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1、工程玻璃与镀膜,第一章 平板玻璃概述,玻璃的概念、特性与结构 1.玻璃的概念 玻璃是一种非晶态固体材料，是由熔体过却，黏度快速增大而固化得到的介稳态无机物质。2.玻璃的特性（1）各向同性 玻璃态物质各个方向上的硬度、弹性模量、热膨胀系数、导电率等物理化学性质都是相同的。,（2）亚稳性熔体在冷却过程中黏度急剧增大，质点来不及有规则排列而形成晶体，没有释放出凝固热，比相应的结晶态物质有较大的能量，属于亚稳状态。,（3）无固定熔点玻璃态物质由固体转变为液体是在一定温度区域（软化温度范围）内进行的，与固态物质不同，没有确定的熔点。,（4）变化的可逆性,玻璃态物质从熔融状态冷却（或相反加热）过程中，物理
2、化学性质产生连续的可逆的变化。,（5）连续可变性玻璃的性质（在一定范围内）随成分发生连续和逐渐的变化。,3.玻璃的热历史及其对性能的影响,（1）热历史的概念：玻璃从高温液态冷却，通过转变温度区域和退火温度区域的经历。转变温度区域（转变区）：在此区域内玻璃从典型的液体状态逐渐转变为具有固体各项性质（弹性、脆性等）的物体。一般用Tg和Tf分别表示转变温度区的下限和上限。Tg又称转变温度；Tf又称软化温度。,图1-3 玻璃在转变温度范围内性质的变化,Tf 相当于黏度=10810帕秒。在Tf以上：液态，结构改变能适应温度的变化。Tg相当于黏度=1012.4帕秒。Tg以下，固态，温度变化的快慢对结构性能
3、影响也很小。,在Tf-Tg范围内：玻璃黏度介于上述两种情况间，质点可以适当移动，结构的改变不能适应温度的较大变化。因此，玻璃的结构状态及一些与结构敏感的性能由Tf-Tg区间内保持的温度所决定。玻璃的热历史主要指这一温度区的热历史。,（2）热历史对性能的影响 密度：急冷（淬火）和慢冷（退火）的同成分玻璃密度常有较大差别。黏度：玻璃黏度与温度有关，也与热历史有关。热膨胀：一般来说Tg-Tf之间的热历史对热膨胀系数由明显影响。同成分的淬火玻璃比退火玻璃热膨胀系数大百分之几。,4.玻璃的结构,短程有序和长程无序，即在宏观上玻璃主要表现为均匀和连续性方面，而在微观上它又是有序、微不均匀和不连续的。,短程
4、有序：“晶子”学说：晶格变形的有序区域分散在无定形介质中。,长程无序：无规则网络学说：结构单元形成连续的、均匀的、不规则的三维空间网络。,5.玻璃成分、结构与性能之间的关系,总的规律：玻璃的成分通过结构决定性质。,玻璃的性质分两大类：第一类性质：具有迁移特性的性质，在玻璃成分与性质之间不是简单的加合关系。如：电导、电阻、黏度、介电损耗、离子扩散速度、化学稳定性等。第二类性质：非迁移性质，可根据玻璃成分和某些特定的加合法则进行推算。如：折射率、分子体积、色散、密度、弹性模量、弯曲模量、硬度、热膨胀系数、介电常数等。,二.玻璃的成分及各氧化物的作用,玻璃的成分 氧化物玻璃成分可分为三类：网络形成体
5、氧化物，网络外体氧化物和中间体氧化物。,（1）网络形成体氧化物：能单独形成玻璃，在玻璃中能形成各自特有的网络体系。如：SiO2，B2O3，P2O5，GeO2等酸性氧化物。,（2）网络外体氧化物：不能单独形成玻璃，不参加网络，一般处于网络之外。如：碱性氧化物，碱土金属氧化物等。,（3）网络中间体氧化物：一般不能单独形成玻璃，有时能参加网络，起网络形成体作用，有时处于网络之外，起网络外体作用。如：BeO,ZnO,Al2O3,Ga2O3,TiO2等。,2.平板玻璃的成分,不同类型的钠钙硅玻璃成分有较大差别。普通平板玻璃的成分主要有以下氧化物(wt%)。,SiO2 7073 CaO 712MgO 1.
6、04.5 Al2O3 0.22Fe2O3 0.080.14 R2O 1315,3.各氧化物在玻璃中的作用,平板玻璃常见氧化物的作用原理：（1）碱金属氧化物主要起断网和网络外体作用。积极作用是助熔；消极作用是由于出现非桥氧，使玻璃结构疏松、减弱，导致一系列性能变坏。如：热膨胀系数上升，电导、弹性模量、硬度、化学稳定性和黏度等性能下降。（2）氧化钙(CaO)Ca2+属网络外体离子，配位数为6。CaO与SiO2不能形成玻璃，但加入Na2O、K2O等碱金属氧化物便能形成玻璃。Ca2+具有积聚作用，能降低玻璃的高温黏度。但当含量过多时，会使玻璃料性变短，脆性增大。（3）氧化镁(MgO),Mg2+有两种配
7、位状态（4或6），但大多数为6配位，属网络外体。只有当碱金属氧化物含量过多，而不存在Al2O3等中间体氧化物时，Mg2+才进入网络，形成4配位。在玻璃中以MgO取代CaO，使玻璃结构疏松，导致玻璃密度、硬度下降。积极作用：降低玻璃的析晶能力和调整玻璃的料性。（4）氧化铝(Al2O3)Al3+有两种配位状态（4或6），当Na2O/Al2O31时，为4配位状态，为网络形成体，可以使玻璃结构紧密，改善玻璃的一系列性能。当Na2O/Al2O31时，为6配位状态，为网络外体。在一般钠钙硅玻璃中引入少量氧化铝，目的是使玻璃结构紧密。,三.平板玻璃的原料,原料的选择原则(1)质量符合技术要求：品位高，化学成
8、分稳定，水分稳定，颗粒组成均匀，着色矿物(主要是铁的氧化物)和难熔矿物(主要是铬、镍)要少；(2)便于在日常生产中调整玻璃成分；(3)适于熔化和澄清；(4)对耐火材料的侵蚀性要小；(5)易加工，矿藏量大，分布广，运输方便和价格低廉等。,平板玻璃原料的引入,玻璃原料,主要原料：引入玻璃各种组成氧化物的原料。如：硅砂(石英砂)，长石，石灰石，白云石，纯碱，碎玻璃等。,辅助原料：使玻璃获得某些必要的性质和加速熔制过程的原料。如澄清剂，着色剂，脱色剂，助熔剂，氧化剂，还原剂等。,（1）引入SiO2的原料,硅砂(石英砂)：主要成分SiO2；有害杂质：氧化铁、氧 化铬、氧化钛。质量控制：杂质含量，颗粒度。
9、,（2）引入Al2O3的原料,长石：铝硅酸盐矿物。主要成分硅铝氧化物，杂 质为氧化铁。质量控制：氧化铁16%,（3）引入CaO的原料,石灰石：主要成分氧化钙，杂质为氧化铁。质量控制：氧化铁0.15%，CaO 50%,（4）引入MgO的原料,白云石(MgCO3CaCO3)：主要成分氧化钙、氧化 镁，杂质为氧化铁。质量控制：氧化铁0.15%，MgO20%，CaO32%,（5）引入Na2O的原料,纯碱(Na2CO3):主要成分氧化钠，杂质为氯化钠、硫酸钠。质量控制：Na2CO3 98%，NaCl1%，Na2SO40.1%,（6）辅助原料,1）澄清剂：芒硝（Na2SO4）。质量控制：Na2SO3 85
10、%，NaCl2%,CaSO44%,2）还原剂：煤粉,四.普通平板玻璃生产工艺,垂直引上法 将玻璃液垂直向上拉引制造平板玻璃的工艺。有三种方法：有槽法，无槽法和对辊法。工艺流程图：,四种生产工艺,垂直引上法平拉法压延法浮法,有槽法：有槽子砖。由比利时人于1913年发明。无槽法：无槽子砖。由美国匹茨堡公司于1925年发明。,（3）对辊法：用可旋转的细长滚筒代替槽子砖。由日本旭硝子公司于1970年发明。,垂直引上法的主要缺点：玻璃平整度差，不能直接用于深加工。难于制造3mm以上的厚玻璃。,平拉法,通过水平拉制工艺生产平板玻璃的方法。特点：在无槽引上的基础上，在玻璃液固化前经转向辊把原板垂直引上的方向
11、转为水平拉伸的方向。,优点：拉制速度高，原板宽度大，与垂直引上相比，生产周期长，生产效率高。缺点：玻璃表面易产生轴花。,压延法,将玻璃液流入压延机的一对压辊中间，通过压延形成平板玻璃的方法。一般用于生产压花玻璃，夹丝玻璃等。,五.浮法玻璃,浮法：1952年由英国皮尔金顿公司发明。是一种不需要经过抛光就能得到与磨光玻璃同样的平整度、两面光滑的平板玻璃制造技术。主要优点：A.高效率制造优质平板玻璃(无波筋，厚度均匀，上下表面平整)，可直接用于玻璃深加工。B.可生产超薄、超厚玻璃(0.530mm)，尤其超厚玻璃的生产是其他方法所无法制造的。,1.浮法玻璃制造工艺,浮法玻璃生产工艺流程图：,浮法玻璃的
12、成型：在通有保护气体(N2及H2)的锡槽中进行。见下图：,熔融玻璃液从熔窑中连续流入锡槽，并漂浮在比重大的锡液表面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃液在锡液面上铺开、摊平，形成上下表面平整、相互平行的玻璃带，向锡槽尾部拉引，经火抛、拉薄、硬化、冷却后，被引上过渡辊台，辊台的辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到平板玻璃。,2.浮法成型工艺要求,（1）浮抛介质：常用锡金属液。优点：A.比重远大于玻璃，使玻璃液漂浮；B.熔点低(200多度)，沸点高于1000，在 玻璃成型过程中始终呈液态，且挥发性小；,C.极易还原，在锡槽中通入少量H2气，就使其免受氧化；D.几乎不与玻璃液发生
13、化学反应；E.价格相对便宜，没有毒性。,（2）浮法玻璃的自身抛光(火抛光)：黏度为102.7103.2帕秒的玻璃液在表面张力的作用下，能自身摊平，形成光洁平整的表面。抛光区温度分布要均匀，玻璃液在抛光区要有足够时间。,（3）控制玻璃厚度：玻璃液自然摊平形成厚度约6mm(5.76.3mm)的玻璃。,*对生产6mm以下厚度的玻璃要用拉边机展薄(拉薄)，*对生产6mm以上厚度的玻璃就要用拉边机堆厚；在生产15mm以上厚度的玻璃时往往要用石墨挡边器增厚。生产超薄(2mm以下)或超厚(19mm以上)的玻璃技术难度很大。,3.浮法玻璃产品性能,(A)物理性能,(B)光学性能,(C)产品质量要求,4.浮法玻
14、璃的用途,直接用于房屋建筑 用于深加工的原片，如钢化玻璃，镀膜玻璃等的原片。,六.吸热玻璃,1.概念：吸热玻璃是在无色透明平板玻璃的配合料中加入着色剂，采用浮法、垂直引上法、平拉法等工艺生产出来的带有颜色的平板玻璃。常用着色剂：铁、钴、镍、硒等。常见色调：绿、蓝、灰、茶色4种。2.吸热玻璃的性能（1）热学性能 吸收红外线，即吸收太阳的辐射热。无论哪种着色玻璃，当其厚度为6mm时，均可吸收40%左右的辐射热，使进入室内的太阳辐射热减少了，夏天可减轻空调设备的负荷。,普通平板玻璃与吸热玻璃的太阳能透过热值及透热率比较,（2）光学性能,吸收太阳的可见光 与同厚度普通平板玻璃相比，吸热玻璃吸收大量可见
15、光。如6mm厚普通平板玻璃可见光透过率（透射比）为78%，而深茶色玻璃只有26%。利用这一特点阻挡太阳刺目的光线，起反眩目作用。,B.吸收太阳的紫外线：吸热玻璃吸收大量紫外线，减少太阳光紫外线对人体及物品的损害。C.具有一定的透明度：透过吸热玻璃能清晰观察室外景物。,*光学性能表征：,七.玻璃中的缺陷,玻璃的缺陷：由于夹杂物、不均匀性或外界因素引起玻璃体内或表面的性能均匀性遭到破坏。按缺陷状态可分为四大类：气泡、夹杂物、结石和外因性缺陷。1.气泡（1）气泡产生 的原因：化学吸附与结合(主要原因)，物理溶解。（2）气泡的大小和形状：零点几毫米到几毫米。直径0.8mm的称为气泡。*玻璃制品质量的判
16、断标准之一就是气泡大小和数量。气泡形状：球形、椭圆形或细长的线型。,（3）气泡的化学组成：常含有O2,H2,H2O,CO,CO2,SO2，SO3,NO2,N2等。（4）气泡的类型：一次气泡：配合料熔制残留气泡。二次气泡：内部残留气泡受外界因素影响而长大。外界空气气泡，耐火材料气泡，铁器引起的气泡。（5）气泡的危害：影响玻璃的透明性和机械强度。,2.玻璃状夹杂物(线道，条纹和结瘤)（1）概念：玻璃主体中存在着不均匀的异类玻璃状夹杂 缺陷。,（2）产生原因 线道：玻璃液中存在着尚未均化的、黏度高、表面张力大的玻璃相在拉制成型过程中形成。条纹：早期形成的不均匀玻璃液在流动或搅拌过程中尚未扩散均化的细小条带。结瘤(节结)：尚未均化的玻璃相呈滴状团块出现在玻璃主体中。,（3）化学性质分类 硅质：主要由SiO2粉料形成或硅质耐火材料熔化形成。硅铝质：由原料中的杂质粘土矿物或铝硅质耐火材料形成。（4）危害：影响外观，降低玻璃制品的机械强度、耐热性、化学稳定性等性能。,
