玻璃的性质ppt

　　第三节 玻璃的性质;化学稳定性； 力学性质； 热学性质； 电磁学性质； 光学性质; 玻璃制品在使用过程中要受到水、酸、碱、盐类、气体及其它化学试剂溶液的侵蚀，玻璃对这些侵蚀的抵抗能力叫做化学稳定性。 ;脱片;餐台;（1）水对玻璃的侵蚀;（1）水对玻璃的侵蚀;（1）水对玻璃的侵蚀;（1）水对玻璃的侵蚀; 在相同pH值的碱溶液中，不同阳离子的碱侵蚀深度顺序如下： Ba2+Sr2+≥NH4+Rb+≈Na+≈Li+N(CH3)4+Ca2+。 ;（1）水对玻璃的侵蚀;大气对玻璃的侵蚀过程：; 实践证明，对于玻璃来讲，水气比溶液对其侵蚀更大。 水溶液对玻璃的侵蚀是由于玻璃中的Na+与溶液中H+的交换，当表面层中Na+逐渐减少后，使侵蚀变得缓慢，最后趋于停止。 但是，水气是以微粒水滴粘附在玻璃表面的。释放出的碱没有被移走，而是在不断积累。随着侵蚀的进行，碱浓度越来越大，使PH值上升，最后类似于碱，从而大大加速对玻璃的侵蚀。 因此，水气对玻璃的侵蚀，先是以离子交换为主的释碱过程，后来逐步过渡到以破坏网络结构为主的溶蚀过程。 ;影响化学稳定性的因素; （5）[AlO4]的存在，可以对硅氧网络起修补的作用，提高玻璃的耐水性；但是当[AlO4]含量较高时，由于其体积比[SiO4]大，因而使网络紧密程度下降，玻璃的化学稳定性随之下降； （6）以二价、三价、四价的氧化物取代Na2O时，可以显著提高玻璃的化学稳定性。; 在钠硼硅酸盐玻璃中，退火过程中会发生分相。形成富钠硼相和富硅氧相。 分相后，如果形成孤岛滴状结构：即富钠硼相被SiO2相包围，使富钠硼相免受介质的侵蚀，从而提高玻璃的化学稳定性。 但是，如果形成两相连通的结构，则会大大降低玻璃的化学稳定性。因为富钠硼相容易被介质所侵蚀。; 2.在玻璃表面涂覆一层与玻璃有很好的亲和力，但是与侵蚀介质反应活性较低的物质。通常是涂覆有机化合物来提高玻璃的抗蚀性。比如硅有机化合物可以显著提高玻璃的抗水性和抗酸性。也可以采用氟化物、氧化物和金属等进行无机涂膜。;3.2玻璃的力学性质;按照Orowan估算玻璃的理论强度可以近似地表示为： σn ≈0.2E E—弹性模量当，E=58.8GPa时，玻璃的理论抗折强度等于11.76GPa。表面上无严重缺陷的玻璃纤维，其平均强度可达686Mpa，理论强度的1/2；窗玻璃和瓶罐玻璃的实际抗折强度6.86Mpa，与理论强度相差2~3个数量级。;（二）玻璃的弹性 玻璃的弹性主要是指弹性模量E(即杨氏模量)，剪切模量G，泊松比μ和体积压缩模量K。 弹性模量是表征材料应力与应变关系的物理量，是表示材料变形的抵抗力。;（1）玻璃的弹性模量与成分的关系 （2）玻璃的弹性模量与热处理的关系 应变的存在使玻璃的弹性模量下降，因此相同组成淬火玻璃的弹性模量较退火玻璃小，一般要低2-7%。 玻璃纤维的弹性模量要比同组成的退火玻璃为低；这是由于玻璃纤维是在几十分之一秒的瞬间凝固而成的，例如，块状玻璃的弹性模量E为803.6×108Pa，而同成分的玻璃纤维E仅为774.2×108Pa，这可能解释为常温下玻璃纤维的结构在一定程度上保持了高温状态的结构，但玻璃纤维只要在300-350C热处理若干时间后再冷却至室温，弹性模量与块状玻璃的就相同。 玻璃在微晶化后弹性模量增高。对不同组成的L2O-K2O-Al2O3-SiO2系统玻璃，以Au为成核剂诱导析晶后，其弹性模量普遍增高，其值可达10%左右随组成而有不同，当A12O3含量为7%时出现最高值。;（1）玻璃的弹性模量与成分的关系 （2）玻璃的弹性模量与热处理的关系 （3）玻璃的弹性模量与温度关系 大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而下降。这是由于离子间距离增大，相互作用力降低，从而弹性模量也随着降低。此外，高温时质点热运动动能的增加也是一个原因。 但是，对于石英玻璃、高硅氧玻璃和派来克斯玻璃由于其膨胀系数小，当温度升高时，其弹性模量反而增加。;（三）玻璃的硬度和脆性 硬度是表示物体抵抗其他物体侵入的能力。硬度的表示方法有：莫氏硬度(划痕法)，显微硬度(压痕法)、研磨硬度(磨损法)和刻划硬度(刻痕法)等等。 玻璃的硬度决定于化学成分,石英玻璃和含有10-12%的B2O3的硼硅酸盐玻璃硬度最大，多铅的或碱性氧化物的玻璃硬度较小。各种氧化物组份对玻璃硬度提高的作用大致是： SiO2B2O3(MgO、ZnO、BaO)Al2O3Fe2O3K2ONa2OPbO 一般玻璃硬度值在莫氏硬度5-7之间。;3.3玻璃的热学性质;重点考察热膨胀系数与成分、温度、微晶化的关系。; （1）热胀系数与成分的关系 （2）热胀系数与温度的关系 计算热膨胀系数实际上是平均值，是与转变温度下某一温度段相对应的。因此，与实际样品的热膨胀系数是有一定区别的，只是一种近似。所以，最终通过计算获得的热膨胀系数是一些线）热胀系数与成分的关系 （2）热胀系数与温度的关系 （3）玻璃微晶化对热胀系数的影响 微晶玻璃以能制得很大范围的热膨胀系数而著称。 一方面可以制得具有负的热膨胀系数的材料； 另一方面又可以制得很高的正热膨胀系数的材料。而两者之间还有一些热膨胀系数几乎等于零的微晶玻璃材料。; 比如要求材料具有很高的热冲击能力，则其热膨胀系数要尽可能低，以便把材料中由温度应力造成的破坏降到最低。 又如要把玻璃焊接到金属器件上时，需要它们的热膨胀系数近似匹配，防止结合件在加热或冷却时产生高应力。 在大型光学镜头应用中，随着温度变化，玻璃尺寸的稳定性是非常重要的，此时需要一种热膨胀系数接近零的玻璃材料。 这些单纯依靠均匀的无定形玻璃体是不能完成的，就要靠微晶玻璃。;3.3.2玻璃的比热; 比热与玻璃的化学组成有关。SiO2、Al2O3、B2O3、MgO、Na2O，特别是Li2O能提高玻璃的比热，含有大量PbO或BaO的玻璃比热较低，其余氧化物的影响不大。; 玻璃的导热系数随稳定的升高而增加，下图为石英玻璃的导热系数与温度的关系。;3.3.4玻璃的热稳定性;3.4玻璃的电磁学性质;导电性的影响因素 （1）化学组成（2）温度（3）热处理;(1)化学组成 （2）温度 玻璃的电导率是随温度的上升而上升。 ;b.自软化点开始玻璃的电导率用下式表示： ;3.4.2玻璃的介电损失 玻璃作为电介质使用时，由于交流电场的作用，它会因极化或吸收使部分电能转变为热能而损耗，这种能量的损失称为介电损失。 玻璃的介电损失是由于电子位移和离子位移所导致的离子极化、分子极化和空间电荷极化所引起的，所以凡是体积电阻率小的，其介电损失就大，当温度升高时，由于体积电阻率的减小，故tgδ值亦增大。 玻璃的介电损失亦决定于它的化学组成，凡是能增大玻璃电导率的成分都会增大介电损失，所以含有大量的碱金属氧化物的玻璃就有较大的介电损失，特别是Na2O。反之，二价氧化物则降低介电损失，如PbO，BaO，CaO等。 ;3.4.3玻璃的介电强度 当施加于电介质的电压超过某一临界值时，介质中的电流突然增大，这一现象称为电击穿。 电子击穿是由于电压直接加速了物质内部电子对其他原子的冲击，从而激发更多电子从价带跃迁到导带，最后引起电子的雪崩过程而击穿。还有一种原因，认为是属于电化学击穿的，即玻璃长时间停留在恒定的电场中，使组成破坏，产生不可逆的化学变化，改变了电极附近的玻璃成分。结果玻璃中的电场变得不均匀甚至产生导致破裂的巨大应力而击穿。电化学击穿产生的时间与玻璃电导率的大小有关。 玻璃的组成对介电强度影响很大。在玻璃组成中引入SiO2能促使介电强度增加，碱性氧化物则使介电强度降低，厚度为2-6mm的工业玻璃，其极限电压达30-70kV，透明石英玻璃的击穿强度有的达400kV/cm，对于不透明的石英玻璃则在150-200kV/cm之间。最好的玻璃能经受5000kV/cm的电场强度而不会被击穿。 此外，玻璃的击穿电压还与温度、电压增高速度，玻璃的内部缺陷(如气泡等，以及电场的均匀与否有关。在电真空技术中，大功率和高???压的电子器件使用玻璃作为绝缘零件时，要特别注意。;3.4.4玻璃的半导体性 半导体材料的电阻率是介于金属(电阻率为10-6Ω·m)与绝缘体(电阻率为1016-1024Ω·m)之间。一般在10-1-1011Ω·m之间。 能生成电子导电的半导体玻璃的物质有： ⑴含有多价过渡元素的玻璃，如钒酸盐玻璃(如BaO、V2O5)，磷钒酸盐玻璃以及在磷酸盐，硼酸盐或硅酸盐玻璃的基体中引入多价过渡离子如钒，铁，钴和锰。 ⑵第VI族元素S，Se和Te以单质形成的玻璃，或这些元素与第V族的P，As，Sb，Bi相结合形成的玻璃的电子导电性，已作了较深入的研究。 ⑶各种薄膜玻璃，如在氧化物玻璃薄膜中加入铂族金属Pt，Ir，Pd，Re和Ru，这样的薄膜中可能有晶态氧化物出现。又如把Ge，Si和InSb的蒸汽沉积下来成为薄膜，单质Te也属于这一类，它只能以薄膜形式生成玻璃。;3.4.5玻璃的磁学性质 含有过渡金属离子和稀土金属离子的氧化物玻璃一般具有磁性。例如，以磷酸盐玻璃，硼酸盐玻璃或氟化物玻璃为基础，掺入钇，镝，钛和铥就具有磁性，而且是一种强磁性物质，可作电子计算机记忆元件。 一般玻璃为弱磁性物质，但是含有铁磁性晶体的微晶玻璃可具有强磁性。如B2O3-BaO-Fe2O3玻璃在合适的热处理制度下析出BaFe12O19或Fe2O3·Fe3O4；B2O3-MnO-Fe2O3玻璃也可析出铁磁性微晶。含铁磁物质的玻璃通过快冷就可以得到含100埃大小铁磁颗粒，并且通过热处理微晶化的方法控制析出晶相和大小，以改变玻璃的磁性。强磁性微晶玻璃随微晶颗粒的大小不同，可以有不同的磁性。 玻璃的磁性与玻璃组成的电子构型有密切的关系。而电子构型对磁性的贡献强烈地受周围电场的影响，这与光的吸收特性极为相似，因此顺磁性和光吸收用配位场理论可作最好地解释。;3.5玻璃的光学性质;（1）光吸收 光入射到玻璃上，各组分以不同方式吸收光子能量。 紫外、可见、近红外使组分电子的能级发生变化。 而红外光的吸收则伴随离子振动能级的变化。;（2）折射率 玻璃折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低。 这是由于光通过玻璃时，光波引起玻璃内部质点的极化变形，光波损失部分能量，使光速降低。 n=c/v; （3）网络形成体离子对玻璃折射率相对影响小 网络形成体离子半径小，电价高，场强大，不易受外电场的作用而极化。同时，它们还能束缚周围的离子。因此，网络形成体离子对玻璃折射率起降低作用。 玻璃的折射率符合加和法则： n=n1p1+n2p2+……+nnpn p-----玻璃中各氧化物的质量百分数 n-----玻璃中各氧化物的折射率计算系数;各氧化物对玻璃折射率的影响; 2)温度的影响 温度升高,玻璃的体积膨胀,密度降低,折射率降低.; 一般对玻璃的乳白性影响最大的是微粒与玻璃的折射率之差，其差值越大乳浊性越大。 如二氧化钛的折射率（2.76）与玻璃（1.84）差别最大，是最有效的乳浊剂。玻璃中常用的乳浊剂为氟化物，但是其折射率比玻璃小，因此适当增大玻璃的折射率（加入一些PbO、ZnO等）也可提高乳浊性。 ;光学玻璃的应用——光存储器;保护板

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