玻璃工艺学第5章 玻璃的力学性质和热学性质

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玻璃的力学性质机械强度弹性硬度与脆性密度5.2玻璃热学性质热膨胀系数比热导热系数热稳定性 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E r ath= a 结构单元的平衡距离th约1010帕，而实际强度不足108帕一般 F= 3

2、4.383.3106 帕 c= 49196108 帕2.Griffith断裂理论2.1 要点(1) 实际强度低的原因是表面与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。(2) 微裂纹起应力中心作用。应力集中是使应力扩展 的 动力。(3) 玻璃的断裂从微裂纹开始，比无缺陷的玻璃发生早。2.2 玻璃的断裂过程裂纹源镜面区雾状区颈毛区(2) 次生裂纹的形成最初传播速度较慢，然后急剧增大。 (1) 初生裂纹的缓慢扩展（形成镜面区） dw/dcdu/dc=0 f= 2Ez /c z 形成新裂纹的表面能a. 外力超过f 时玻璃断裂b.

3、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（5-6）2.3 Griffith方程前提：断裂时新增的表面能由弹性应变能提供。2 c3.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

4、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后可能由塑性变形使f。200C Tf（6）温度（7）疲劳现象解释： 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。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。 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(1) 物理钢化: 使玻璃表面产生均匀分布的压

5、应力层。(2) 化学钢化: r大离子取代r小离子(3) 贴层玻璃: 在玻璃表面贴一层低的物质（陶瓷釉）(4) 火抛光: 使玻璃表面伤痕、裂纹弥合。(5) 覆盖硅有机化合物 放入氯硅烷（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。6.测定(1)抗张强度测定试样：6mm60mm,中心部分33.5mm，不少于10个。测试仪器：万能试验仪。(2)抗压强度测定试样：3005mm的正方形玻璃块10块，表面平滑。测试仪器：试验压机。(3)抗冲击强度测定试样：45mm的立方体或5mm5mm圆柱体，平行，光滑。测试仪器：抗冲击强度测试仪。1. 概述

6、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（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）(Na2OAl2O3)B2O3= （2）热处理* 淬火玻璃EB2O3 (MgO ZnO BaO) Al2O3 Fe2O3 K2O Na2O PbO3. 组成对硬度的影响 2. 表示方法 (1)玻璃破坏时受到的冲击强度表示。 (2)脆弱度: D=C/S C是耐压强度 Ph VPh为总

7、功 V为试样体积S=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) 脆裂负荷:压痕发生破裂时的负荷值.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大。* 均匀淬火试样强度比退火样大57倍，脆性大大降低。1. 定义：物质单位体积的质量 d = m/V 是表征玻璃结构的一个标志, 生产上用于日常控制玻璃成分。四、玻璃的密度density2. 影响因素 密度取决于原子质量、堆积密度及配位数等。（1）组成（2）温度 （3）热历史 （4）压力（1）组成* 单组分玻璃密度最小.* r较小的M离子填充网络，使d增

8、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 (室温1300 C) d(612%)（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.生产应用:控制生产工艺. 取样:定点,定时,定条件.4.密度的计算 V=1/D = Vmfm4.密度的测定 悬浮法 比重法 下沉法（1） 悬浮法 原理：阿基米德原理（2）比重法： 测定玻璃粉末试样的重量

9、和所占的体积， 计算出单位体积的重量值。 不宜于测定玻璃纤维，泡沫玻璃，熔融玻璃，烧结玻璃的密度（3） 下沉法 原理：根据液体相对与玻璃随温度变化时，液体的膨胀系数比玻璃的膨胀系数大得多，则液体的密度减少。 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.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/C2.热膨胀系数通常指线膨胀系数，

10、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/C3.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+）* 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

11、 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。 在喷灯上加热，分别将棒的一端作成大约10154毫米的铲形，使两个铲形彼此重叠，在火焰上熔接在一起，将两棒中任何一

12、根在焊接处截断，将焊接在一起的铲形玻璃在灯上强烈加热并拉制成长500毫米以上、厚0.100.3毫米的双层玻璃线。 截取制好的一段双层线（长24010、厚0.10.3），将测量好的双层线放在250300的玻璃板上，玻璃板下有一镜面，镜面上有画好的坐标图，以纵坐标为对称轴，左右各100毫米的方式对齐。在弦长为200毫米处，量出线的弯曲高度（h）（mm），每一次试验应有56根玻璃线，拉制好的双层线在冷却时向膨胀系数较大的玻璃层弯曲。h20mm,8. 的计算 =iPi9.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 spec

13、ific heat1.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1mddt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+Co0.00146t+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。到软化点Ts时可增大一倍。 低温时热传导占主要地位,其大小主要取决于化学组成; 高温时热辐射传热起主导作用.* SiO2、Al2O3、B2O3、Fe2O3使增大。 PbO、BaO较高可降低。*与颜色的关系 玻璃的颜色越深,起导热能力越小. (颜色越深,池深要浅;退火不良;对钢化有利;熔制耗热量低)3.计算巴里赫尔公式 =Pii四、玻璃的热稳定性 thermal stability 1.定义：玻璃受剧烈温度变化而不破坏的性能。 常用试样在保持不破坏条件下