玻璃工艺学五.ppt

第五章玻璃的力学性能及热学性能;主要内容;5.2玻璃的热学性能 5.2.1 玻璃的热膨胀系数 5.2.2 玻璃的比热 5.2.3 玻璃的导热性 5.2.4 玻璃的热稳定性 ;5.1.1.1理论强度与实际强度 所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析材料所能承受的最大应力或分离原子（离子或分子等）所需的最小应力。取决于原子间的相互作用及热运动。;σth=xE E：弹性模量 X：为与物质结构和键型有关的常数，一般为0.1~0.2;材料名称; 块状玻璃的实际强度与理论强度相差2~3个数量级。 原因：玻璃的脆性、玻璃中存在微裂纹（尤其是表面微裂纹）和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中。;5.1.1.2玻璃的断裂力学 断裂力学的基本概念 脆性断裂理论 假定在一个无限大的平板内有一椭圆形裂纹，它与外力垂直分布，长度为2c，在一定应力σ的作用下，此裂纹处的弹性应变能为： ;因而在外力作用下，裂纹得以扩展的条件为： 得到： 这时的σ相当于断裂应力σf，则：;玻璃材料的缺陷及裂纹的扩展 玻璃材料由于在其表面和内部存在着不同的杂质、缺陷或微不均匀区，在这些区域引起应力的集中导致微裂纹的产生。裂纹尖端处的应力超过临界应力时，裂纹就迅速分裂，使玻璃断裂。;玻璃断裂过程分为两个阶段： 第一阶段主要是初生裂纹缓慢增长，形成断裂表面的镜面部分； 第二阶段，随着初生裂纹的增长，次生裂纹同时产生和增长，在其相互相遇时形成以镜面为中心的辐射状碎裂条纹。;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;从裂纹扩展过程中的能量平衡，推导出临界裂纹应力σc的一般式： 近似为：;5.1.1.3 影响玻璃强度的因素 化学键、化学组成 键强：桥氧，非桥氧键强不同；碱金属、碱土金属键强也不同。 键数：网络的疏密程度。 化学组成：不同组成的玻璃结构骨架不同。;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;表面微裂纹 格里菲斯认为玻璃破坏时是从表面微裂纹开始； 据测定，1mm2玻璃表面上含有300个左右的微裂纹； 微裂纹的存在使玻璃抗张、抗折强度仅为抗压强度的1/10~1/15； 提高玻璃强度的两个途径： 减少和消除玻璃的表面缺陷； 使玻璃表面形成压应力，以克服表面微裂纹的作用。;微不均匀性 电镜观察玻璃中存在微相和微不均匀结构； 结构中的微不均匀性降低了玻璃强度； 原因：微相之间易生成裂纹，两相交界面间结合力较弱，两相成分不同，热膨胀系数不同，产生应力。;玻璃中的宏观、微观缺陷 宏观缺陷：气泡、条纹、结石。因成分与主体玻璃不一致，热膨胀系数不同而造成内应力； 微观缺陷：点缺陷、局部析晶、晶界。常在宏观缺陷的地方集中导致裂纹产生。;活性介质 活性介质指水、酸、碱、某些盐类等。 活性介质对玻璃表面的两种作用 一是渗入裂纹像楔子一样使裂纹扩展； 二是与玻璃起化学作用破坏结构。 活性介质中玻璃的强度降低。 玻璃强度的测定最好在真空或液氮中进行，以免受活性介质的影响。;温度 低温和高温对玻璃强度的影响是不同的； 接近绝对零度至200℃，强度随温度升高而降低； 200℃为强度最低点； 高于200℃，强度逐渐增大。;; ;玻璃的疲劳现象 定义：常温下，玻璃的破坏强度随加荷速度或加荷时间而变化。加荷速度越大或加荷时间越长，破坏强度越小，短时间不会破坏的负荷，时间久了就可能破坏，这种现象称为玻璃的疲劳现象。;定义：材料在外力作用下发生变形，外力去掉后能恢复原来形状的性质。 表征弹性的参数 弹性模量 E 剪切模量 G 泊松比 μ 体积压缩模量 K;;5.1.2.1弹性模量与成分的关系 E主要取决于内部质点间化学键的强度，同时也与结构有关。质点间化学键的强度越大，变形越小，E就越大；玻璃结构越坚实，E也越大。;键强：与原子半径和价电子数有关。E是原子序数的周期函数。同一族元素，随原子序数的递增和原子半径的增大， E降低。 与离子间的吸引力 呈直线关系。同一氧化物处于高配位时E比处于低配位时高。 结论：离子半径较大、电荷较低的离子不利于提高E，相反有利于提高E。;结构：石英玻璃具有三维空间的架状结构， E较高，705.6×108Pa；纯B2O3玻璃具有层状结构， E很低，仅175×108Pa。 硼反常 硼铝反常 结论： E的增减实质上反