玻璃工艺05.ppt

1、第5章玻璃的力学性质和热学性质,5.1玻璃的力学性质 5.2玻璃热学性质,5.1玻璃的力学性质,一、机械强度mechanical intensity 定义：指玻璃抵抗外来负荷作用的能力。 抗张强度 抵抗张应力（拉伸应力）的能力。 抗压强度 受压应力作用破坏时的极限应力。 抗折(弯)强度 受的最大弯曲载荷 （弯曲力矩/阻力矩） 抗冲击强度 受动态载荷能力。 （功）,1. 玻璃的理论强度 材料的强度取决于组成单元间的作用力,th约1010帕，而实际强度不足108帕 一般 F= 34.383.3106 帕 c= 49196108 帕,r 形成新裂纹的表面能,2.Griffith断裂理论 （1）要点

2、a. 实际强度低的原因是表面于许多光学显微镜下看不见的半椭圆的微裂纹（宽0.010.02 m, 深5m） 裂纹常在相界产生，尺寸与分相液滴相近。 b. 微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力扩展 的 动力。 c. 玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。,（2）玻璃的断裂过程 a.初生裂纹的缓慢扩展（形成镜面区） b.次生裂纹的形成。最初传播速度较慢，然后急剧增大。 （雾状区） （颈毛区）,a. 外力超过f 时玻璃断裂 b. c 增大则f 减小，即强度由裂纹大小而不是多少决定。 c. 当 c 趋近于 a0 时f th 参见式（6-11）,（3）Griffith方程 前提：断裂时新增的表面

3、能由弹性应变能提供。,3.影响玻璃强度的因素 （1）表面状态 微裂纹使玻璃的抗张、抗折强度比抗压强度低1/101/15。 （2）玻璃组成 键强大，结构紧密则强度高。 可提高强度的有CaO、BaO、B2O3 (15%)、Al2O3、ZnO等。,（4）活性介质（极性物质如酸、碱） 作用：渗入裂纹使裂纹扩展 起化学反应使结构破坏。 水可大大降低f。 干空气、非极性物质、憎水性有机硅对f影响小。,（3）玻璃中的缺陷 宏观缺陷（气泡、结石、结瘤） 微观缺陷（分相、析晶、点缺陷等） 界面处有应力。,（5）残余应力 非均匀分布的应力使强度大大降低。,T ，分子热运动加剧以抗衡分子间引力， f 。 200C后

4、可能有塑性变形使f。,（6）温度,（7）疲劳现象 定义： 玻璃长时间在交变载荷的作用下，在远低于其极限应力的情况下发生突然断裂的现象。 加荷速度越大，时间越长，强度越小。 解释：,裂纹尖端在集中的应力作用下加快了与水分的作用，而水分溶解了一部分玻璃，从而延长裂纹，达到临界长度就发生断裂。,只有水分存在时才有疲劳现象。真空则无。 温度较低时无（反应速度慢），温度升高疲劳现象加剧。,结论：,4.玻璃增强 物理钢化（淬火） 使玻璃表面产生均匀分布的压应力层。 化学钢化 r大离子取代r小离子 贴层玻璃 在玻璃表面贴一层低的物质（陶瓷釉） 火抛光 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。, 覆盖硅有机化合物 放入氯硅

5、烷（SiCl4）溶液中，通过水解在玻璃表面形成SiO2膜。 使微裂纹弥合，形成压应力层。,5.计算（自学） 加和法。P93,二、玻璃的弹性 elastic reactance 1. 概述 定义 ：玻璃在外力作用下发生变形，当外力去除后能恢复原来形状的性质。 弹性模量、剪切模量、泊松比、体积压缩模量。 弹性模量 ：表示材料抵抗变形的能力。,低温下（Tg） E=/ 相对纵向变形 一般 E = 441108882108 帕,2.影响弹性模量的因素 （1）组成 （2）热处理 （3）温度 （1）组成 质点间化学键越强变形越小，E越大。 * 一般 大r、小Z的阳离子氧化物不利于提高E。 * R2O使E减小

6、，但Li2O使玻璃分子体积缩小而使E提高 * 硼反常：在15%（wt）有极值。 * 硼铝反常（铝硼硅酸盐）,当 1时 BO4、AlO4，E增大。 当 0 1 时 BO4、BO3、AlO4， E减小。 当 0 时 BO3、AlO6、AlO4， E又增大。,硼铝反常（铝硼硅酸盐）,（2）热处理 * 淬火玻璃E退火玻璃E 约27% * 玻纤在300350C处理后E增大同块状玻璃 。 * 晶化后E增大，取决于主晶相种类、性质。,（3）温度 * T E (大多数硅酸盐玻璃)。 离子间距增大,* 石英、高硅氧玻璃和派莱克斯玻璃的E随温度升高而增大。 （内部结构重组，弱结合转强结合）,3. 弹性模量的计算

7、E=EiPi（Kgf/mm2） Pi-wt% P96,三、玻璃的硬度和脆性（hardness and brittleness) 硬度 1. 意义：玻璃抵抗其它物体侵入其内部的能力。 2. 表示方法： 显微硬度 莫氏硬度（57） 研磨硬度 刻划硬度 显微硬度（压痕法） 正方锥以一定载荷压在玻璃表面，得一压痕，用显微镜测其对角线长度。,H=1.854P/ l2 l-对角线长(mm) P-载荷 （Kgf / mm2）,3. 组成对硬度的影响 * F离子使H提高。M离子使H降低。 * 同类玻璃，M离子场强越大H越高。 * 阳离子N越大H越高。 * 各组分对H的提高作用： SiO2 B2O3 (MgO

8、ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO,2. 表示方法 玻璃破坏时受到的冲击强度表示。 冲击强度,脆弱度D=C/S C是耐压强度,脆性 1. 定义：当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的现象。,3. 影响因素 * R+、R2+使脆性增大，且随其半径增大而上升。 * B3+处于三角体时脆性较小。 * 试样越厚抗冲击强度越小。 * 淬火试样强度比退火样大57倍。,1. 定义：物质单位体积的质量 d = m/V 生产上用于日常控制玻璃成分。 2. 影响因素 密度取决于原子质量、堆积密度等。 （1）组成（2）温度 （3）热历史 （4）压力,四、玻璃的密度density,（1）

9、组成 * r较小的M离子填充网络，使d增大。而r大的（K+、Ba2+）使d减小。 * 配位数 B3+为BO4,中间体氧化物为IO6时密度增大。 （硼反常，铝反常）,（2）温度 T d,（3）热历史 * 淬火玻璃比退火玻璃密度小。 * 玻璃析晶后密度增大（析晶是有序化过程） （4）压力 * 加压方法 不同的加压方法对密度的变化不同。 * 组成不同随压力变化不同。 含M较多的玻璃变化较小，因其结构空隙已被填充。,3.密度的计算 V=1/D = Vmfm,5.2 玻璃的热学性质 thermal property 一、玻璃的热膨胀系数(coefficient of thermal expense) 1

10、.热膨胀现象 常温 质点在平衡位置附近作简谐振动（热运动） 高温 质点振动幅度增大，质点间距也变大，于是出现热膨胀现象。 玻璃的热膨胀系数波动范围较大 5.810-715010-7/C 一般钠钙硅玻璃为8010010-7/C,2.热膨胀系数 通常指线膨胀系数，且常用平均值。 = l/l0 1/T T= t2-t1,即t1t2的平均值 由l-t 图上某一点的切线斜率可得该点,体积膨胀系数 =V/V 1/t 3,单位： 1/C 玻璃常用 10-7 1/C,3.组成对的影响 反映了网络的紧密程度（完整性和键力强弱） * 起断网作用的组分使增大（R+） * 起积聚、补网作用的组分使减小。（M4、Al3

11、+） * 阳离子与氧的结合力（f=2Z/a2）f大， 小。,增大的能力 Li+Na+K+Cs+,4.温度和的关系 （1）不同T的不同。对要指明温度段。 例：Na2O 15% CaO 10% SiO2 75% 温度C 20100 20200 20300 20400 10-7 1/C 89 91 93.5 96,（2）一般T增大则增大，Tg点以下t曲线基本由数段线段组成。 （3）Tg点以上 随温度急剧增大，到Tf时可增三倍。,5.热历史与的关系 不同热历史的玻璃有不同的。快冷的较大（低温）。,6. 分相和晶化对的影响 晶化后一般减小。主要由主晶相种类、结晶学特点、晶体排列等决定。 分相玻璃的取决于

12、连通相的。,7. 的测定 （1）石英膨胀仪法（立式、卧式） 注意：升温速率，最高温度（Tf）。 （2）双线法（简便） 需标准样（ 已知，热历史与被测样相似） 丝的曲率与成正比，与重叠厚度成正比。,20cm,h,8. 的计算 =iPi 9.应用 由大小分硬质玻璃和软质玻璃（ 6010-7/C） 玻璃的封接 310-7/C 制品热稳定性 大热稳差。,二、玻璃的比热 specific heat 1.定义：某温度下单位质量的物质升高1C所需的热量。 C= d为消耗的热量,1,d,dt,m,通常用平均比热Cm=1/m/（t2-t1） 单位：J/kgC 常用：千卡/千克度 卡/克度,2.影响因素 * 温度升高C增大，TgTf内增大很快。 * SiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O、Li2O能提高C PbO、BaO较高可降低C。,3.计算 C=PiCi Pi 重量% Cm= a=Piai Co=PiCoi,at+Co,0.00146t+1,三、玻璃的导热系数thermal conductivity 1.定义：温度梯度为1时，在单位时间内通过试样单位截面积的热量。 Q=S t/ 单位：W/m C 常用：卡/厘米秒度,2.影响因素 * 温度升高增大。到软化