1、第六章,固体玻璃的物理性质,本章的内容,第一节 玻璃的化学稳定性 第二节 玻璃的机械性质 第三节 玻璃的密度 第四节 玻璃的热学性质 第五节 玻璃的电学性质 第六节 玻璃的光学性质,第一节 玻璃的化学稳定性,玻璃抵抗水、酸、碱、盐、气体等介质侵蚀的能力。,本节的主要内容,一. 介质对玻璃的侵蚀机理二. 玻璃的脱片现象三. 影响玻璃化学稳定性的因素,一. 介质对玻璃的侵蚀机理,（一）水对玻璃的侵蚀 （二）酸对玻璃的侵蚀 （三）碱对玻璃的侵蚀 （四）大气对玻璃的侵蚀,（一）水对玻璃的侵蚀,1. 离子交换反应2. 水化反应,离子交换反应,水中的H+离子与玻璃中的碱金属离子进行交换反应，破坏网络修饰体
2、。,由于H+离子的半径较小，上述反应会使玻璃表面产生张应力。有时候，这种张应力会使玻璃表面产生微裂纹。由此产生的微裂纹以及由其它原因产生的微裂纹让H+离子得以进入玻璃内部，取代更多的碱金属离子，使玻璃网络修饰体遭到破坏。,水化反应,水化反应使连接硅氧四面体的桥氧变为OH, 直接破坏玻璃网络。,水化反应进一步发展，将使Si离子周围的四个桥氧全部变为OH,反应产物Si(OH)4是一种极性分子，它能使周围的水分子极化并定向地吸附在其周围，成为Si(OH)4nH2O或SiO2xH2O（硅酸凝胶）。除一部分溶于水外，其余大部分附在玻璃表面，形成一层薄膜。它具有较强的抗水性和抗酸能力。有人称之为保护膜层，
3、认为它能使Na+和H+的扩散受到阻挡，保护玻璃免受进一步的侵蚀。,但许多实验证明，Na+和水分子在硅酸凝胶中的扩散速度比在未受侵蚀的玻璃中要快得多，硅酸凝胶薄膜并没有使其扩散变慢。进一步的侵蚀之所以变慢以至停止，是由于在薄膜内的一定厚度，Na+的含量已经很低，而其它组分的含量相对上升，这些组分对Na+的抑制效应加强，使H+Na+离子的交换反应变慢甚至停止。,（二）酸对玻璃的侵蚀,除了氢氟酸，一般的酸不会直接破坏玻璃的网络。酸对玻璃的侵蚀作用主要由于在水中电离出来的H+与玻璃中的Na+离子等金属离子发生离子交换反应，破坏玻璃的网络修饰体。浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。,硅酸盐玻璃一般不耐碱。碱对
4、玻璃的侵蚀作用主要是通过OH-离子破坏硅氧网络（使桥氧变为非桥氧），使玻璃被溶蚀。,（三）碱对玻璃的侵蚀,大气对玻璃的侵蚀主要是水气对玻璃的侵蚀，其侵蚀能力比水还强。水气对玻璃的侵蚀，先是以离子交换为主的析碱 过程。,随着碱的不断积累，逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀 过程。,（四）大气对玻璃的侵蚀,二. 玻璃的脱片,现象：玻璃瓶受到水或碱溶液的侵蚀后，其表面会有薄片状异物脱落。这种现象称为玻璃脱片。 原因：1. 玻璃表层可溶性成分溶出后，不溶的高硅氧残余薄膜剥落。2. 溶液中的多价金属离子，在玻璃表面形成的含水硅酸盐薄膜剥落。,三. 影响玻璃化学稳定性的因素,玻璃的化学成分热处理玻璃的表面状态
5、温度和压力,玻璃的化学成分对玻璃化学 稳定性的影响,玻璃的化学稳定性主要决定于玻璃的化学成分。 有利于形成完整架状网络结构的氧化物，能提高玻璃的化学稳定性。,一些常见氧化物对玻璃化学稳定性的影响,SiO2含量越高，化学稳定性越好。 碱金属氧化物含量越高，化学稳定性越差。 含两种碱金属氧化物的玻璃的化学稳定性，比只含一种碱金属氧化物的玻璃高。 在钠硅玻璃中，用CaO、MgO、Al2O3、TiO2、ZrO2、BaO取代部分Na2O能提高玻璃的耐水性和耐酸性。 在钠硅玻璃中，加入适量B2O3能显著提高玻璃的耐水性。 Al2O3能显著提高Na2O-CaO-SiO2玻璃的耐水性。,含两种碱金属氧化物的玻
6、璃的化学稳定性，比只含一种碱金属氧化物的玻璃高。,在钠硅玻璃中，加入适量B2O3能显著提高玻璃的耐水性。,Al2O3能显著提高Na2O- CaO- SiO2 玻璃的耐水性,热处理对玻璃化学稳定性的影响,1. 退火玻璃比淬火玻璃具有较好的化学稳定性，因为退火玻璃的结构比淬火玻璃紧密。 2. Na2O-B2O3-SiO2玻璃在退火时若产生分相，尤其是富钠硼相呈连通结构时，则会降低玻璃的化学稳定性。 3. 玻璃在酸性气体（主要是SO2）中退火时，因部分碱金属氧化物转移到表面，被酸性气体中的SO2中和形成硫酸盐（硫霜化）而被除去，使玻璃表面碱金属离子的含量降低，从而提高玻璃的化学稳定性。,表面状态对玻
7、璃化学稳定性的影响,通过表面处理，改变玻璃的表面状态，可以改善玻璃的化学稳定性。如1. 在酸性气体中退火（硫霜化）除去玻璃表面的部分碱金属氧化物，形成一层高硅氧薄膜。2. 在玻璃表面涂敷有机化合物薄膜或无机化合物薄膜。,温度和压力对玻璃化学稳定性的影响,玻璃的化学稳定性一般随温度的升高而降低。100 以上，侵蚀作用始终是剧烈的。压力提高，化学稳定性变差。当压力提高到2.939.8MPa时，较稳定的玻璃也会在短时间内剧烈地被破坏。高压水位计玻璃受侵蚀，就是一个典型的例子。,第二节 玻璃的机械性质,一. 玻璃的弹性模量 二. 玻璃的机械强度 三. 影响玻璃机械强度的因素,一. 玻璃的弹性模量,弹性
8、模量是材料抵抗弹性变形的能力。一般玻璃的弹性模量E50-100GPa,（一）理论结合强度与实际强度从理论上分析，材料能够承受的最大应力t与材料的弹性模量E、表面能和相邻原子的间距有关t=（ E /）1/2 （1）通常情况下，=E/100 （2）所以l E/10 (最大拉伸强度) （3）由于抗折强度2倍抗拉强度所以z E/5 （最大抗折强度） （4）,二. 玻璃的机械强度,按（4）式计算，一般玻璃的抗折强度可达1020GPa，但是实验测得的玻璃抗折强度大致在4060MPa左右，比理论强度低23个数量级。玻璃的实际强度之所以比理论强度低得多，是因为玻璃的脆性和玻璃存在缺陷、微裂纹和不均匀区的缘故。
9、,（二）有微裂纹存在时的断裂强度按断裂力学理论，脆性材料的断裂强度f 与材料中存在的微裂纹长度2c有关f =（2E/c)1/20.8（E/c）1/2 （5）式中，E为材料的弹性模量，为材料的表面能，c为材料中的裂纹半长或表面裂纹的深度。（5）式与材料的理论强度表达式t=（ E /）1/2十分相似。,推 论,若能把材料中的微裂纹控制在原子直径的尺度范围内，则可以使材料的断裂强度接近理论强度。实际材料中的裂纹或缺陷长度远大于原子直径，故实际材料的断裂强度远小于理论强度。,三. 影响玻璃机械强度的因素,（一）玻璃的化学组成 （二）玻璃分相 （三）玻璃中的缺陷 （四）玻璃表面微裂纹 （五）活性介质 （
10、六）温度 （七）应力 （八）加荷时间,（一）化学组成的影响,凡是有利于形成完整的架状网络结构的组分，均有利于提高玻璃的机械强度。各组成氧化物对提高抗张强度的作用大小依次为：CaOB2O3 BaO Al2O3 PbO K2O Na2O (MgO、Fe2O3)各组成氧化物对提高抗压强度的作用大小依次为： Al2O3 (SiO2、 MgO、ZnO) B2O3 Fe2O3 (BaO、 CaO、 PbO)。,玻璃的抗张强度和抗压强度可按加和法则用下式计算：f =Pi Fi c =Pi Ci 式中，f为玻璃的抗张强度，c为玻璃的抗压强度， Pi为各组成氧化物的重量百分比，Fi为各组成氧化物的抗张强度计算系
11、数，Ci为各组成氧化物的抗压强度计算系数。,玻璃抗张强度和抗压强度的计算,表6-3 计算抗张强度及抗压强度的系数,（二）分相的影响,玻璃分相造成的界面为裂纹成核创造了有利条件。 由于两相成分不同、热膨胀性能不同所产生的应力，也会导致强度下降。,（三）内部缺陷的影响,宏观缺陷如结石、气泡等夹杂物与玻璃的成分不同，造成内应力。 微观缺陷如点缺陷、局部析晶等，常在宏观缺陷的地方集中，导致裂纹形成，严重影响玻璃的强度。,（四）表面微裂纹的影响,玻璃表面被大气中的水气侵蚀形成微裂纹，机械刻划也会在玻璃表面留下微裂纹甚至大的刻痕。这些都将严重影响玻璃的强度。,（五）活性介质的影响,水、酸、碱等活性介质一方面与玻璃起化学作用使结构破坏。另一方面，它们渗入裂纹中，象楔子一样使裂纹扩展。其中，由水引起的强度下降幅度最大。,（六）温度的影响,在200以下玻璃的强度随温度的升高而降低，在200左右强度最低。高于200，玻璃的强度随温度的升高而逐渐增加。,（七）应力的影响,玻璃中分布不均匀的残余应力，会大大降低玻璃的强度。 分布均匀且有规则的内应力则会提高玻璃的强度，如钢化玻璃。,（八）加荷时间的影响,加荷时间长，玻璃的强度降低。,
