《材料制备与加工原理》第六章第四节-玻璃的熔炼与凝固.pptVIP

第四节 玻璃的熔炼与凝固 1 玻璃概述 1.1 玻璃态的性质 （1）各向同性 （2）无固定熔点 （3）亚稳性 （4）变化的可逆性（图） （5）可变性 1.2 玻璃的结构特征 较为流行的两种学说：晶子学说和无规则网络学说。 晶子学说揭示了玻璃中存在有规则排列区域，这对于玻璃的分相、晶化等本质的理解有重要价值。但初期的晶子学说机械地把这些有序区域当作微小晶体，并未指出相互之间的联系，因而对玻璃结构的理解是初级的和不完善的。在长期的发展过程中，该学说将晶子的看法逐渐深化，目前倾向于晶子不同于具有正常晶格的微小晶体，而是晶格极度变形的较有规则排列的区域。在多组分玻璃中，晶子的化学组成也可不同。晶子相互间由中间过度层所隔离，距晶子愈远，不规则程度也愈显著。 总的说来，晶子学说强调了玻璃结构的近程有序性、不均匀性和不连续性。 无规则网络学说提出氧化物AmOn能形成玻璃应具备以下条件： （1） 氧离子最多同两个阳离子A相结合； （2） 围绕阳离子A的氧离子数不应过多（一般为3或4）； （3） 网络中这些氧多面体以顶角相连，不能以多面体的边或面相连； （4） 每个多面体中至少有三个氧离子与相邻的多面体相连形成三度空间发展的无规则连续网络。 （a）石英玻璃结构模型 （b）石英晶体结构模型 （c）钠钙硅玻璃结构模型 无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性、统计均匀性与无序性，可以解释玻璃的各向同性、内部性质均匀性和随成分改变时玻璃性质变化的连续性等。 玻璃的结构特征是短（近）程有序长（远）程无序，即在宏观上玻璃主要表现为无序均匀和连续性，而在微观上它又是有序、不均匀和不连续的。 1.3 玻璃生成的动力学条件 从动力学的观点看，生成玻璃的关键是熔体的冷却速度。 乌尔曼提出的三T图 由T-T-T曲线“鼻尖”之点可粗略求得该物质的形成玻璃的临界冷却速度。 式中：ΔTN=TM－TN，TN为T-T-T曲线“鼻尖”之点的温度，τN为T-T-T曲线“鼻尖”之点的时间，TM为熔点。 2 玻璃的制备工艺 传统的熔融冷却法玻璃制备工艺包括：配合料的制备、玻璃的熔制、澄清、均化、冷却、成形、退火及后加工 。 2.1 原料的分类 （1）主要原料 ① 酸性氧化物原料 SiO2：形成体，硅氧四面体构成三维网络结构； B2O3：形成体，硼氧三角体或四面体构成层状或网络结构； Al2O3：中间体，可以四面体或八面体的形式存在； P2O5：形成体，磷氧四面体构成三维网络结构。 ② 碱性氧化物原料 碱金属：氧化钠、氧化钾、氧化锂等，提供游离氧，起到断网作用； 碱土金属：氧化钙、氧化镁、氧化钡等，调节玻璃的性能； 其他碱性氧化物：二氧化钛、二氧化锆等。 （2）辅助原料 澄清剂：往玻璃配合料或玻璃熔体中，加入一种高温时本身能气化或分解放出气体，以促进排除玻璃中气泡的物质。 着色剂：使玻璃着色的物质。根据着色剂在玻璃中呈现的状态不同，分为离子着色剂，胶态着色剂和硫硒化物着色剂三类。 脱色剂：脱色剂按其作用，主要分化学脱色剂和物理脱色剂两种。 乳浊剂：使玻璃产生不透明的乳白色的物质。 助熔剂：能促使玻璃熔制过程加速的原料。 （3）碎玻璃 采用碎玻璃不但可以利用废物，而且在合理使用下，还可以加速玻璃的熔制过程，降低玻璃熔制的热量消耗，从而降低玻璃的生产成本和增加产量。 2.2 配合料的制备 （1）原料的选择 应遵循的原则： 原料的化学组成、矿物组成、颗粒组成都要符合规定的要求，而且成分稳定； 原料易于加工处理； 成本低，能大量供应； 少用对人体健康有害的原料； 对耐火材料侵蚀要小。 （2）原料的加工处理 干燥、破碎和粉碎、过筛、除铁、输送。 （3）配合料的制备 混合、储存。 2.3 玻璃的熔制 （1）硅酸盐形成阶段 在很大程度上是在固体状态下进行的。料粉的各组分发生一系列的物理变化和化学变化，粉料中的主要固相反应完成，大量气体物质逸出。这一阶段结束时，配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。大多数玻璃这个阶段在800～900℃时完成。 （2）玻璃形成阶段 由于继续加热，烧结物开始熔融，低熔混合物首先开始熔化、同时硅酸盐与剩余的二氧化硅相互熔解，烧结物变成了透明体，这时已没有未起反应的配合料，但在玻璃中还存在着大量的气泡和条纹，化学组成和性质尚未均匀一致，普通玻璃在这个阶段的温度约为1200～1250℃之间。 （3）澄清 指排除可见气泡的过程。随着温度的继续提高，粘度逐渐下降，玻璃液中的可见气泡慢慢跑出玻璃进入炉气。普通玻璃的澄清过程在1400～1500℃。 存在于玻璃中的气体主要有三种状态，即可见气泡、溶解的气体和化学结合的气体。 可见气泡的消除按下