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淺談玻璃的機械性能和表麵性質

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時間 : 2017-08-16 15:41 瀏覽量 : 54

1.玻璃表麵張力的物理與工藝意義

玻璃表麵張力指玻璃與另一相接觸的相分界麵上(一般指空氣),在恒溫、恒容下增加一個單位表麵時所做的功,單位為N/m和J/m2.矽酸鹽玻璃的表麵張力為(200―380)*10-3N/m.玻璃的表麵張力在玻璃的澄清、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.玻璃表麵張力與組成及溫度的關係

各種氧化物對玻璃的表麵張力有不同的影響,如Al2O3、La2O3、CaO、MgO、能提高表麵張力.K2O、PbO、B2O3、Sb2O3等如加入量較大,則能大大降低表麵張力.同時,Cr2O3、V2O3、Mo2O3、WO3用量不多時也能降低表麵張力.

組成氧化物對玻璃熔體與空氣界麵上表麵張力的影響可分為三類.第"類組成氧化物對表麵張力的影響關係,符合加和性法則.

第Ⅱ類和第Ⅲ類組成氧化物對熔體的表麵張力的關係是組成的複合函數,不符合加和性法則.由於這些組成的吸附作用,表麵層的組成與蔣體內的組成是不同的.

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麵張力,因此,這些化合物的加入,均有利於玻璃的澄清和均化.

表麵張力隨著溫度的升高而降低,二者幾乎成直線關係,實際上可認為,當溫度提高100℃時表麵張力減少1%,然而在表麵活性組分及一些遊離的氧化物存在的情況下,表麵張力能隨溫度升高而稍微增加.

3.玻璃的力學性能

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、抗張強度和抗衝擊強度等指標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用,也因其抗張強度與抗折強度不高,脆性大而使其應用受到一定的限製.

玻璃的理論強度按照Orowan假設計算為11.76GPa,表麵無嚴重缺陷的玻璃纖維,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隻有6.86MPa,比理論強度小2―3個數量級.這是由於實際玻璃中存在有微裂紋(尤其是表麵微裂紋)和不均勻區(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、表麵處理與塗層、微晶化、與其它材料製成複合材料等.這些方法能使玻璃的強度增加幾倍甚至十幾倍.

3.1.1玻璃強度與化學組成的關係.

不同化學組成的玻璃結構間的鍵強也不同,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.

宏觀缺陷如固態夾雜物、氣態夾雜物、化學不均勻等,由於其化學組成與主體玻璃不一致而造成內應力.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,而導致玻璃產生微裂紋,嚴重影響玻璃的強度.

3.1.3溫度.

在不同的溫度下玻璃的強度不同,根據對-20℃―500℃範圍內的測量結果可知,強度最低值位於200℃左右.

一般認為,隨著溫度的升高,熱起伏現象增加,使缺陷處積聚了更多的應變能,增加了破裂的幾率.當溫度高於200℃時,由於玻璃粘滯性流動增加,使微裂紋的裂口鈍化,緩和了應力作用,從而使玻璃強度增大.

3.1.4玻璃中的應力.

玻璃中的殘餘應力,特別是分布不均勻的殘餘應力,使強度大為降低.然而,玻璃進行鋼化後,表麵存在壓應力,內部存在張應力,而且是有規則的均勻分布,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.玻璃的硬度決定於組成原子的半徑、電荷大小和堆積密度,網絡生成體離子使玻璃具有硬度,而網絡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)〉Al2O3> 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

玻璃的脆性是指當負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衝擊強度來表示.衝擊強度的測定值與試樣厚度及樣品的熱曆史有關,淬火玻璃的衝擊強度較退火玻璃大5―7倍.

3.4玻璃的彈性

在近代技術中玻璃愈來愈廣泛地被用作結構材料,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時所產生的結構壓縮和鬆弛會導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.

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量,主要決定於玻璃的化學組成、溫度和熱曆史,也與玻璃的原子堆積緊密程度、配位數有關,是表征      玻璃的密度與化學組成關係密切.玻璃組成不同密度相差很大.各種玻璃製品中,石英玻璃的密度最小,為2000kg/m3,普通鈉鈣矽玻璃為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.一般工業玻璃,當溫度由20℃升高1300℃時,密度下降約為6%―12%,在彈性形變範圍內,密度的下降與玻璃的熱膨脹係數有關.

玻璃的熱曆史是指玻璃從高溫冷卻,通過Tf―Tn區域時的經曆,包括在該區域停留時間和冷卻速度等具體情況在內.熱曆史影響到固體玻璃結構以及與結構有關的許多性質.其對玻璃密度影響為:

4.1.1玻璃從高溫狀態冷卻時,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後,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,在生產上退火質量的好壞可在密度上明顯地反映出來.

在玻璃生產中常出現事故,如配方計算錯誤、配合料稱量差錯、原料化學組成波動等,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製玻璃生產的手段.

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