第5章玻璃性能及加工技术

第5章玻璃的性能及加工技术玻璃是古老而又新兴奇特而又美丽的材料美化环境丰富生活晶莹剔透冰清玉洁5.1玻璃概述

玻璃的使用可追溯到石器时代，人们用天然的火山玻璃(黑曜岩火山玻璃)做切削工具。人工玻璃是在烧制陶器的时候，（火、沙子和天然碳酸钠结合）很偶然地被发现的，至今为止发现的最古老的人工制造的玻璃是在古埃及的国王陵墓里发现地玻璃珠，可追溯到公元前3500年。

在中国,从出土的玻璃器来看，我国西周至战国时期的玻璃工艺已趋于成熟。春秋末战国初出现了蜻蜓眼玻璃珠和仿玉玻璃器，汉代玻璃产地分布在中原地区，生产铅钡玻璃（西方古玻璃一直以钠钙为主)。魏晋南北朝时期，随着罗马、波斯玻璃器的大量输入，我国自制玻璃减少。

到了清初，当欧洲制造的晶莹的玻璃制品传入我国后，颇受皇室喜爱。当时清宫征调了最优秀的制作人员在玻璃供职，同时还有欧洲的技术人员进行技术指导与制作，于是，中西方的玻璃制造技术在清宫玻璃厂汇合了。

现代玻璃的应用广泛，应用于光纤技术、光学技术、化工、建筑等领域。

玻璃是以石英砂、长石、石灰石等为主要原料，加入某些金属氧化物、化合物等辅助原料，经高温加热熔融、冷却凝固所得的非晶态无机材料。(1)强度：理论上是高的，但实际上是低的。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。一种脆性材料，其强度一般用抗压、抗拉强度等来表示。玻璃的抗拉强度较低，玻璃的抗压强度约为抗拉强度的14~15倍。5.2玻璃的基本性能(2)硬度：很高

硬度仅次于金刚石、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；玻璃的硬度值在莫氏硬度5~7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。(3)光学性质：吸收、透过、折射和反射光线。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。5.2玻璃的基本性能(4)电学性能

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。(5)热性质玻璃的导热性很差，一般经受不了温度的急剧变化。制品越厚，承受温度急剧变化的能力越差。

5.2玻璃的基本性能(6)化学稳定性化学性质较稳定。大多数工业用玻璃都能抵抗除氢氟酸以外酸的腐蚀．但耐碱腐蚀性较差。长期在大气和雨水的侵蚀下，表面会失去光泽。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。(7)密度相对密度：与化学组成有关，温度升高后会减小。

5.2玻璃的基本性能

玻璃的制品制造工艺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，如图所示。5.3玻璃的工艺特性玻璃制品制造工艺过程玻璃原料分为主要原料和辅助原料两类。前者决定了玻璃制品的物理化学性质，后者赋予玻璃制品某些特殊性能和加速熔制过程。5.3.1玻璃原料（1）主要原料石英砂：又称硅砂，主要成分是SiO2，以硅氧四面体[SiO4]的结构组元形成不规则的连续网络，是玻璃的骨架。硼酸、硼砂及含硼矿物：向玻璃中引入B2O3的原料。作用：降低玻璃的膨胀系数，提高其热稳定性、化学稳定性和机械强度，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光泽。还起助溶剂作用。

5.3.1玻璃原料（1）主要原料长石、瓷土、蜡石：向玻璃中引入Al2O3的原料。作用：提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度和折射率。纯碱、芒硝：向玻璃中引入碱金属氧化物Na2O的主要原料。作用：降低玻璃粘度，使其易于熔融和成型。方解石、石灰石、白垩：向玻璃中引入CaO的主要原料。作用：作为稳定剂，含量高时易使玻璃发脆。含量不超过12.5%。5.3.1玻璃原料（1）主要原料硫酸钡、碳酸钡：向玻璃中引入BaO的主要原料。作用：吸收辐射性能力较强，用于制作高级器皿玻璃、光学玻璃、防辐射玻璃等。铅化合物：向玻璃中引入碱金属氧化物PbO的主要原料。作用：能增加玻璃密度，提高折射率，使玻璃制品具有特殊的光泽和良好的电性能。5.3.1玻璃原料（2）辅助原料澄滴剂：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.着色剂：使玻璃制品着色的添加剂称为着色剂，通常使用锰、钴、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。5.3.1玻璃原料（2）辅助原料脱色剂：为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、钒等化合物和有机物的有害杂质。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．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。5.3.1玻璃原料5.3.2玻璃熔制

玻璃熔制是将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液（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，另一种是池窑。5.3.2玻璃熔制

各种配合料在加热至高温并形成玻璃的过程，大致可分为硅酸盐的形成、玻璃的形成、澄清、均化和冷却五个阶段。钠-钙-硅玻璃的熔制过程

坩埚窑结构示意图坩埚窑

玻璃料盛在坩埚（一般用黏土、石墨等耐火材料制成，用于熔化金属或其他物质的器皿）内，在坩埚外面加热。现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。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℃。池窑主要由用耐火砖砌建的熔制池和蓄热室或换热室等所组成。用于制造平板玻璃、瓶罐玻璃、玻璃管等。

5.3.3玻璃的成型工艺

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、压延成型。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。下图为玻璃压制成型示意图。压制成型示意图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。下图为机械吹制法成型广口瓶的示意图。机械吹制成型示意图

吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用来制造瓶、罐、器皿、灯泡等。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，主要用来生产平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维等。垂直引上拉管及产品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。下图为压延成型的示意图。压延成型示意图浮法成型是生产平板玻璃的主要方法。浮法玻璃的成型是在通入保护气体（N2及H2）的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平，再经过一系列的处理，得到上下表面平整、互相平行、厚度均匀的平板玻璃。

5.浮法成型5.4玻璃制品的二次加工

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。

研磨：磨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。抛光：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。切割：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。1.玻璃制品的冷加工钻孔：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。磨边：磨除玻璃边缘棱角和粗糙截面的方法。喷砂：通过喷枪用压缩空气将磨料喷射到玻璃表面以形成花纹图案或文字的加工方法。

1.玻璃制品的冷加工1.玻璃制品的冷加工车刻：通过车刻工具,对玻璃进行雕刻,抛光,从而使玻璃表面产生出晶莹剔透的立体线条,构成简洁明快的现代画面,广泛用于门窗,书柜,洒柜,起到点缀装饰作用。

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散光面的形成(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。(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。

(1)玻璃彩饰描绘：按图案设计要求用笔将釉料涂绘在制品表面；喷花：将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：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：采用丝网印刷方式用釉料将花纹图案印在制品表面。

(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等。5.5常用玻璃材料5.5.1玻璃材料的分类(1)按玻璃的用途和使用环境分类日用玻璃—瓶罐玻璃、器皿玻璃、装饰玻璃等。技术玻璃—光学玻璃、仪器玻璃、管道玻璃、电器用玻璃、医药用玻璃、特种玻璃等。建筑玻璃—窗用平板玻璃、镜用平板玻璃、装饰用平板玻璃、安全玻璃。玻璃纤维—无碱纤维、低碱纤维、中碱纤维、高碱纤维等。以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，直径相当于一根头发丝的1/20-1/5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维通常用作复合材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等领域。玻璃纤维(2)按玻璃的特性分类按玻璃的气密性、适光性，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容器玻璃光学玻璃电真空玻璃工艺美术玻璃建筑用玻璃光纤玻璃照明器具玻璃特种玻璃(3)按玻璃的功能分类钢化玻璃吸热玻璃热反射玻璃夹层玻璃夹丝玻璃中空玻璃曲面玻璃吸热玻璃：能吸收大量热射线并保持良好透明度，具有控制阳光与热能透过的功能。吸热玻璃是在普通硅酸盐玻璃中引入一定量的着色氧化物或在玻璃表面喷涂着色氧化物薄膜而具有吸热性。常见的吸热玻璃颜色有茶色、蓝色、灰色、绿色等。多用作建筑物门窗、幕墙及车、船风挡玻璃等，起采光、装饰、防眩、节能作用。是采用本体着色工艺制得的吸热玻璃产品。该产品良好的吸热功能，可降低太阳光的直接透射比，收到一定的节能效果；颜色的多彩性，赋予现代建筑愉悦的装饰功能。该产品又可作为镀膜玻璃的优良基板。浮法彩色玻璃幕墙夹层玻璃：利用透明、粘接力强的塑料膜片将两块或两块以上的平板玻璃在高温高压作用之下粘接起来的玻璃。主要用作汽车、飞机的风挡玻璃，防弹玻璃，也用于有特殊安全要求的建筑物门窗、幕墙及展示陈列等方面。防弹玻璃的结构示意图钢化玻璃：又称强化玻璃。经强化处理而具有良好机械性能和耐热震性能的玻璃。通常钢化玻璃多指经风淬火处理的玻璃。钢化玻璃破碎后裂成圆钝的小碎片，碎片不带尖锐棱角，可减少对人的伤害。钢化玻璃不能进行机械切割、钻孔等加工。多用于交通运瑜车辆的车窗和建筑门窗，隔墙等。夹丝玻璃：又称防碎玻璃和钢丝玻璃。它是把普通平板玻璃加热到红热软化状态，将预热处理的金属丝或金属网压入玻璃中间而制成的。夹丝玻璃在遭受冲击或温度剧变时破而不缺，裂而不散，具有较好的安全性和防火性。常用于建筑物的门窗、走廊、天井等处。中空玻璃：又称隔热玻璃，是在两块或多块平板玻璃之间充以干噪气体，四周边缘用胶接、焊接或熔接的方法密封而成的玻璃制品。具有优良的保温、隔热、隔声及防结露等性能。可用彩色玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、镀膜玻璃等作外层原片，以改善性能和装饰效果。广泛用干铁路车辆、建筑物、冷藏库、冷藏橱柜等处。(4)按玻璃的化学成分分类玻璃由二氧化硅、纯碱、石灰石等在1550~1600℃高温下熔融后经过拉制或压制而成。如果在玻璃中加入某些金属氧化物、化合物或经过特殊工艺处理，又可制得具有各种同特殊性能的特种玻璃。钠钙玻璃铝镁玻璃钾玻璃硼硅玻璃铅玻璃石英玻璃5.6玻璃在设计中的应用

玻璃以其天然的、极富魅力的透明性和变化无穷的色彩感和流动感，充分展现了玻璃的材质美。器皿艺术、装饰品家具建筑灯具汽车玻璃1.器皿玻璃当