玻璃2

无机非金属材料概论班级：10无机非金属(1)班姓名：徐波学号：201003081452012.12玻璃的生产及其发展应用徐波宿迁学院201003081451.玻璃的定义一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。玻璃简单分类主要分为平板玻璃和深加工玻璃。2.玻璃的主要原料和作用2.1SIO2是重要的玻璃形成氧化物，它能提高玻璃的化学稳定性、力学性能、电学性能、热学性能等。但其含量过高则会提高熔化温度而且可能导致析晶。引入SIO2原料的主要有硅砂和砂岩。(1）硅砂，也叫石英砂，它主要由石英颗粒组成。质地纯净的硅砂为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物和有机质而呈淡黄色或红褐色。（2）砂岩，砂岩由石英颗粒（沙子）形成，结构稳定，通常呈淡褐色或红色，主要含硅、钙、黏土和氧化铁。砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂里粒含量要大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的。2.2AL2O3能够降低玻璃析晶倾向，提高化学稳定性和机械强度，改善热稳定性，但当其含量过多时（大于5%），就会增高玻璃液的黏度，是熔化和澄清发生困难，反而增加析晶倾向，并容易使玻璃原板上出现波筋等缺陷。引入AL2O3的原料主要在长石和高岭土上。2.3氧化钙（CaO）加入适量的氧化钙，能降低玻璃演的高温黏度，促进玻璃眼的熔化和澄清。温度降低时，能增加玻璃液黏度，有利于提高引上速度。缺点是含量增高时，会增加玻璃的析晶倾向，减少玻璃的稳定性，提高退火温度。引入氧化钙的时石灰石、方解石。2.4氧化镁（MgO）其作用与氧化钙类似，但没有氧化钙增加玻璃析晶倾向的缺点，因此可用适量氧化镁代替氧化钙，但过量则会出现透辉石结晶，提高退火温度，降低玻璃对水的稳定性。引入氧化镁的是白云石。2.5氧化钠、氧化钾（Na2O、K2O）为良好的助溶剂，降低玻璃液的黏度，促进玻璃液的熔化和澄清，还能大大降低玻璃析晶倾向，缺点则是降低玻璃的化学稳定性和机械强度。引入氧化钠的原料是纯碱和芒硝。2.6氧化钡（BaO）是二价网络外体氧化物。它能增加玻璃的折射率、密度、光洁度和化学稳定性；少量的BaO（0.5%）能加速玻璃的熔化，但是含量过高时，由2BaO+O2=2BaO2的反应，使澄清困难。含BaO玻璃吸收辐射线的能力较大，但会耐火材料侵蚀较严重。2.7氧化硼（B2O3）氧化硼是玻璃生成氧化物，它以[BO3]和[BO4]为结构组元，在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成结构网络.能降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、增加玻璃的折射率、改善玻璃的光泽、提高博得机械强度。B2O3在高温是能降低玻璃的粘度，在低温时提高玻璃的粘度，所以含B2O3较高的玻璃，成型的温度范围较窄，因之可以提高机械速度。B2O3还起助熔剂的用，加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。B2O3常随水蒸气挥发，硼硅酸盐玻璃液表面上因B2O3挥发减少，会产生富含B2O3析晶料皮，当B2O3引入量过高时，由于[BO3]增多，玻璃的膨胀系数反而增加，发生反常现象即—硼反常现象。引入氧化硼的原料是硼酸和硼砂。3.玻璃的结构特征3.1玻璃态的通性从玻璃的机械性质、外管特征及微观结构等方面考虑，玻璃的共性可以归纳为以下四点3.1.1各向同性，玻璃体的任何方向具有相同性质。也就是说，玻璃态物质各个方向的硬度、弹性模量、热膨胀系数、热传导系数、折射率、电导率等都是相同的，而非等轴晶系的晶体具有各向异性。实际上，玻璃的各向同性是统计均质结构的外在表现，这与液体有类似性。3.1.2玻璃处于介稳状态，就是说，从熔体冷却或其他办法形成玻璃时，系统所含的内能并不一定处于最低值。我们知道，熔体粘度冷却转变为晶体时，释出的能量等于晶体熔化时的潜热。但当熔体过冷为固态玻璃时，粘度急剧增大，质点来不及作有规则的排列，虽然伴有放热现象，但是释出的热量小雨晶体的熔化潜热，而且其热值也不固定。因此，玻璃态物质比相应的晶态物质含有更大的内能，它不是处于能量最低的稳定状态，而是处于介稳状态。3.1.3性质随成分变化的连续性和渐变性，除形成连续性固溶体外，二元以上晶体化合物有固定的原子或分子比，因此它们的性质变化是连续的。但玻璃则不同，在玻璃形成范围内，成分可以连续变化。由于这种变化的连续性，因此大部分情况下，玻璃的一些物理性质是玻璃中所含各氧化物特定的部分性质之和。利用玻璃性质的加和性可以计算已知成分玻璃的性质。3.1.4固态和熔融态转化的渐变性和可逆性，玻璃在固态和熔融态之间的转变是可逆的，其物理化学性质的变化是连续的和渐变的。当物质由熔体向固体转变时，如果是结晶过程，则系统中必有新相出现，在结晶温度，许多性质会发生突变。但当熔体向固态玻璃转化时，是在较宽的温度范围内完成的，随温度下降熔体粘度剧增，最后形成固态玻璃，不会再有新相出现3.2几种典型的玻璃结构3.2.1硅酸盐玻璃（1）石英玻璃结构石英玻璃是由硅氧四面体[SiO4]以顶角共用氧的形式连接而形成的连续三维网络，其与石英晶体的区别在于这些网络是远程无序的。（2）二元碱硅酸盐玻璃结构在熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物，将使原有的具有三度空间网络的硅氧网络发生解聚作用。（3）钠钙硅玻璃结构在碱硅二元玻璃中加入碱土金属氧化物如CaO，可以使玻璃结构和性质发生明显的变化。3.2.2硼酸盐玻璃B2O3玻璃是由硼氧三角体[BO3]组成，是硼酸盐玻璃的基础3.2.3磷酸盐玻璃在已知的磷氧化合物中（如P2O3、P2O4、P2O5），只有P2O5才能独立形成玻璃，纯P2O5玻璃是磷酸盐玻璃中最简单的一种。3.2.4其他氧化物玻璃的结构（1）铝酸盐玻璃Al2O3-CaO3系统，CaO含量可高达75％。在这类玻璃中，Al3+以铝氧四面体[AlO4]状态存在。（2）铝硼酸盐玻璃Al2O3-B2O3系统不能形成玻璃，只有加入二价氧化物才能形成玻璃，而且玻璃形成范围相当大。（3）铍酸盐、钒酸盐等类型玻璃某些铍酸盐熔体，如倾注于两块铜板间急冷可以形成玻璃态。4.玻璃的生产工艺过程4.1配料，按照设计好的料方单，将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。4.2熔制，将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。这是一个很复杂的物理、化学反应过程。玻璃的熔制在熔窑内进行。熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑，玻璃料盛在坩埚内，在坩埚外面加热。小的坩埚窑只放一个坩埚，大的可多到20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的，现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。另一种是池窑，玻璃料在窑池内熔制，明火在玻璃液面上部加热。玻璃的熔制温度大多在1300~1600゜C。大多数用火焰加热，也有少量用电流加热的，称为电熔窑。现在，池窑都是连续生产的，小的池窑可以是几个米，大的可以大到400多米。4.3成形，是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。成形必须在一定温度范围内才能进行，这是一个冷却过程，玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，再转变成脆性固态。成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。A．人工成形（1）吹制，用一根镍铬合金吹管，挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶、球（划眼镜片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用顶盘粘住，二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。（3）压制，挑一团玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。（4）自由成形，挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。B．机械成形。因为人工成形劳动强度大，温度高，条件差，所以，除自由成形外，大部分已被机械成形所取代。机械成形除了压制、吹制、拉制外，还有（1）压延法，用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。（2）浇铸法，生产光学玻璃。（3）离心浇铸法，用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中，由于离心力使玻璃紧贴到模子壁上，旋转继续进行直到玻璃硬化为止。（4）烧结法，用于生产泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂，在有盖的金属模具中加热，玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属（锡）表面上形成平板玻璃的方法，其主要优点是玻璃质量高（平整、光洁），拉引速度快，产量大。4.4退火，玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却，很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）。为了消除冷爆现象，玻璃制品在成形后必须进行退火。退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。4.5此外，某些玻璃制品为了增加其强度，可进行刚化处理。包括：物理刚化（淬火），用于较厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽车挡风玻璃等；和化学刚化（离子交换），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。刚化的原理是在玻璃表面层产生压应力，以增加其强度。玻璃的生产流程，见下图5.平板玻璃的生产方式和发展方向平板玻璃也称白片玻璃或净片玻璃。其化学成分一般属于钠钙硅酸盐玻璃，组成范围是：SiO270～73%（重量，下同）；Al2O30～3%；CaO6～12%；MgO0～4%；Na2O+K2O12～16%。它具有透光、透明、保温、隔声，耐磨、耐气候变化等性能。平板玻璃主要物理性能指标：折射率约1.52；透光度85%以上（厚2毫米的玻璃，有色和带涂层者除外）；软化温度650～700°C;热导率0.81～0.93瓦/（米·开）；膨胀系数9～10×10-6/开；比重约2.5；抗弯强度16～60兆帕。5.1传统成型方法5.1.1手工成型主要有吹泡法、冕法、吹筒法等。这些方法由于生产效率低，玻璃表面质量差，已逐步被淘汰，只有在生产艺术玻璃时采用。5.1.2机械成型主要有压延、有槽垂直引上、对辊（也称旭法）、无槽垂直引上、平拉和浮法等压延法是将熔窑中的玻璃液经压延辊辊压成型、退火而制成，主要用于制造夹丝（网）玻璃和压花玻璃。有槽垂直引上法、对辊法、无槽垂直引上法等工艺基本相似，是使玻璃液分别通过槽子砖或辊子、或采用引砖固定板根，靠引上机的石棉辊子将玻璃带向上拉引，经退火、冷却、连续地生产平板玻璃。平拉法是将玻璃垂直引上后，借助转向辊使玻璃带转为水平方向。这些方法在70年代以前是通用的平板玻璃生产工艺。5.2新式成型方法浮法是将玻璃液漂浮在金属液面上制得平板玻璃的一种新方法，是英国皮尔金顿公司于1959年研究成功的新工艺。它是将玻璃液从池窑连续地流入并漂浮在有还原性气体保护的金属锡液面上，依靠玻璃的表面张力、重力及机械拉引力的综合作用，拉制成不同厚度的玻璃带，经退火、冷却而制成平板玻璃(也称浮法玻璃)。由于这种玻璃在成型时，上表面在自由空间形成火抛表面，下表面与焙融的锡液接触,因而表面平滑，厚度均匀,不产生光畸变，其质量不亚于磨光玻璃。这种生产方法具有成型操作简易、质量优良、产量高、易于实现自动化等优点，80年代已被广泛采用。如果在锡槽内高温玻璃带表面上，设置铜铅等合金作阳极，以锡液作阴极，通以直流电后，可使铜等金属离子迁移到玻璃上表面而着色，称作“电浮法”。也可以在锡槽出口与退火窑中间，设热喷涂装置而直接生产表面着色的颜色玻璃、热反射玻璃等5.3未来平板玻璃的主要用途5.3.1设施农业5.3.2光伏发电（光伏用玻璃板）5.3.3光热发电6.光导玻璃纤维的工作原理和制作方法6.1光导纤维的工作原理光导纤维又称光学纤维。是能传导光信号的纤维材料，一般是直径仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。光导纤维传光原理是不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质以一定角度射向折射率的小光疏介质时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。这一定的角度称全反射临界角。光导纤维的纤芯是光密介质，而包层是光疏介