10第十章、玻璃及加工工艺

1玻璃及加工工艺10.1玻璃的分类10.2玻璃的基本特性10.3玻璃的工艺特性10.4常用的玻璃材料10.5玻璃在设计中的应用第十章玻璃及加工工艺210.1玻璃的分类按照化学成分可以将玻璃分为钠玻璃、钾玻璃、铅玻璃、硼玻璃、铝镁玻璃等；按照用途和性能可分为建筑玻璃、日用玻璃、技术玻璃和玻璃纤维。（1）建筑玻璃：包括平板玻璃，控制声光热玻璃、安全玻璃、装饰玻璃、特种玻璃等。A、平板玻璃：包括普通平板玻璃和高级平板玻璃（浮法玻璃）；B、控制声光热玻璃包括热反射镀膜玻璃、低辐射镀膜玻璃、导电镀膜玻璃、磨砂玻璃、喷砂玻璃、压花玻璃、中空玻璃、泡沫玻璃、玻璃空心砖等；C、安全玻璃包括夹丝玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃等；D、装饰玻璃包括彩色玻璃、压花玻璃、磨花玻璃、喷花玻璃、刻花玻璃、镜面玻璃、玻璃马赛克、玻璃大理石、镭射玻璃等；E、特种玻璃包括防辐射玻璃（铅玻璃）、防盗玻璃、电热玻璃、防火玻璃等。3（2）日用玻璃：包括瓶缸玻璃、器皿玻璃和工艺美术玻璃。A、瓶缸玻璃：包括啤酒瓶、饮料瓶、食品瓶、试剂瓶、化妆瓶、牛奶瓶等；B、器皿玻璃：包括玻璃杯、保温瓶、钢化器皿等；C、工艺美术玻璃：包括晶制玻璃、刻花玻璃、光珠、玻璃球、各种饰品和工艺品；4（3）技术玻璃：包括光学玻璃、仪器和医疗玻璃、电真空玻璃、照明器具玻璃和特种技术玻璃等。A、光学玻璃：包括镜头、反射镜、玻璃眼镜、滤片、紫外线用玻璃等；B、仪器和医疗玻璃：包括仪器玻璃、温度计、体温计、玻璃管、医疗用玻璃等；C、真空电玻璃：包括灯泡壳、荧光灯、水银灯、显象管、电子管、汽车灯、杀菌灯等；D、照明器皿玻璃：包括灯罩、反射器、信号灯、反射性微珠、感光玻璃等；E、特种技术玻璃：包括半导体玻璃、导电玻璃、磁性玻璃、防辐射玻璃、耐高温玻璃、荧光玻璃、高介质玻璃、激光玻璃等。（4）玻璃纤维：包括玻璃棉、毡、棉板、纤维纱、纤维带、纤维布等。510.2玻璃的基本特性玻璃具有一系列的优良特性，如坚硬、透明，气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性、耐热性及电学、光学等性能，而且能用吹，拉、压、铸、槽沉等多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品(图1)。6玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、光变色、光储存和显示等重要光学性能．通常光线透过愈多，玻璃质量越好．由干玻璃品种较多，各种玻璃的性能也有很大的差别，如有的铅玻璃具有防辐射的特性．一般通过改变玻璃的成分及工艺条件．可使玻璃的性能有很大的变化。（1）透光性：材料能使光线透过的性能叫透光性，常用透光率（指一物体能透过的光能量和射在它表面的光的总能量的比值，以%表示）来衡量。如良好的窗用平板玻璃（厚2mm），其透光率达到90%，反射8%，吸收2%。（2）折光性：材料能使透过的光线偏离入射线方向的性能叫折光性。衡量玻璃制品折光性的好坏用折射率表示。普通玻璃折射率为1.48—1.53之间，晶制玻璃（铅玻璃）为1.61—1.96。1、光学性能72、力学性能(1)强度玻璃的强度取决于其化学组成、杂质含量及分布、制品的形状、表面状态和性质、加工方法等。玻璃的抗拉强度不高，一般为59-79MPa，如果在玻璃中含有CaO则其抗拉强度显著增强。同时经过淬火处理的玻璃其抗拉强度比经过退火处理的玻璃高5-6倍。玻璃丝的抗拉强度很高，约为块状和棒状玻璃的20-30倍。玻璃的抗压强度一般很高，是抗拉强度的14-15倍，玻璃的抗压强度与玻璃的化学组成和制造工艺有密切关系。含SiO2的玻璃有较高的抗压强度。玻璃在运输、保管中，要充分考虑其抗拉强度小、抗压强度大的特点，避免破碎而造成损失。8(2)硬度玻璃的硬度较大，硬度仅次子金刚石、炭化硅等材料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割，一般用金刚砂和金刚石刀具进行加工；玻璃的硬度值在莫氏硬度6—8之间，可根据玻璃的硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、研磨和切割等。9（3）脆性玻璃在冲击和动负荷作用下，很容易破碎，是一种典型的脆性材料，所以限制了它的使用。脆性取决于玻璃制品的形状和厚度。玻璃退火不良和化学成分均匀性差都会增加玻璃的脆性，而经过淬火后则可以显著提高玻璃的韧性。为了改善玻璃的脆性，可以通过夹层、夹丝、微晶化和淬火钢化等方法来改善玻璃的脆性。103、热学性能（1）热膨胀：玻璃热胀性能取决于它的化学组成。石英玻璃热胀性最小，含Na2O和K2O多的玻璃热胀系数高；（2）导热性：玻璃的导热性差，只有钢的1/400，玻璃的导热性主要取决于其密度。透明石英玻璃的导热性最好，普通钠钙玻璃的导热性最差；（3）热稳定性：玻璃的热稳定性差，在急冷急热时容易炸裂，这是由于在温度急变时，玻璃内部产生的内应力超过了玻璃强度的缘故。11常温下玻璃是电的不良导体。温度升高时，玻璃的导电性迅速提高，熔融状态时则变为良导体。有些玻璃（含钒酸盐、硫、硒化合物）具有电子导电性，可以作为玻璃半导体，应用于实际。但是大部分玻璃具有较高的绝缘性，可以做为绝缘材料使用。因此，玻璃可以用于制造电话、电报和其他电学仪上的绝缘器材，玻璃织物可以作为导线和各种电机上的绝缘材料。4、电学性能12玻璃的化学性质较稳定。大多数工业用玻璃都能抵抗除氢氟酸以外酸的腐蚀．玻璃耐碱腐蚀性较差。玻璃长期在大气和雨水的侵蚀下，表面光泽会失去，变暗．尤其是一些光学玻璃仪器易受周围介质(如潮湿空气)等作用，表面形成白色斑点或雾膜，破坏玻璃的透光性，所以在使用和保存中应加以注意。5、化学稳定性1310.3玻璃的工艺特性10.3.1玻璃的工艺特性玻璃的成型工艺视制品的种类而异，但其过程基本上可分为配料、熔化和成型三个阶段，一般采用连续性的工艺过程，如图2所示。141、玻璃原料1.澄滴剂：向玻璃配合料或玻璃溶液中加入一种高温时本身能气化或分解放出气体，以促进排除玻璃中气泡的添加物称为澄滴剂.2.着色剂：使玻璃制品着色的添加剂称为着色剂，通常使用锰．钻、镍、铜、金、硫、硒等金属和非金属化合物，其作用是使玻璃对光线产生选择性吸收，从而显出一定的颜色.3.脱色剂；为了提高无色玻璃的透明度，常在玻璃熔制时，向配合料中加入脱色剂，以去除玻璃原料中含有的铁．铬、钛、帆等化合物和有机物的有害杂质。4.乳浊剂：使玻璃制品对光线产生不透明的乳浊状态的添加物祢为乳浊剂．5.助熔剂：能促使玻璃熔制过程加速的添加物称为助熔剂或加速剂。152、玻璃的熔制玻璃的熔制是指将配合料经过高温熔融，形成均匀无气泡并符合成形要求的玻璃液的过程，它是玻璃生产中很重要的环节，是获得优质玻璃制品的重要保证。玻璃的熔制是一个非常复杂的工艺过程．它包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应，其结果是使各种原料混合物变成复杂的熔融物。各种配合料在加热至高温并形成玻璃的过程中所发生的变化，从工艺角度而论，大致可以分为硅酸盐的形成、玻璃的形成、澄清、均化和冷却五个阶段，表1所列是对常用的钠—钙—硅玻璃熔制过程以及所产生的反应、生成物和工艺条件的说明．16173、玻璃的成型玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。常见的玻璃成型方法有：压制成型、吹制成型和拉制成型。(1)压制成型压制成型是在模具中加入玻璃熔料加压成形，多用于玻璃盘碟、玻璃砖。图3为玻璃压制成型示意图。1819(2)吹制成型吹制成型是先将玻璃粘料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用于制造瓶、罐、器皿、灯泡等。图4为机械吹制法成型广口瓶的示意图，图5为人工吹杯示意图。相关视频：人工吹制器皿工艺.avi202122(3)拉制成型拉制成型是利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制和水平拉制(图7)，主要用来生产平板玻璃。玻璃管、玻璃纤维等。相关视频：玻璃工艺品制作.avi23(4)压延成型压延成型是用金属辊将玻璃熔体压成板状制品，主要用来生产压花玻璃、夹丝玻璃等，该成型分为平面压延与辊间压延成型。图8为压延成型的示意图。242510.3.2玻璃的热处理玻璃制品在生产中．由于要经受激烈和不均匀的温度变化，导致制品内部产生热应力。结构变化的不均匀及热应力的存在会降低制品的强度和热稳定性，很可能在成型后的冷却、存放和机械加工过程中自行破裂；制品内部结构变化的不均匀性．又可能造成玻璃制品光学性质的不均匀。因此．玻璃制品成型后，一般都要经过热处理。玻璃制品的热处理．一般包括退火和淬火两种工艺。退火就是消除或减小玻璃制品中的热应力的热处理过程，对光学玻璃和某些特种玻璃制品，通过退火可使内部结构均匀，以达到要求的光学性能；淬火就是使玻璃表面形成一个有规律，均匀分布的压力层．以提高玻璃制品的机械强度和热稳定性。26成型后的玻璃制品，除极少数能直接符合要求外(如瓶罐等)，大多数还须作进一步加工，以得到符合要求的制品。经过二次加工可以改善玻璃制品的表面性质、外观质量和外观效果．玻璃制品的二次加工可分为冷加工、热加工和表面处理三大类．(1)玻璃制品的冷加工冷加工是指在常温下通过机械方法来改变玻璃制品的外形和表面状态所进行的工艺过程。冷加工的基本方法包括研磨、抛光、切割、喷砂，钻孔和车刻等。10.3.3玻璃制品的二次加工271.研磨是为了消除玻璃制品的表面缺陷或成形后残存的凸出部分，使制品获得所要求的形状，尺寸和平整度。2.抛光是用抛光材料消除玻璃表面在研磨后仍残存的凹凸层和裂纹，以获得光滑、平整的表面。3.切割是用金刚石或硬质合金刀具划割玻璃表面并使之在划割处断开的加工过程。4.磨边是磨除玻璃边缘棱角和粗糙截面的方法。285.喷砂则是通过喷枪用压缩空气将砂料喷射到玻璃表面以形成花纹图案或文字的加工方法。6.钻孔是利用硬质合金钻头、钻石钻头或超声波等方法对玻璃制品进行打孔。7.车刻又称刻花，是用砂轮在玻璃制品表面刻磨图案的加工方法。相关视频：英式镶嵌及精雕玻璃的制作.avi29(2)玻璃制品的热加工有很多形状复杂和要求特殊的玻璃制品，需要通过热加工进行最后成型。此外，热加工还用来改善制品的性能和外观质量。热加工的方法主要有：火焰切割、火抛光、钻孔、锋利边缘的烧口等。(3)玻璃制品的表面处理表面处理包括玻璃制品光滑面与敞光面的形成(如器皿玻璃的化学刻蚀。灯泡的毛蚀、玻璃化学抛光等)、表面着色和表面涂层(如镜子镀银、表面导电)等等。1.玻璃彩饰：利用彩色釉料对玻璃制品进行装饰的过程。常见的彩饰方法有：描绘、喷花、贴花和印花等。彩饰方法可单独采用，也可组合采用。描绘是按图案设计要求用笔将釉料涂绘在制品表面。30喷花是按图案花样制成镂空型版紧贴在制品表面，用喷枪将釉料喷到制品上；贴花是先用彩色釉料将图案印刷在特殊纸上或薄膜上制成花纸，然后将花纸贴到制品表面；印花是采用丝网印刷方式用釉料将花纹图案印在制品表面；所有玻璃制品彩饰后都需要进行彩烧，才能使釉料牢固的熔附在玻璃表面，并使色釉平滑、光亮、鲜艳，且经久耐用。2.玻璃蚀刻：利用氢氟酸的腐蚀作用，使玻璃获得不透明毛面的方法。先在玻璃表面涂覆石蜡、松节油等作为保护层并在其上刻绘图案，再用氢氟酸溶液腐蚀刻绘所露出的部分。蚀刻程度可通过调节酸液浓度和腐蚀时间来控制，蚀刻完毕除去保护层。多用于玻璃仪器的刻度和标字，玻璃器皿和平板玻璃的装饰。3110.4常用玻璃材料10.4.1常用玻璃品种1平板玻璃平板玻璃是板状玻璃的统称。上下表面平行，成分多属于钠—钙—硅酸盐．主要采用浮法、垂直引上法、平拉法和压延法生产：平板玻璃具有透光、透视．隔热、隔声、耐磨、耐候等特性，并且通过着色、表面处理、强化、复合等方法制成彩色玻璃、镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等特殊制品。采用浮法制造技术生产印平板玻璃祢为浮法玻璃．浮法玻璃的生产工艺过程如图9所示。3233(1)磨砂玻璃磨砂玻璃又叫毛玻璃或暗玻璃，采用喷砂或研磨等机械方法，或者用氢氟酸溶液磨蚀等化学方法将玻璃表面处理成均匀毛面。其表面呈精细凹凸，可使光线产生漫射，只有透光性而不能透视，具有均匀柔和的效果。常用于建筑物中要求透光而不透像的门窗，以及玻璃黑板、照相屏板等。