是不良導體. 優點: 可以局部加熱,如果需要可以手工加熱. 缺點: 容易產生應力. 熱玻璃是良導體. 優點: 有熱流,可以利用,必須控制. 缺點: 在其

17、余部分不變形的情況下,很難工作 在小的區域. 6. 熱導率熱導率 熱導率：兩個相差1度的單位表面上熱量流過的速率。 熱傳導的3種基本方式:1.傳導.2.輻射.3.對流 玻璃在低溫下是熱的不良導體,玻璃在高溫下是熱的良導體 6.熱導率熱導率 舉例: 材料 熱導系數J/ms oC 銅: 370 鑄鐵: 72 硬橡膠: 0.035 蘇打石灰玻璃20oC: 0.8 蘇打石灰玻璃20oC: 1000oC: 30 蘇打石灰玻璃20oC: 1200oC: 60 7.電導率電導率 在金屬中通過自由電子的遷移導電 在玻璃中通過離子的遷移導電 電解: Na+ 鈉離子遷移 改變玻璃成分 改變膨脹系數 引起應力開裂開

18、裂! 燈泡漏氣 7.電導率電導率 直流電直流電 在直流情況下在直流情況下,相對小的相對小的Na+離子逐步從離子逐步從 正極向負極遷移正極向負極遷移.也就是在正極周圍的也就是在正極周圍的Na 離子減少離子減少,在負極在負極Na離子增加離子增加,這就改變這就改變 了兩邊玻璃的成分了兩邊玻璃的成分,改變了玻璃的膨脹系改變了玻璃的膨脹系 數數,應力也就會產生應力也就會產生.應力應力 開裂開裂 漏漏 氣燈氣燈!這種現象稱為這種現象稱為“電解電解”,相對小的相對小的 Na+離子具有最大的遷移率離子具有最大的遷移率,因此能自由因此能自由 地向負極遷移地向負極遷移. 7.電導率電導率 交流電交流電 在交流情況

19、下在交流情況下Na+不能從一個極向另外不能從一個極向另外 一個極遷移但仍會發生電解一個極遷移但仍會發生電解.在抽真空的在抽真空的 燈中燈中,電子從熱鎢燈絲上發射到相對冷的電子從熱鎢燈絲上發射到相對冷的 打扁處打扁處.打扁表面就充負電打扁表面就充負電, Na+離子從電離子從電 極向表面遷移極向表面遷移.同樣因為玻璃成分和膨脹同樣因為玻璃成分和膨脹 系數的改變系數的改變,引起開裂引起開裂.溫度越高溫度越高,電解速電解速 度就越快度就越快.因為隨著鈉含量的增加電導率因為隨著鈉含量的增加電導率 也會增加也會增加,直接的解決辦法是減少鈉含量直接的解決辦法是減少鈉含量. 然而然而,這樣會提高熔化點這樣會提

20、高熔化點,對加工帶來不利對加工帶來不利 的影響的影響. 7.電導率電導率 鉛和鋇離子比較大,可用以阻止鈉離子的遷移,也就 減緩了電解 AC Pb2+ 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力 LL 根據公式 : L= x Lx T 可以推導出 : = L /(LxT) 膨脹系數=膨脹長度/(初始長度x溫度變化) 金屬 L 溫度. 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力 玻璃中的應力有：玻璃中的應力有： 1. 機械應力. 2. 熱致應力.3. 永久應力. 4. 暫時應力.5. 一種玻璃內的應力 6. 兩種玻璃形成的應力. 7. 壓應力. 8. 張應力. 玻璃在壓應力下強度很高玻璃在壓應力下強度很高. 玻璃在張應力下強

21、度也很高玻璃在張應力下強度也很高,但但: 張應力張應力+表面損傷表面損傷開裂開裂! 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力 舉例舉例: 機械應力 這種應力存在的條件: 1.僅在固體材料中. 2.當外力存在時才有. 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力 熱致暫時應力存在的條件: 1.只有在固體材料中才存在. 2.只有溫差存在時才存在. 注意: 熱的一側是壓應力 8.熱膨脹和應力熱膨脹和應力 冷卻 熱致永久應力 應用:喇叭制造 冷卻 C C T 應力圖案 9.玻璃機械強度玻璃機械強度 玻璃機械強度定義玻璃機械強度定義: 如果表面出現不規則如果表面出現不規則,抗張強度就會大大降低抗張強度就會大大降低.當我們在一塊玻璃

22、當我們在一塊玻璃 上施加一個拉力上施加一個拉力,在開裂點的受力可根據開裂的長度在開裂點的受力可根據開裂的長度(L)乘上一個因乘上一個因 子最大子最大a x F. 注意注意: a =放大因子放大因子,最大到最大到200,主要取決于主要取決于: 1.刻痕長度刻痕長度. 2.刻痕點的清晰度刻痕點的清晰度. 刻痕刻痕(也稱開裂點也稱開裂點) 拉力拉力F拉力拉力F L 10.表面張力表面張力 材料都有趨向于最小的表面積/體積比球形 11.1玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.為什么要添加額外的物質到玻璃中為什么要添加額外的物質到玻璃中? 答答:額外的添加物加入到玻璃中是為了影響玻璃的某些特性額外的添加

23、物加入到玻璃中是為了影響玻璃的某些特性,例如例如: 玻璃的膨脹性能玻璃的膨脹性能; 玻璃的熔化溫度玻璃的熔化溫度; 玻璃的軟化溫度玻璃的軟化溫度; 玻璃的軟化范圍玻璃的軟化范圍(長料或短料玻璃長料或短料玻璃; 防止電解防止電解(加入鉛加入鉛). 2.為什么玻璃沒有熔化點為什么玻璃沒有熔化點? 答答:因為玻璃逐步從固體轉化為液體因為玻璃逐步從固體轉化為液體. 11.2玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.為什么在玻璃熔爐中要加入碎玻璃為什么在玻璃熔爐中要加入碎玻璃? 答答:為了更好地熔化為了更好地熔化,我們在玻璃熔爐中加入同樣類型我們在玻璃熔爐中加入同樣類型40%的碎玻璃的碎玻璃. 2.張應力與

24、壓應力張應力與壓應力,哪一種對玻璃更有利哪一種對玻璃更有利? 答答:玻璃能承受的壓應力是張應力的玻璃能承受的壓應力是張應力的15倍倍. 3.什么原因造成玻璃中存在應力什么原因造成玻璃中存在應力? 答答:造成玻璃中應力的原因是造成玻璃中應力的原因是:加在玻璃上的外力加在玻璃上的外力.例如例如:彎曲、拉伸、彎曲、拉伸、 撞擊等撞擊等,或者是溫度大于屈服點的不規則的冷卻和加熱造成或者是溫度大于屈服點的不規則的冷卻和加熱造成. 11.3玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.指出至少五種原因指出至少五種原因,為什么燈泡制造中要使用玻璃為什么燈泡制造中要使用玻璃? 答答:燈泡制造中使用玻璃是因為燈泡制造中

25、使用玻璃是因為: 它具有很好的透光性能它具有很好的透光性能; 它具有足夠的氣密性它具有足夠的氣密性; 它具有很好的電氣性能和絕緣性能它具有很好的電氣性能和絕緣性能; 它具有很好的化學和大氣影響抵抗力它具有很好的化學和大氣影響抵抗力; 它能在一個較寬的溫度范圍內被加工它能在一個較寬的溫度范圍內被加工; 在加工前后能保持原來的屬性在加工前后能保持原來的屬性; 另外另外,玻璃也是一種最便宜的材料玻璃也是一種最便宜的材料. 11.6玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.解釋為什么玻璃中有永久應力比暫時應力情況更嚴重解釋為什么玻璃中有永久應力比暫時應力情況更嚴重? 答答:玻璃中有永久應力比暫時應力情況更

26、嚴重有以下原因玻璃中有永久應力比暫時應力情況更嚴重有以下原因: 永久應力將一直存在在產品中永久應力將一直存在在產品中,如果永久應力太大如果永久應力太大,在產品使用期在產品使用期 間的任何時候就會導致產品缺陷間的任何時候就會導致產品缺陷. 暫時應力是一種臨時應力暫時應力是一種臨時應力,在生產過程中它會出現在生產過程中它會出現,但在成品中不但在成品中不 會存在會存在. 2.何時玻璃中完全沒有應力何時玻璃中完全沒有應力? 答答:當玻璃溫度大于退火點或軟化點時當玻璃溫度大于退火點或軟化點時,玻璃中完全沒有應力玻璃中完全沒有應力. 11.7玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.如何發覺玻殼分化如何發覺玻

27、殼分化? 答答:風化的特征是玻璃表面出現一些混濁風化的特征是玻璃表面出現一些混濁(白點白點),使得玻璃不透明使得玻璃不透明. 2.什么原因造成玻璃分化什么原因造成玻璃分化?它經常發生在哪里它經常發生在哪里? 答答:玻璃的分化是空氣中濕氣侵蝕玻璃的結果玻璃的分化是空氣中濕氣侵蝕玻璃的結果.它經常發生在玻殼的它經常發生在玻殼的 內表面上內表面上. 3.為什么我們要使用退火爐為什么我們要使用退火爐? 答答:我們使用退火爐逐步均勻地冷卻玻璃我們使用退火爐逐步均勻地冷卻玻璃,減少溫差減少溫差,獲得我們能接受獲得我們能接受 的應力的應力. 11.9玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.玻璃粘度曲線上玻璃粘

28、度曲線上SP、AP、PST、AST和和WT這些參考點有什么樣這些參考點有什么樣 的特征并且說出這些點的具體名稱的特征并且說出這些點的具體名稱? 答答: SP、AP、PST、AST和和WT這些參考點的特征是這些參考點的特征是: SP是玻璃在此溫度下是玻璃在此溫度下4個小時后個小時后,內部應力會降至可接受的水平內部應力會降至可接受的水平. AP是玻璃在此溫度下是玻璃在此溫度下15分鐘左右分鐘左右,內部應力會降至可接受的水平內部應力會降至可接受的水平. PST是玻璃在此溫度下開始變形是玻璃在此溫度下開始變形,換句話說換句話說,它是玻璃加熱至不會因自重而變形之前的它是玻璃加熱至不會因自重而變形之前的

29、最高溫度最高溫度. AST是玻璃在此溫度下迅速變形并開始與其它物體粘結是玻璃在此溫度下迅速變形并開始與其它物體粘結,換句話說換句話說,玻璃在此溫度下因玻璃在此溫度下因 為自重而迅速變形為自重而迅速變形. WT是玻璃在此溫度下已經很軟是玻璃在此溫度下已經很軟,可以對它成型和工藝處理可以對它成型和工藝處理. 答答: 玻璃粘度曲線上的參考點從下往上是玻璃粘度曲線上的參考點從下往上是: 工作點工作點(WT);美國軟化點美國軟化點(AST);飛利浦軟化點飛利浦軟化點(PST);退火點退火點(AP);屈服點屈服點(SP). 11.12玻璃其它方面知識玻璃其它方面知識 1.玻璃停留在轉換區域的時間越長玻璃停留在轉換區域的時間越長,會有什么好處會有什么好處? 答答:玻璃通過轉換區域的時間越長玻璃通過轉換區域的時間越長(在退火點和屈服點之間在退火點和屈服點之間),溫度的分溫度的分 布就越均勻布就越均勻,因此冷卻后的應力就越少因此冷卻后的應力就越少.這個過程中在玻璃結構發生這個過程中在玻璃結構發生 改變之后改變之后,玻璃將不會再發生變化玻璃將不會再發生變化. 2.關于應力方面關于應力方面,軟料玻璃比硬料玻璃要求更嚴格嗎軟料玻璃比硬料玻璃要求更嚴格嗎? 答答:軟料玻璃在應力方面比硬料玻璃要求更嚴格軟料玻璃在應力