玻璃知识1教材课件

GLASSEditbyZHOUJINGWEICONTENTS1.1.1.1.引言引言引言引言2.2.2.2.什么是玻璃？什么是玻璃？什么是玻璃？什么是玻璃？3 3 3 3.玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构玻璃的结构4 4 4 4.玻璃的类型玻璃的类型玻璃的类型玻璃的类型5 5 5 5.玻璃的热性能玻璃的热性能玻璃的热性能玻璃的热性能6 6 6 6.玻璃的机械强度玻璃的机械强度玻璃的机械强度玻璃的机械强度7 7 7 7.玻璃的光学性能玻璃的光学性能玻璃的光学性能玻璃的光学性能8 8 8 8.玻璃的电学性质玻璃的电学性质玻璃的电学性质玻璃的电学性质9 9 9 9.玻璃金属封接玻璃金属封接玻璃金属封接玻璃金属封接10.10.10.10.火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力11.11.11.11.玻璃的应力玻璃的应力玻璃的应力玻璃的应力12.12.12.12.应力测量应力测量应力测量应力测量13.13.13.13.玻璃加工玻璃加工玻璃加工玻璃加工举例举例举例举例引言引言 封灯材料在气体放电灯中的作用是密封放电。在白炽灯中它封灯材料在气体放电灯中的作用是密封放电。在白炽灯中它将灯丝保持在正确的气氛中。对封灯材料的主要要求是：在灯中将灯丝保持在正确的气氛中。对封灯材料的主要要求是：在灯中发出的光有最大的可见输出且材料必须是气密的和耐温的。发出的光有最大的可见输出且材料必须是气密的和耐温的。对封灯材料的一般要求：对封灯材料的一般要求：-在可见光区域合适的透光性（有时是红外或紫外区域）在可见光区域合适的透光性（有时是红外或紫外区域）-抗填充物化学腐蚀（如：汞，卤化物或钠）抗填充物化学腐蚀（如：汞，卤化物或钠）-抗热冲击抗热冲击-在高温下保持机械强度在高温下保持机械强度-电绝缘电绝缘-灯工作时不透气灯工作时不透气-低的蒸气压和蒸发率；好的除气特性，在灯工作时不会低的蒸气压和蒸发率；好的除气特性，在灯工作时不会 释放杂质气体。释放杂质气体。-价格必须低及可加工成所需的形状并在误差范围内。价格必须低及可加工成所需的形状并在误差范围内。-必须可以有电通路，如有金属导丝的真空封接。必须可以有电通路，如有金属导丝的真空封接。对大多数灯而言玻璃满足这些要求。但没有一种玻璃满对大多数灯而言玻璃满足这些要求。但没有一种玻璃满足所有灯的所有要求，所以我们有许多各种不同类型的玻璃。足所有灯的所有要求，所以我们有许多各种不同类型的玻璃。象高压钠灯（象高压钠灯（SONSON）我们没有玻璃能承受我们没有玻璃能承受200200 C C钠蒸气的腐蚀。钠蒸气的腐蚀。为这种灯特别发展了称为为这种灯特别发展了称为PCAPCA的一种陶瓷材料的一种陶瓷材料 下面我们讨论制灯玻璃材料，它的性能及在制灯过程中下面我们讨论制灯玻璃材料，它的性能及在制灯过程中的的处理。处理。引言引言玻璃的定义:玻璃是一种在高温下熔化后，再经过冷却制得的无定形无机物质。一般玻璃的主要成分是SiO2什么是玻璃？什么是玻璃？玻璃的重要特性：-它不是一种结晶物质（不是长程有序的，没有熔点）。-有高的粘度；在较高温度下不变形(热稳定性好)。-没有机械屈服点，一个增加的机械负荷并不导致变形，超过临界点时会“破碎”。-可能“失透”，由于某些热处理可能产生再结晶；如果不容易再结晶我们就称玻璃是稳定的。-许多玻璃在可见和附近的红外和紫外区域是透光的，而且这种透光性很容易通过特殊添加剂被改变。-热导率很低但随着温度增加而增加，(玻璃在低温下是热的不良导体，玻璃在高温下是热的良导体)。玻璃的粘度随着温度增加而降低。这些性质使得玻璃可以在高温下加工而制成成品。玻璃结构玻璃结构 玻璃的结构可以用玻璃和晶体间的不同点来得到很好的说玻璃的结构可以用玻璃和晶体间的不同点来得到很好的说明。首先我们来看看石英玻璃，其主要结构是明。首先我们来看看石英玻璃，其主要结构是SiO2SiO2，这也是最这也是最重要的玻璃。下图是重要的玻璃。下图是这些结构的这些结构的二维二维表示。表示。水晶水晶a a和玻璃和玻璃b b的晶格结构的晶格结构 玻璃结构玻璃结构 在三维图形中小的在三维图形中小的SiSi 4+4+离子四面被大得多的离子四面被大得多的O 2-O 2-离子离子紧密包围，紧密包围，被相邻原子共享的氧原子称为接桥氧离子。被相邻原子共享的氧原子称为接桥氧离子。SiSi离子的四面体结构离子的四面体结构 q不规则结构的结果:没有固定的熔点从固体到液体逐渐转变，反之亦然。玻璃结构玻璃结构玻璃结构玻璃结构从熔融态冷从熔融态冷却形成晶体却形成晶体或玻璃或玻璃 晶体晶体当融液从当融液从a a点冷却，体积点冷却，体积VspecVspec将逐渐减少到将逐渐减少到b b点，相应的熔点点，相应的熔点为为TsTs。当多余的热量消散时体积急剧减到当多余的热量消散时体积急剧减到c c点。物质结晶即在某温点。物质结晶即在某温度从液态变到固态（在固化过程中热被释放）。一旦所有的流体被度从液态变到固态（在固化过程中热被释放）。一旦所有的流体被固化，继续冷却并体积固化，继续冷却并体积VspecVspec进一步缩小。在结晶过程中结构改变进一步缩小。在结晶过程中结构改变即在液态时离子的不规则运动现在以一种有序的模式结晶（晶格）。即在液态时离子的不规则运动现在以一种有序的模式结晶（晶格）。玻璃结构玻璃结构从熔融态冷从熔融态冷却形成晶体却形成晶体或玻璃或玻璃 玻璃玻璃从从a a点冷却到点冷却到b b点粘度增加，没有结晶地冷却到固化点以下。点粘度增加，没有结晶地冷却到固化点以下。在在b-eb-e范围内是一个过渡态。在范围内是一个过渡态。在e-fe-f温度范围内是固态玻璃。温度范围内是固态玻璃。温度温度TgTg是是a-fa-f转折点的温度。转折点的温度。TgTg也叫做转换温度。但也叫做转换温度。但TgTg不是一不是一个真正的象晶体熔化温度那样的定义值，所以用转化范围定义可能个真正的象晶体熔化温度那样的定义值，所以用转化范围定义可能更好。玻璃并不是一个稳定态，但在温度更好。玻璃并不是一个稳定态，但在温度TgTg以下从玻璃到晶体的转以下从玻璃到晶体的转化非常慢，所以可以认为实际上没有晶化。化非常慢，所以可以认为实际上没有晶化。玻璃结构玻璃结构NaNa打开氧桥打开氧桥 玻璃中除了二氧化硅，还有不能由本身形成玻璃的玻璃中除了二氧化硅，还有不能由本身形成玻璃的“添添加物加物”（Na2O,K2O,Na2O,K2O,MgOMgO,CaOCaO,BaOBaOandandPbOPbO），），这些添这些添加物可以结合在玻璃结构中。以这种方式我们可以有不同性加物可以结合在玻璃结构中。以这种方式我们可以有不同性质的稳定玻璃。下图中质的稳定玻璃。下图中Na2ONa2O取代了被分开的氧桥。取代了被分开的氧桥。这反应使网络中的结合力减弱：在一定温度下玻璃热膨这反应使网络中的结合力减弱：在一定温度下玻璃热膨胀增加。钠离子有高的迁移率使玻璃的电阻大大减小。胀增加。钠离子有高的迁移率使玻璃的电阻大大减小。玻璃结构玻璃结构石灰料结构石灰料结构 下图中显示了加了下图中显示了加了Na2O Na2O 和和 CaOCaO的（苏打）石灰料的示意结构。的（苏打）石灰料的示意结构。玻璃类型玻璃类型基本的玻璃类型：石灰料基本的玻璃类型：石灰料 ，铅玻璃，铅玻璃 ，硼玻璃，铝玻璃，石英玻璃，硼玻璃，铝玻璃，石英玻璃玻璃类型玻璃类型 石灰料和铅玻璃属于软料。硼玻璃和铝玻璃属于硬料。区分软石灰料和铅玻璃属于软料。硼玻璃和铝玻璃属于硬料。区分软料和硬料并不根据玻璃的硬度而是根据玻璃软化的温度。料和硬料并不根据玻璃的硬度而是根据玻璃软化的温度。软料表示相对低的软化温度（软化点软料表示相对低的软化温度（软化点750 750 750 C C）软化点是表达玻璃软化行为的一个参考值。软化点是表达玻璃软化行为的一个参考值。软料玻璃有相对高的膨胀系数，硬料玻璃有相对低的膨胀系数。软料玻璃有相对高的膨胀系数，硬料玻璃有相对低的膨胀系数。某些灯用玻璃的组成和性质与我们日常生活中用的玻璃很相近。某些灯用玻璃的组成和性质与我们日常生活中用的玻璃很相近。石灰料是最便宜的玻璃，被用于一般的白炽灯，石灰料是最便宜的玻璃，被用于一般的白炽灯，TLTL灯和气体放电灯灯和气体放电灯外壳。它的成分与普通的窗玻璃相近。硼玻璃也被用于耐热玻璃如外壳。它的成分与普通的窗玻璃相近。硼玻璃也被用于耐热玻璃如烤炉盘。烤炉盘。玻璃类型玻璃类型A.苏打石灰料玻璃主要成分:q71%SiO2玻璃生成体q15%Na2O软化剂q6%CaO增加化学耐用性主要应用:q室内光源的玻壳(GLS,TL)石灰料有高的膨胀系数所以不能抗热冲击。加碱土氧化物(CaO,MgO,有时BaO和SrO)可以改善抗化学性。B.铅玻璃主要成分:q64%SiO2玻璃生成体q21%PbO增加防电解能力q7%Na2O软化剂q7%K2O软化剂主要应用:室内光源的灯芯,GLS,CFL汽车灯 铅玻璃被用于白炽灯和TL灯的金属导丝部分。用PbO代替CaO和MgO能增加电阻但粘度降低。玻璃类型玻璃类型C.硼硅酸盐玻璃.主要成分:q75%SiO2玻璃生成体q16%B2O3玻璃硬化剂q4%Na2Oq3%Al2O3主要应用:较低的膨胀系数可防热爆，被用于高负载白炽灯和高负载气体放电灯的外壳。在纯SiO2玻璃中加B2O3可以降低粘度。这种玻璃的熔点大约为1500C。膨胀系数很低，所以有好的抗热冲击性。硼玻璃兼有好的抗化学性和好的抗热冲击性。玻璃类型玻璃类型D.铝硅酸盐玻璃主要成分q60%SiO2玻璃生成体q20%Al2O3玻璃硬化剂q10%CaO主要应用:因为其防热爆性比硼硅酸盐玻璃更高，所以在高负载的灯中应用，如卤钨灯,特种HID，金卤灯和汽车灯。玻璃类型玻璃类型玻璃类型玻璃类型E.纯石英成分:100%SiO2主要应用:由于其特殊的防热爆性和非常高的软化点，所以应用在HID电弧管，卤钨灯和汽车灯中。石英玻璃用于最高负载的卤钨灯和气体放电灯。缺点是加工时需要很高的温度（1700-2300C）。目前发展了二种有低加工温度及石英玻璃优点的（耐高温和抗热冲击）品种。它们是：掺杂石英玻璃和维克玻璃F.掺杂石英玻璃在石英玻璃中加入少量其它材料可改变纯石英的特性。掺几百ppm的K，Al或Mg能使玻璃加工温度降低。可以增加生产速度。掺杂Ce,Ti和Al可以改变UV输出。玻璃类型玻璃类型成分:SiO2及少量的K，Al，Ce 等主要应用:汽车灯，卤钨灯及特种H.I.D.灯玻璃类型玻璃类型G.维克玻璃一种经过化学处理，去除添加物再熔合的硼硅酸盐玻璃。这种玻璃较便宜，而且比用天然晶体生产的石英光学性能更好。主要应用：用于汽车灯，卤钨灯和红外线灯。成分:96%SiO24%B2O3维克玻璃由低熔点硼玻璃制成。去掉Na2O，B2O3后进行烧结。剩下的部分包含96%SiO2 和 4%B2O3。一些熟知物质的粘度值：(poise)水Water0.02甘油Glycerine10蜂蜜Treacle300焦油Tar1011铝Aluminium1015窗玻璃Windowglass1019窗玻璃at1500C100玻璃能够承受的最大不变形温度取决于粘度/温度特性。粘度由流体内部流动阻力所决定。粘度也决定了玻璃加工的温度。粘度的单位是泊(poise)。什么是粘度？玻璃的热性能玻璃的热性能玻璃的粘度Visc.(Poise)1014.510131012.4107.6104102屈服点:应力能在几小时内消失的粘度点 退火点:应力能在数分钟内消除的粘度点 菲利浦软化点：在施加外力情况下玻璃会变形，应力能在数秒内消除 美国软化点：玻璃自己就会变形的粘度点（表面张力，重力），玻璃开始可以粘住。工作点：玻璃可以在商业设备上加工的粘度点。熔化点：Temp.liquidviscousbrittle玻璃的热性能玻璃的热性能这些点的粘度值对所有的玻璃都是相同的。对于不同的玻璃，唯一不同的是这些点所对应的温度值。玻璃的热性能玻璃的热性能上图中我们看到一些粘度的参考值：屈服点，退火点，飞利浦软化点，软化点，工作点和溶化点。这些粘度的参考值给出了玻璃加工过程的特征。玻璃的粘度粘度的参考值：log=14.5屈服点log=13.0退火点log=12.4Philips软化点log=7.6软化点log=4.0工作点log=2.0熔化点主要玻璃的粘度参考值：玻璃的热性能玻璃的热性能玻璃的热性能玻璃的热性能作为温度函数的石灰料和石英玻璃的粘度GlassAislongerthanBTemp.VISC.S.P.A.P.P.S.P.A.S.P.W.P.AB短料玻璃和长料玻璃玻璃的热性能玻璃的热性能LL公式:L=LT=L/(LT)(K-1)Inmetal金属LTemp.膨胀系数（）玻璃的热性能玻璃的热性能由于玻璃结构的改变，在Tg以上膨胀系数将会增加。LR转换点：GQTemp.OPSolidLiquidMixedP:固化点=屈服点+5oC玻璃的膨胀系数（）玻璃的热性能玻璃的热性能根据玻璃的膨胀系数，可分为三类：膨胀系数（0-300C）软料玻璃Softglass:90-100 x10-7(K-1)硬料玻璃Hardglass:35-50 x10-7(K-1)石英玻璃Quartzglass:5-7x10-7(K-1)玻璃的热性能玻璃的热性能这些膨胀系数的差异对决定哪些材料间适合封接是很重要的。封接条件：1)相近的膨胀系数2)接近的转换点其中:机械强度.膨胀系数.杨氏系数E.热导率.泊松比.形状系数V.玻璃的抗热冲击性：TSR=V(1-)/E玻璃的热性能玻璃的热性能以下为各种玻璃的抗热冲击性排列（形状因子为1）：石灰料硼玻璃石英TSR80K240K1230K玻璃的机械强度玻璃的机械强度玻璃是一种易碎材料，即如果某种机械力加在玻璃上，在玻璃破碎或粉碎前没有塑变塑变材料和脆性材料的断裂方式玻璃的机械强度玻璃的机械强度玻璃的理论强度是10000N/mm（钢约1000N/mm），然而只要表面出现不规则，玻璃的抗张强度就会大大降低，这称之为“刻痕效果”。当我们在一块玻璃上施加一个拉力，在开裂点的受力可根据开裂的长度乘上一个最大200因子。-玻璃构造最大的容许受力是10N/mm2(永久应力)-玻璃加工过程中最大的容许受力是20N/mm2(动态的或暂时应力)在张应力的作用下刻痕顶端应力集中应力产生原因:-不均匀的冷却引起的热应力-二种玻璃或玻璃与金属不同的引起的热应力-由于成分改变引起的应力（如电解）-由某种机械负载如真空或点灯时过重的负载或某些夹具引起的应力（如在封口泡上装灯头时）玻璃的机械强度玻璃的机械强度玻璃的光学性能玻璃的光学性能玻璃可以通过加入铁，钴，镍，铬，锰等氧化物着色剂着色，控制透射特定的光谱谱线例如：窗玻璃中需要有一定的杂质铁来吸收不希望的紫外线。FeOblue-green,Fe2O3yellow氧化钴使玻璃呈蓝色。加Ni2+和Co2+使玻璃呈深蓝；胶质铜或金使玻璃呈红色；小的硫化镉晶粒给出黄色。纯石英在160 nm紫外到4.5 m红外有很宽的透光范围。低于160 nm由于O 2离子的跃迁态而被吸收。高于4 m由于SiO跃迁态而被吸收。紫外的传播通常被杂质所限制（Fe 3+吸收 300 nm）。红外的传播通常被吸收2.8,3.0 和 4.25 m的OH根所限制。玻璃的电学性质玻璃的电学性质玻璃在低温下玻璃在低温下(如室温如室温)可认为是绝缘体可认为是绝缘体,在高温下为导体在高温下为导体在金属中通过自由电子的迁移导电在玻璃中通过离子的迁移导电(在高温下）在高温下石灰料在Na+和K+导电下明显地成为了导体。这使它不适合做通电材料。钠离子迁移改变玻璃成分改变膨胀系数引起应力开裂!Incaseofadirectcurrent直流电玻璃的电学性质玻璃的电学性质Incaseofaalternatingcurrent交流电ACACe-玻璃的电学性质玻璃的电学性质铅和钡离子比较大,可用以阻止钠离子的迁移,也就减缓了电解ACPb2+玻璃的电学性质玻璃的电学性质玻璃金属封接玻璃金属封接对玻璃与金属封接的主要要求是：气密性和适当的应力。重要的方面：-玻璃和金属间的附着力。这意味着金属与玻璃有好的“湿润性”及金属和玻璃间没有气泡。好的附着力通常由封接前氧化金属来获得。-玻璃必须在点灯的高温下保持抗电性。这是我们用铅玻璃代替石灰料的重要原因。-膨胀系数的匹配。杜美丝封接软料玻璃NiFe=55x10-7Cu=168x10-7成分:24-28%Cu Axial:65*10-7/oC Radial:90*10-7/oCNi/Fe42%/58%copperCu2O厚度3-5um玻璃金属封接玻璃金属封接软料玻璃:95x10-7MetalMetal-oxidesaturatedglassGlassMono-layerofoxide钨钼封接硬料玻璃硬料玻璃=40 x10-7/oC钨梗=45x10-7/oC钼=54x10-7/oCOuterleadTungstenrodInnerleadGlasstube玻璃金属封接玻璃金属封接钨或钼被用于硬料。氧化钨有好的附着力。为了保持良好的氧化状态，采用玻珠保护不匹配真空封接一个熟知的例子是钼片同石英的封接:石英玻璃=6.5x10-7/oC钼=54x10-7/oC石英加工温度=18002200oC石英工作温度=1000oC玻璃金属封接玻璃金属封接25umKnifeedgeThickness-widthratio:ca.1:100Mo和石英的差异很大，必须选择合适的尺寸，在产生封接点断裂之前，金属就在力的作用下开始延伸。火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力最简单的火头设计是一根通可燃气体的管子（通常是天然气）。燃烧所需要的氧气从管口混合在燃气中的周围空气中获得。这是一个完全不适合玻璃加工的低温松弛火焰。获得一个急的高温火焰可以在燃气流出火头前将空气（或氧气）混入其中。燃烧速度和流动速度火头，热传递和表面张力火头，热传递和表面张力 想象一下我们将n份CH4和2n份O2在一根玻管中进行理想混合。然后我们在一端点燃玻管。假设玻管的长度为100厘米，燃烧完所有的混合气体所需的时间为0.25秒，那么我们就得到了燃烧速度为：=管子长度燃烧所需时间=100cm0.25s=400cm/sec