玻璃理论荧光灯课件1

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,玻璃理论,在制灯过程中，需要了解一些有,关玻璃机械加工的基本知识，有,助于对工艺过程的认识,目录,1、玻璃及其结构,2、粘度,3、成分,4、热的传导性,5、电的传导性,6、机械强度,7、热膨胀和应力,8、表面张力,9、分类,1、玻璃及其结构,玻璃是几千年以前在自然界中发现的一种材料。这种材料非常坚硬，可以用于制作刀、箭以及类似的东西。,当这种材料可以人工合成时，玻璃就有多种用途，制灯就是其中之一。,大多数普通玻璃的基础成分是沙子（SiO,2,），其基本的分子结构是四面体，其他的材料可能有另一种结构，如盐（NaCl）的基本结构就是立方体。,Si,4+,O,2-,Cl,-,Na,+,Fig.1,Fig.2,和液体相比，从“熔融”状态开始，这四面体没有相互联结，通过缓慢的冷却，可以达到一个规则的多面体结构，其中所有的结合力是相等的。,普通盐晶体,理想的SiO,2,晶体（二维示意图）,通常情况下，当结晶速率大于冷却速率时，就会形成“理想的”晶体结构。,Fig.3,在某些情况下，如果液体迅速冷却，就会变得非常粘滞，不同的离子的流动性将很低，就不能形成规则形态（晶体）。这就是玻璃，具有不规则结构。当然，玻璃要比相应的晶体结构具有更高的能量状态，因为比容较大。,因此，玻璃始终具有晶化的趋势。在温度的作用下离子的流动性增加或降低，而这种趋势与之相对应。（见粘度-温度曲线）,不规则结构,Fig.4,这种不规则结构有何作用？,非晶体结构说明，,玻璃没有固定的熔点,，但是，,逐渐地,从固态转变成液态，反之亦然。,这是因为在熔化过程中，由于加热激发，使联结松动，也就是说，在某个平衡点周围的成分振动一定的时间后，成为游离状态，如同在液体中一样，在物体内移动。,由于结合力不等，最弱的地方首先开始断裂，而后较强的断裂（7环第一，6环第二，接着5环，等等）,4,6,7,4,6,3,晶体,非晶体,和非晶体的逐渐断开相比较，结晶体材料的所有结合力是相等的，其变化是急剧突然的。,Fig.5,这样逐渐转变的特性可以让我们用不同于其他材料（如金属）的加工方法来处理玻璃。,这种状态用,粘度,来描述，另外，,热传导性能和表面张力,，三者是有关玻璃加工的最重要的特性。,2、粘度,粘度即流动的阻力，用“泊”表示。粘度与流动性相对立，即温度越高，粘度越小，反之亦然。例如：,水的粘度（20 时）：0.1 POISE；糖浆的粘度（20 时）：300 POISE；蜡的粘度（20 时）：10,10,POISE；软玻璃的粘度（20 时）：10,20,POISE；（600 时）：10,10,POISE；（1200 时）：10,3,POISE；,为了描述玻璃特征和比较不同的玻璃，美国测试材料协会在粘度-温度曲线上定义了一些非常重要的点，这些点与典型的玻璃特性相关。,应力点,在此粘度点上，应力在几小时内可以消失,退火点,在此粘度点上，应力在几分钟内可以消失,美国软化点,在此粘度点上，玻璃由于自身的表面张力和重力,的作用而变形，并且玻璃开始粘滞,工作点,在此粘度点上，玻璃可以用经济的设备进行加工,PHILIPS 为了玻璃加工的目的，提出了另一点，即 PHILIPS 软化点。,PHILIPS 软化点,玻璃在外力的作用下变形，并且内部应力在,几秒之内消失,熔化点,玻璃没有熔化点而只有熔化范围，熔化点被人为地定,义为粘度=10,2,粘度-温度曲线,粘度,泊,应力点,退火点,飞利浦软化点,美国软化点,工作点,熔化点,脆性 粘性 液态,10,2,10,4,10,7.4,10,12.4,10,13,10,14.5,退火范围,工作范围,Fig.6,设定点,过渡点,一些玻璃的名义粘度-温度数据,3、玻璃成分,玻璃的最普通的成分是 SiO,2,，但还有更多的具有相同特性的成分，被称为玻璃构成。如氧化硼 B,2,O,3,和 氧化磷 P,2,O,5。,纯 SiO,2,的不规则结构（如Fig.4所示）可以被其他成分所影响。Fig.7为所谓的多成分玻璃。另外的成分，在玻璃的网络中扮演着调节剂的角色，可以在一种特性中起积极的影响，但对另一种特性起消极影响。,Fig.7,氧,硅,调节剂M1,调节剂M2,中间体M3,例如，Na,2,O能破坏网络桥架从而降低粘度，使玻璃变软可以在较温度下加工，但也会增加导电率和降低化学稳定性，这是在制灯时不希望产生的。,因此可以根据不同用途来改变玻璃成分以达到用户要求。,4、热的传导性,材料的导热率表示：驱动温度变化 1 度时，单位体积内相对两面的热流速度。,在物体内热量传递有 3 种基本形式：,1、,传导,：某个原子比临近的原子振动更大时（有较高的温度）将会撞击临近的原子，这个原子因此振动变大（温度增加了）。,2、,辐射,：每个原子都发射和接收很小的能量束。当一个原子比其相邻原子具有较高温度时，发射的能量比接收的能量要多。它将因此损失能量（=冷却），同时临近原子获得能量（=升温）直至达到均衡。,3、,对流,：当一个剧烈振动的原子能够移动时，它将载着全部能量到另一处。当它到达某点时，它将使周围的原子产生更大的振动（温度更高）。,总的来说，在较低温度时（如软玻璃 800）,辐射 和对流最重要。这样就可以理解玻璃液态程度越大，对流作用越大。,导热率,温度,Fig.8,很显然，玻璃的这种性质对于玻璃加工是非常重要的。,在较低温度时，热量能够正好对准需要加热、相对狭窄的区域，而其他区域不会变形。随着温度的升高，热量传递迅速增加，待加工的区域可以在合理的时间内加热到工作温度。优点,另一方面，由于导热率低，贯穿玻璃体的温度差异（加热和冷却所致）将引起应力。缺点,玻璃的导热率只是金属的一小部分。这是因为金属有规则的、晶体结构，其结合力非常强大，碰撞（传导）发生很快很激烈。结合力越大（即温度低）这种现象越容易发生。,所以，在室温下，金属的热传递要远远大于玻璃，同样，当温度降低时，金属的热导率增加。,总结,冷玻璃 不良导热体,优点：1、可以定点加热。2、可以用手处理。,缺点：可能产生应力。（0 450 区域）,热玻璃 良好导热体,优点：热流可以利用但必须控制它。,5、电的传导性,金属导电是在电子基础上的，而玻璃的导电是由于离子的移动，特别是 Na 离子。在低温条件下，由于粘度，离子运动很困难，但在高温时却容易进行。因此，在室温下，可以认为玻璃是绝缘体，而在高温时，玻璃是导体。,导电率对于灯管内的装架件而言十分重要。例如 Fig.9,Fig.9,Na,+,Na,+,e,+,Na,+,e,+,e,+,e,+,DC,AC,当两端电极加上直流电时，相对较小的 Na 离子就逐渐地从正极向负极移动。意味着正极附近的Na 离子减少而积聚在负极。这意味着两端的玻璃成分发生了变化，引起膨胀系数的改变，应力也由此产生。,应力炸裂漏气。,这种现象称之为“,电解,”,当两端电极加上交流电时，Na 离子不能在电极之间移动。但电解仍然发生。在真空灯管内，发热的钨丝将电子发射到相对较冷的芯柱夹扁上，夹扁的表面成为负电荷，Na 离子就从电极向表面移动。由于玻璃成分的逐渐变化，膨胀系数变化，引起炸裂。,温度越高，电解发生得越快。由于导电率也将随着Na含量的增加而增加，显然的解决方案是降低Na含量。然而，这将导致软化点温度提高，会对制程产生负面影响。,其他成分如 Pb 和 Ba 是“大”原子，阻碍Na 离子移动和电解。这也就是铅玻璃用来做芯柱的原因。无铅玻璃（360）Ba 代替了Pb，具有同样的作用。,以上可以看出，玻璃类型不同导电率或电阻率也不同。见Fig.10,14,12,10,8,6,4,2,200,400,600,800,1000,温度,Log p（ohm。Cm）,Fig.10,Soda lime,Lead silicate and Barium silicate,Alumino silicate,Fused silica,6、机械强度,理论上，玻璃强度很大，在真空条件下可以承受很大的应力（压应力/张应力）,真空室,钢丝,1 mm,2,51 kg,玻璃丝,1 mm,2,200 kg,张应力,断裂重量,玻璃丝可承受压应力300 kg/mm,2,Fig.11,然而，一旦其表面出现不规则性，张力强度急剧下降，即所谓“刻痕效应”。,如Fig.12，在玻璃上施加一张力F，裂痕尖端的局部应力可达到200倍，而这取决于裂痕的长度。,刻痕,F,F,也就是说，即使 F 很小，在裂痕处的应力也会很快超过其最大强度，玻璃将断裂。,此力=a*F，a 是放大系数，200 左右，取决于刻痕长度/锐度,玻璃理论强度 减小玻璃张力原因,10000 N/mm,2,玻璃纤维 玻璃结构破坏,1000 N/mm,2,纯新玻璃 大量表面瑕疵,100 N/mm,2,普通玻璃 大量表面瑕疵,10 N/mm,2,玻璃产品强度,7、热膨胀和应力,热膨胀,玻璃的热膨胀是非常重要的性质，有两个主要相关范围：,1、封口（两种材料有效的封接）,2、热振阻力（承受热振的能力）,和其他材料一样，玻璃遇热膨胀，冷却收缩。,线性膨胀系数,为：温度变化1度时，材料在单位长度的长度变化。即L/L,Fig.13,中，可以区分3种不同的范围。,温度,L/L,P,Q,R,范围,R Q,粘度很低，四面体很容易移动，四面体的晶化速度与冷却速度相当，玻璃表现为粘稠的可塑的材料。膨胀系数比低温时高，玻璃可以自由变形，两种封接的玻璃的膨胀差异可以由粘稠的流动得到补偿，没有应力产生，直到,飞利浦软化点,并从这里开始内在应力产生。,范围,Q P,粘度较高，越来越阻碍元素的运动。尽管理论上玻璃还是粘稠的，但四面体在结构内移动的时间越来越长，一直到设置温度即玻璃实际可用的“固态点”，玻璃表现为不是完全的粘稠材料但也不是固体的，弹性的材料。介于这两者之间，所谓“过渡范围”。膨胀系数减低但不是和温度成线性关系。封接两种玻璃时，只要这两种玻璃能紧跟可能的收缩差异，就不会产生应力，一直到设置温度（=应力点+5）,范围,P 0,粘度非常大，四面体不可能在结构内移动，玻璃表现为,弹性的,，固体的材料。从设置温度往前，（实用而言从应力点开始）膨胀和温度成比例。两种封接的玻璃，由于膨胀系数不同而不能相互屈从，因此产生了应力。,应力,1、由热力引起的临时应力,由于较低的热导率，加热或冷却“固体的”玻璃,(飞利浦软化点,)从一侧开始冷却，由于导热率低，造成两侧的温度差异，最终产生应力，见Fig.15。,冷却速度越快，两侧温度差异越大，应力越大。但将玻璃加热到软化温度时（,T飞利浦软化点,)，应力可以消除，然后将其缓慢冷却（温差很小），这就是退火（见Fig.17）。有时快速冷却产生应力（回火或增强）Fig.16a，利用此性质可使纯新玻璃在张应力作用下有更高的强度。如汽车挡风玻璃和制灯中喇叭的增强工艺。见Fig.16b,Fig.14,加热,A1 B1,软 软,A2 B2,硬 软,A3 B3,硬 硬,A4 B4,如果自由,A4 B4,最终状态,Fig.15,冷却,应力类型,C T,Fig.16a 回火和增强,T,和,t,冷却,冷却,C,0,T,C T C,C,C,T,Fig.16b 回火和增强,无T,T,Fig.17 退火曲线,B，不可消除的应力,将两种具有,不同膨胀系数的材料,封接在一起时，很显然，在冷却之后应力产生了，这是由于联结在一起后，一种材料还要进一步收缩而另一种不收缩造成的。,这种应力不能消除，因为膨胀系数是材料的特性，不能改变。,如：封口，芯柱导丝，钼与石英玻璃等。,冷却,飞利浦软化点,膨胀差异,最终结果,1 ,2,T C,T C,工作点温度,Fig.18 不同材料的应力形成,3、由机械引起的应力,机械的方法也能产生应力。例如，弯曲一根玻管或推压一块玻璃。,此时，只要外力作用，应力就一直存在。如灯头很紧，灯管顶端受到压应力。,外力,外力,外力,张力,压力,Fig.19 机械引起的应力,8、表面张力,液体内的分子通过内聚力相互吸引。一个分子完全由其他分子环绕，不同方向具有相同的力，而其合力为零。但是，处在表面的分子受到的力并不均匀，其合力将分子向里“拽”。结果就是表面积/体积的比率尽可能的小，就是球体。,合力,球体,Fig.20,带动一个分子到表面需要一定的能量，也就是说，增加表面积需要用同样的数量。这意味着，增加表面积，需要一定的能量 dW，那么，dW 与表面积增加 dS 之间的关系是表面张力A。,A=dW/dS（J/m,2,）,例：水，20：73,汞，20：436,钠玻璃，工作点温度：336,铅玻璃，工作点温度：249,无铅玻璃，工作点温度：335,玻璃的表面总是趋于收缩成球体，一旦玻璃的粘度允许，表面张力就起作用。这在玻璃加工中有许多应用，如烧口、提高芯柱水线、落料式封口等等。,9、分类,要将玻璃加工成型，必须将玻璃加热到高温，由于玻璃内温度的差异而引起应力。应力的大小取决于热膨胀系数，飞利浦根据值，将玻璃分成四类。,。软玻璃,特性：=90 100 10,-7,/；最大应用温度：300,A，soda-lime,玻璃,：成分：71%SiO,2,，17%Na,2,O，5%CaO,主要应用：室内照明（GLS，TL）,主要种类：203 欧洲之外的工厂（GLS+TL），290 欧洲TL，241 欧洲GLS，320 全天候特种玻璃。,B，Lead Glasses,成分：62%SiO,2,，21%PbO，7%Na,2,O，7%K,2,O,主要应用：室内照明芯柱，汽车灯,主要种类：01 30%PbO，78 36%PbO，291 21%PbO（标准灯用玻璃）,II，硬玻璃,特性：=35 45 10,-7,/,A，Borosilicate(,硼硅）玻璃,主要成分：72%SiO,2,，17%B,2,O,3,（使玻璃硬化），5%Na,2,O,主要应用：室外照明，HID，最大应用温度：450 主要种类：8486 from Schott(Germany)for bulbs;8487 from Schott for tubes.,B，Alumina-silicate 玻璃,主要成分：,60%SiO,2,，5%B,2,O,3,，17%Al,2,O,3,（使玻璃硬化）主要应用：特种HID，金属卤化物灯，汽车灯 最大应用温度：640 主要种类：180 GE，1724，1725,III，石英玻璃,特性：=6.5 10,-7,/,A，纯石英,成分：100%SiO,2,应用：H.I.D.arc 玻管,卤灯,汽车灯,最大应用温度：1000,主要种类：300 Philips,214 fused silica G.E.,B，doped quartz,C，Vycor from corning,IV，特种玻璃,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly,And You Will Know Everything.The More You Know,The More Powerful You Will,Be,写,在最后,谢谢,大家,荣幸,这,一路，与你同行,ItS An Honor To Walk With You All The,Way,演讲人：,XXXXXX,时 间：,XX,年,XX,月,XX,日,