第八章无机非金属材料及加工工艺

1、设计材料与加工工艺第08章 无机非金属材料及加工工艺引言 在当今科学技术高度发展，各种自然材料和人工在当今科学技术高度发展，各种自然材料和人工材料日益丰富的今天，玻璃这一材料日益丰富的今天，玻璃这一“古老而又新兴、奇古老而又新兴、奇特而又美丽特而又美丽”的材料，正前所未有地发挥出它的特的材料，正前所未有地发挥出它的特性。玻璃具有一系列优良的特性，如坚硬、透明、气性。玻璃具有一系列优良的特性，如坚硬、透明、气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性等。广泛应用于密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性等。广泛应用于工业产品造型设计中。掌握玻璃的工艺特性是设计师工业产品造型设计中。掌握玻璃的工艺特性是设计师快速并

2、可靠地实现设计构思的一个重要途径。快速并可靠地实现设计构思的一个重要途径。 本章的主要内容8 81 1 玻璃的基本性能玻璃的基本性能8 82 2 玻璃的工艺特性玻璃的工艺特性8 83 3 常用的玻璃材料常用的玻璃材料8 84 4 玻璃在设计中的运用玻璃在设计中的运用8.1 玻璃的基本性能玻璃是将原料加热到热熔融，冷却凝固所得到的非晶态无机材料。玻璃是将原料加热到热熔融，冷却凝固所得到的非晶态无机材料。（1）强度）强度玻璃的理论抗拉强度极限为玻璃的理论抗拉强度极限为12000Mpa，实际强度只有理论强度，实际强度只有理论强度的的1/3001/200，一般为，一般为3060Mpa，玻璃的抗压强度约

3、，玻璃的抗压强度约为为7001000Mpa。玻璃中的各种缺陷造成了应力集中或薄弱。玻璃中的各种缺陷造成了应力集中或薄弱环节，试件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷对抗拉强度的影响非常环节，试件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷对抗拉强度的影响非常显著，对抗压强度的影响较小。工艺上造成的外来杂质和波筋显著，对抗压强度的影响较小。工艺上造成的外来杂质和波筋(化化学不均匀部分学不均匀部分)对玻璃的强度有明显影响。在对玻璃的强度有明显影响。在50+70范围范围内玻璃的强度基本不变。内玻璃的强度基本不变。脆性是玻璃的主要缺点。玻璃的脆性指标为脆性是玻璃的主要缺点。玻璃的脆性指标为13001500(橡胶橡胶为为0.4

4、0.6，钢为，钢为400460，混凝土为，混凝土为42009350)。E越大说明脆性越大。玻璃的脆性也可以根据冲击试验来确定。越大说明脆性越大。玻璃的脆性也可以根据冲击试验来确定。在实际应用中玻璃制品经常受到弯曲、拉伸和冲击应力，较少受到在实际应用中玻璃制品经常受到弯曲、拉伸和冲击应力，较少受到压缩应力。玻璃的力学性质主要指标是抗拉强度和脆性指标压缩应力。玻璃的力学性质主要指标是抗拉强度和脆性指标 （2）硬度）硬度（3）光学性能）光学性能光学性质是玻璃最重要的物理性质。光学性质是玻璃最重要的物理性质。光线照射到玻璃表面可以产生透射，反射和吸收三种情光线照射到玻璃表面可以产生透射，反射和吸收三种

5、情况。光线透过玻璃称为透射，光线被玻璃阻挡，按一定角况。光线透过玻璃称为透射，光线被玻璃阻挡，按一定角度反射出来称为反射，光线通过玻璃后，一部分光能量损度反射出来称为反射，光线通过玻璃后，一部分光能量损失在玻璃内部称为吸收。失在玻璃内部称为吸收。玻璃中光的透射随玻璃厚度增加而减少。玻璃中光的反射玻璃中光的透射随玻璃厚度增加而减少。玻璃中光的反射对光的波长没有选择性，玻璃中光的吸收对光的波长有选对光的波长没有选择性，玻璃中光的吸收对光的波长有选择性。可以在玻璃中加入少量着色剂，使其选择吸收某些择性。可以在玻璃中加入少量着色剂，使其选择吸收某些波长的光，但玻璃的透光性降低。还可以改变玻璃的化学波长

6、的光，但玻璃的透光性降低。还可以改变玻璃的化学组成来对可见光、紫外线、红外线、组成来对可见光、紫外线、红外线、X射线、和射线、和射线进行射线进行选择吸收选择吸收 （4）电学性能）电学性能（5）热性能）热性能普通玻璃的导热系数在室温下约为普通玻璃的导热系数在室温下约为0.75W/(mk)。玻璃的导热系数约。玻璃的导热系数约为铜的为铜的1/400，是导热系数较低的材料。当发生温度变化时，玻璃产，是导热系数较低的材料。当发生温度变化时，玻璃产生的热应力很高。在温度剧烈变化时玻璃会产生碎裂，玻璃的急热稳生的热应力很高。在温度剧烈变化时玻璃会产生碎裂，玻璃的急热稳定性比急冷稳定性要强一些。定性比急冷稳定

7、性要强一些。 （6）化学稳定性能玻璃）化学稳定性能玻璃具有较高的化学稳定性，它可以抵抗除氢氟酸以外所有酸类的侵浊，具有较高的化学稳定性，它可以抵抗除氢氟酸以外所有酸类的侵浊，硅酸盐玻璃一般不耐碱。玻璃遭受侵蚀性介质腐蚀，也能导致变质和硅酸盐玻璃一般不耐碱。玻璃遭受侵蚀性介质腐蚀，也能导致变质和破坏。破坏。大气对玻璃侵蚀作用实质上是水气、二氧化碳、二氧化硫等作用的总大气对玻璃侵蚀作用实质上是水气、二氧化碳、二氧化硫等作用的总和。实践证明，水气比水溶液具有更大的侵蚀性。普通窗玻璃长期使和。实践证明，水气比水溶液具有更大的侵蚀性。普通窗玻璃长期使用后出现表面光泽消失，或表面晦暗，甚至出现斑点和油脂状

8、薄膜用后出现表面光泽消失，或表面晦暗，甚至出现斑点和油脂状薄膜等，就是由于玻璃中的碱性氧化物在潮湿空气中与二氧化碳反应生成等，就是由于玻璃中的碱性氧化物在潮湿空气中与二氧化碳反应生成碳酸盐造成的。这一现象称为玻璃发霉。可用酸浸泡发霉的玻璃表碳酸盐造成的。这一现象称为玻璃发霉。可用酸浸泡发霉的玻璃表面，并加热至面，并加热至400450除去表面的斑点或薄膜。除去表面的斑点或薄膜。原料 计量 调和料 熔窖 熔融玻璃 成型加工 玻璃制品 澄清剂 8.2 玻璃的工艺特性 (1) 计量与配料：将硅砂、苏打、芒硝、石灰石、白云计量与配料：将硅砂、苏打、芒硝、石灰石、白云石、长石、碎玻璃及其它辅助原料，按所生

9、产的玻璃种类石、长石、碎玻璃及其它辅助原料，按所生产的玻璃种类要求进行不同配比后搅拌均匀。要求进行不同配比后搅拌均匀。(2) 熔融：混合好的原料在熔融：混合好的原料在14001600的高温窑内进的高温窑内进行熔融，窑的一端不断供料，熔融的玻璃液连续从另一端行熔融，窑的一端不断供料，熔融的玻璃液连续从另一端流出。流出。(3) 澄清：玻璃原料熔化后，结晶即遭破坏，同时，硫酸盐、澄清：玻璃原料熔化后，结晶即遭破坏，同时，硫酸盐、碳酸盐分解产产生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等气体，产碳酸盐分解产产生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等气体，产生气泡，必须加入澄清剂清除气泡。采用砷的氧化物作澄清剂生气泡，必须

10、加入澄清剂清除气泡。采用砷的氧化物作澄清剂时，其作用是它产生的大气泡在上升过程中将小气泡吸收排时，其作用是它产生的大气泡在上升过程中将小气泡吸收排除，使玻璃液得以澄清。除，使玻璃液得以澄清。(4) 成型：熔融玻璃达到成型温度后慢慢冷却，根据用途成型成型：熔融玻璃达到成型温度后慢慢冷却，根据用途成型为需要形状。平板玻璃的成型方法有浇注法、轧制法、引上为需要形状。平板玻璃的成型方法有浇注法、轧制法、引上法、浮法等。法、浮法等。 8.2.1玻璃原料玻璃原料(1)主要原料主要原料 石英沙：硅沙（石英沙：硅沙（SiO2），它是重要的玻璃形成氧化物，以），它是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体（硅氧四面体

11、（SiO4）的结构组元形成不规则的连续网络，成为）的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。玻璃的骨架。硼酸、硼砂及含硼矿物：向玻璃中引入硼酸、硼砂及含硼矿物：向玻璃中引入B2O3的原料。降低的原料。降低玻璃的膨胀系数，提高热稳定性、化学稳定性和机械性能，增玻璃的膨胀系数，提高热稳定性、化学稳定性和机械性能，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽。此外，还起助熔剂作用，加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽。此外，还起助熔剂作用，能加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。能加速玻璃的澄清和降低玻璃的结晶能力。长石、瓷土、蜡石：向玻璃中引入长石、瓷土、蜡石：向玻璃中引入Al2O3的原料。提高化的原料。提高化

12、学、热稳定性能、机械强度、硬度和折射率。减轻玻璃液对耐学、热稳定性能、机械强度、硬度和折射率。减轻玻璃液对耐火材料的侵蚀，并有助于氟化物的乳浊。火材料的侵蚀，并有助于氟化物的乳浊。纯碱、芒硝：向玻璃中引入纯碱、芒硝：向玻璃中引入Na2O的原料，良好的助熔剂，的原料，良好的助熔剂，可以降低玻璃的粘度，使其易于熔融和成型。可以降低玻璃的粘度，使其易于熔融和成型。方解石、石灰石、白垩：向玻璃中引入方解石、石灰石、白垩：向玻璃中引入CaO的原料，主要作的原料，主要作用稳定剂，但含量高，易脆。用稳定剂，但含量高，易脆。硫酸钡、碳酸钡：向玻璃中引入硫酸钡、碳酸钡：向玻璃中引入BaO的原料，增加防辐射能的原

13、料，增加防辐射能力，常用于制作高级器皿、光学玻璃、防辐射玻璃等。力，常用于制作高级器皿、光学玻璃、防辐射玻璃等。铅化物：向玻璃中引入铅化物：向玻璃中引入PbO的原料，增加玻璃的密度，提的原料，增加玻璃的密度，提高玻璃的折射率，使玻璃制品具有特殊的光泽和良好的电性高玻璃的折射率，使玻璃制品具有特殊的光泽和良好的电性能。铅玻璃的高温粘度小，熔制温度低，易于澄清，硬度小，能。铅玻璃的高温粘度小，熔制温度低，易于澄清，硬度小，便于研磨抛光。便于研磨抛光。（2）辅助原料）辅助原料:澄清剂，着色剂，脱色剂，乳浊剂，助熔剂澄清剂，着色剂，脱色剂，乳浊剂，助熔剂脱色剂：原料中的杂质如铁的氧化物会给玻璃带来色泽

14、，常脱色剂：原料中的杂质如铁的氧化物会给玻璃带来色泽，常用纯碱、碳酸钠、氧化钴、氧化镍等作脱色剂，它们在玻璃中用纯碱、碳酸钠、氧化钴、氧化镍等作脱色剂，它们在玻璃中呈现与原来颜色的补色，使玻璃变成无色。此外，还有与着色呈现与原来颜色的补色，使玻璃变成无色。此外，还有与着色杂质能形成浅色化合物的减色剂，如碳酸钠能与氧化铁氧化成杂质能形成浅色化合物的减色剂，如碳酸钠能与氧化铁氧化成二氧化二铁，使玻璃由绿色变黄色。二氧化二铁，使玻璃由绿色变黄色。 着色剂：某些金属氧化物能直接溶于玻璃溶液中使玻璃着着色剂：某些金属氧化物能直接溶于玻璃溶液中使玻璃着色。如氧化铁使玻璃呈现黄色或绿色，氧化锰能呈现紫色，氧

15、色。如氧化铁使玻璃呈现黄色或绿色，氧化锰能呈现紫色，氧化钴能呈现蓝色，氧化镍能呈现棕色，氧化铜和氧化铬能呈现化钴能呈现蓝色，氧化镍能呈现棕色，氧化铜和氧化铬能呈现绿色等。绿色等。 澄清剂：澄清剂能降低玻璃熔液的粘度，使化学反应所产澄清剂：澄清剂能降低玻璃熔液的粘度，使化学反应所产生的气泡，易于逸出而澄清。常用的澄清剂有白砒、硫酸钠、生的气泡，易于逸出而澄清。常用的澄清剂有白砒、硫酸钠、硝酸钠、铵盐、二氧化锰等。硝酸钠、铵盐、二氧化锰等。乳浊剂：乳浊剂能使玻璃变成乳白色半透明体。常用乳浊剂乳浊剂：乳浊剂能使玻璃变成乳白色半透明体。常用乳浊剂有冰晶石、氟硅酸钠、磷化锡等。它们能形成有冰晶石、氟硅酸

16、钠、磷化锡等。它们能形成0.11.0m的颗粒，悬浮于玻璃中，使玻璃乳浊化。的颗粒，悬浮于玻璃中，使玻璃乳浊化。 8.2.2 玻璃的熔制玻璃的熔制 玻璃的熔制是指将配合料经过高温熔融，形成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型要求的玻璃液的过程。均匀无气泡并符合成型要求的玻璃液的过程。大致过程：硅酸盐的形成；玻璃的形成；澄清；均大致过程：硅酸盐的形成；玻璃的形成；澄清；均化和冷却五个阶段。化和冷却五个阶段。8.2.3 玻璃的成型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尺寸的玻璃制品的工艺过

17、程.（1）压制成型）压制成型（2）吹塑成型）吹塑成型（3）拉制成型）拉制成型（4）压延成型）压延成型其他新方法：浮法玻璃。其他新方法：浮法玻璃。8.2.4 玻璃的热处理玻璃的热处理:退火和淬火退火和淬火退火：消除制品内部的热应力，还可以使内部结构均匀。退火：消除制品内部的热应力，还可以使内部结构均匀。淬火：在玻璃表面形成一个有规律、均匀分布的压力层，淬火：在玻璃表面形成一个有规律、均匀分布的压力层，提高玻璃制品的机械强度及热稳定性。提高玻璃制品的机械强度及热稳定性。8.2.5 玻璃制品的二次加工玻璃制品的二次加工（1）玻璃的冷加工）玻璃的冷加工基本方法：研磨、抛光、切割、喷沙、钻孔和车刻等。基

18、本方法：研磨、抛光、切割、喷沙、钻孔和车刻等。（2）玻璃的热加工）玻璃的热加工主要方法：火焰切割、火抛光、钻孔等。主要方法：火焰切割、火抛光、钻孔等。（3）玻璃制品的表面处理）玻璃制品的表面处理表面处理包括玻璃制品光滑面与散光面的形成、表面着表面处理包括玻璃制品光滑面与散光面的形成、表面着色和表面涂层等。色和表面涂层等。玻璃彩饰：利用彩色釉料对玻璃制品进行装饰的过玻璃彩饰：利用彩色釉料对玻璃制品进行装饰的过程。常见的方法有：描绘、喷花、贴花、印花等。程。常见的方法有：描绘、喷花、贴花、印花等。玻璃蚀刻玻璃蚀刻8.3 常用的玻璃材料8.3.1 玻璃材料的分类玻璃材料的分类（1）按玻璃的用途和使用环境分类）按玻璃的用途和使用环境分类日用玻璃日用玻璃技术玻璃技术玻璃建筑玻璃建筑玻璃玻璃纤维玻璃纤维（2）按玻璃的特性分类）按玻璃的特性分类按玻璃的气密性、头光性、光学特性、化学耐久性、电及热特按玻璃的气密性、头光性、光学特性、化学耐久性、电及热特性、强度、硬度、加工性以及装饰性等特性可将玻璃分为平板性、强度、硬度、加工性以及装饰性等特性可将玻璃分为平板玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、泡沫玻璃等。（见表玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、泡沫玻璃等。（见表9-2）（3）按玻璃化学成分分类）按玻璃化学成分分类钠钙硅酸盐玻璃钠钙硅酸盐玻璃铅玻璃铅玻璃石英玻璃石英玻璃特殊成分玻