玻璃形成的方法和条件汇总.docx

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玻璃形成的方法和条件汇总

玻璃形成的方法和条件

学院

专业级材料科学与工程

学号

姓名

2012年1月5日

玻璃形成的方法和条件

[摘要]本课题针对玻璃的形成特征，简要描述了玻璃的形成方法，玻璃形成的热力学条件和动力学条件等，通过完成该课题，熟悉了玻璃形成的一般方法及流程，较好的完成了任务。

[关键词]玻璃形成方法条件

[abstract]Thistopicfortheformationoftheglassfeatures，Itdescribesbrieflytheformationofglassmethod，Glassformthermalconditionsanddynamicconditionsetc.Throughthecompletionofthisissue.Familiarwiththeglassoftheformationofthegeneralmethodandprocess，Bettertofinishthetask.

[keywords]glassformmethodScondition

前言1

1玻璃的形成方法2

1.1常见玻璃的图片2

1.2玻璃的形成2

1.3玻璃的形成方法3

1.3.1熔融法形成玻璃3

1.3.2非熔融法形成玻璃5

2玻璃形成的条件6

2.1玻璃形成的热力学条件6

2.2玻璃形成的动力学条件6

2.3玻璃形成的结晶化学理论9

结论10

参考文献10

前言

玻璃的艺术起源早期被称为琉璃、璧琉璃，在几千年前，它的最高贵的做法是用玛瑙、紫石英、香料和其他的一些玉质捣成粉，再入炉熔烧，这就是叫它璧琉璃的原因。

玻璃早期呗应用于教堂，后来使用范畴拓展到了日用品、装饰品、交通工具、医学设备及建筑、室内装饰等多领域。

玻璃工艺在其表面特征和物理属性方面都得到了相当的发展，展现了光线、动感与色彩的魅力。

与其他材料相比，玻璃具有自身的特点，它透明、易碎、易于加工成各种造型，同时又具有很好的耐腐蚀性，易于制成多种彩色玻璃，还可调节透明度等。

玻璃众多的个性特点，使其在室内设计中的应用更为频繁，更为广泛。

从过去仅满足采光和维护的单一功能，发展到今天的兼有隔热、隔音、保温、安全、装饰和其他各种新功能的阶段，其功能已达10多种，如防弹、防爆、抗风暴、调光、屏蔽、减反射、发电、自洁等功能，品种达到百于个。

玻璃从性能上讲已经不是原来建筑玻璃的概念了。

我国大型高层共用建筑，在近几年如雨后春笋般出现在各大城市。

玻璃这一建筑大家庭中不可缺少的成员，在建筑师、设计师的手下也变得越来越光芒四射，绽放着它迷人的魅力。

    它已成为建筑师设计师表现不同建筑风格及建筑理念的主要手法，发展速度之快让人吃惊。

据日前召开的全国空间结构会议上，来自各方的专家认为，当前玻璃应用发展有广阔的前景。

1、玻璃的形成方法

1.1玻璃的图片[6]

常用的建筑玻璃如图1-1所示

图1-1建筑玻璃

1.2玻璃的形成[2]

玻璃是从熔体淬火后固化形成的，从熔融的液态变成冷体。

由于在转化过程中结构的不确定性，因此玻璃的熔点不是固定的，或者说不存在熔点，固态玻璃结构要比形成玻璃的液态复杂得多。

在熔融液体的冷却过程中，液体的体积随温度的下降线性地变小，这与固体在熔点温度以上，其体积随温度而减少的规律差不多。

熔融玻璃液体的温度到某一个值以下时，热膨胀系数变小，体积的改变随之减少，这个温度称为玻璃转变温度Tg。

玻璃转变温度是根据液态或过冷态的切变粘滞性大于某一值时的温度来定义的，通常固体的粘滞度大于10＾14Pa.s。

对于玻璃来说，这个温度是很重要的参数，它具有明显的动力学特征，即随时间的增加，或冷却速率的降低，Tg也降低。

但是这种动力学特征是有限的，Tg不会偏离很多，因而本质上仍然是一个热力学过程。

而当温度低于Tg时，再延长时间也不能使原子离开它们在向玻璃转变时被冻结的位置。

T

图1-2物质内能与体积随温度的变化

玻璃还存在一个特征温度，称为玻璃的软化温度Ts。

玻璃熔体在玻璃转变温度附近的粘滞度大于10＾14Pa.s，而在玻璃软化温度附近其黏度下降了约几个数量级。

严格地说，玻璃态与非晶态的概念有两点明显的区别：

一是玻璃具有玻璃态转变温度，而非晶态一般没有；而是在冷却过程中玻璃的物理性质一般没有突变，而非晶态在冷却过程中伴有物理性质较大的变化。

不同材料形成玻璃时要求的冷却速率不同。

为了合成更多的新型无机非晶态固体材料，以适应科学技术发展的需要，材料科学家进行了大量的探索，发现了许多新的制备玻璃态物质（非晶态固体）的工艺和方法。

目前，除传统的熔体冷却法外，还出现了气相和电沉积，真空蒸发和溅射，液体中分解合成等非熔融的方法。

因此，过去许多用传统的熔体冷却法不能得到的玻璃态物质，现在都可以成功地制备了。

1.3玻璃形成的方法

形成玻璃的方法很多。

总的可分为熔体冷却（熔融）法和非熔融法两类。

1.3．1熔融法形成玻璃[1]

熔体冷却（熔融）法是形成玻璃的传统方法，熔融冷却法制备工艺过程经历：

原料选取、配合料制备、玻璃的烧制、澄清和均化冷却，玻璃成品的成形、退火及加工各过程。

玻璃熔制的利用高温加热熔化配合料，制成均匀、无气泡并能成形的玻璃熔融液的过程。

进行了一系列复杂的物理、化学、物理化学反应，可分为三个个阶段：

1、硅酸盐的形成和玻璃的形成：

1）硅酸盐形成：

   高于1000℃温度下，碳酸盐分解放出大量CO2、SiO2，并与其它组分反应，产生烧结物，使形成的低共熔物熔化，出现少量液相。

又促进配合料的熔化。

反应转向固、液相间进行，最终形成由硅酸盐、游离二氧化硅，组成的不透明烧结物。

2）玻璃形成

  反应进行中，配合料基本熔化为液相，过剩的石英颗粒不断溶于熔体中，直至全转化为液相，成为含大量可见气泡的不均匀，透明玻璃液。

该过程的速度取决于石项颗粒的溶解速度，颗粒度减小，反应速度增加。

但过细的颗粒易团聚。

2、玻璃液的澄清和均化

  熔制过程因配合料各组分的分解及挥发放出的气体、操作过程中带入的气体或与耐火材料作用产生的未完全逸出的气体会残留在熔液中，玻璃液中因残存成分不同产生的化学条纹及不均匀体需消除。

 1）玻璃液的澄清——气泡逸出或被吸收

   该过程是将玻璃液内可见气泡中气体、窑内气体、物理溶解与化学结合的不可见气体建立平衡。

再使可见气泡漂浮于玻璃液表面，加以消除。

   平衡关系由该气体在各相中分压决定，气体从分压高的相进入分压低的相。

调整气体分压大小，使大气泡不断增多、上升，漂浮出液面后，破裂消失，或使小气泡的气体组分溶于玻璃液中被吸收消除。

   最常用的加速澄清法是使用澄清剂和搅拌。

　　常用的澄清剂有：

硝酸盐、三氧化二砷、芒硝、硫酸胺、食盐、氟化物等。

2）玻璃液的均化——消除残存在液中的条纹及不均匀体，达到各部分化学组成均匀。

  该过程取决于分子的扩散运动：

表面张力、玻璃的流动。

采取机械搅拌，人为促进均化，使不均匀区，粗条纹分割成细、短条纹，利于扩散均化。

、3、玻璃液的冷却

　　为熔制的最后阶段，目的是：

降温，提高玻璃液的粘度，达到形成制品所需温度。

一般降低200－300℃。

要求冷却后温度均匀一致，利于成形，控制好工艺因素，调整原始组成，避免二次气泡出现。

1.3.2非熔融法形成玻璃[3]

非熔融法形成玻璃是近些年才发展起来的新型工艺。

它包括气相和电沉积，真空蒸发和溅射，液体中分解合成等方法。

表1-1列出了非熔融法形成玻璃的一些方法。

表1-1非熔融法形成玻璃一览表

原始物质

形成原因

获得方法

实例

固体

剪切应力

冲击波

石英、长石等晶体，通过爆炸，夹于铝板中受600kb的冲击波而非晶化，石英变为d=2.22、Nd=1.46接近于玻璃，350kb不发生晶化

磨碎

晶体通过磨碎，粒子表面逐渐非晶化

反射线辐射

高速中子射线或α射线

石英晶体，1.5×1020cm-2中子照射而非晶化，d=2.26、Nd=1.47

液体

形成络合物

金属醇盐的水解

Si、B、P、Al、Zn、Na、K等醇盐的酒精溶液，水解得到凝胶，加热（T＜Tg）形成单组分、多组分氧化物玻璃

气体

升华

真空蒸发沉积

低温极板上气相沉积非晶态薄膜，有Bi、Ga、Si、Ge、B、Sb、MgO、Al2O3、ZrO2、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、MgF2、SiC及其它各种化合物

阴极溅射及氧化反应

低压氧化气氛中，将金属或合金进行阴极溅射，极板上沉积氧化物，有SiO2、PbO-TeO2薄膜、PbO-SiO2薄膜、莫来石薄膜、ZnO

气相反应

SiCl4水解，SiH4氧化而形成SiO2玻璃；

气相反应

B（OC2H5）3真空加热700～900℃形成B2O3玻璃

表1-1中所列的形成玻璃新方法，能够得到一系列性能特殊、纯度很高和符合特殊工艺要求的新型玻璃材料，极大地扩展了玻璃形成范围。

2.玻璃形成的条件

2.1玻璃形成的热力学条件[4]

玻璃一般是从熔融态冷却而成。

在足够高温的熔制条件下，晶态物质中原有的晶格和质点的有规则排列被破坏，发生键角的扭曲或断键等一系列无序化现象，它是一个吸热的过程，体系内能因而增大。

然而在高温下，ΔG=ΔH－TΔS中的TΔS项起主导作用，而代表焓效应的ΔH项居于次要地位，就是说溶液熵对自由能的负的贡献超过热焓ΔH的正的贡献，因此体系具有最低自由能组态，从热力学上说熔体属于稳定相。

当熔体从高温降温，情况发生变化，由于温度降低，-TΔS项逐渐转居次要地位，而与焓效应有关的因素（如离子的场强、配位等）则逐渐增强其作用。

当降到某一定的温度时（例如液相点以下）,ΔH对自由能的正的贡献超过溶液熵的负的贡献，使体系自由能相应增大，从而处于不稳定状态。

故在液相点以下，体系往往通过分相或析晶的途径放出能量，使其处于低能量的稳定态。

因此，从热力学角度来看，玻璃态物质（较之相应结晶态物质）具有较大的内能，因此它总是有降低内能向晶态转变的趋势，所以通常说玻璃是不稳定的或亚稳的，在一定条件下（如热处理）可以转变为多晶体。

然而由于玻璃与晶体的内能差值不大，析晶动力较小；另一方面，玻璃也是处于一个小的能谷中，其析晶首先要克服位垒，因此玻璃这种能量上的亚稳态（介稳态）在实际上能够保持长时间的稳定。

一般说同组成的晶体与玻璃体的内能差别愈大，玻璃愈容易结晶，即愈难于生成玻璃；内能差别愈小，玻璃愈难结晶，即愈容易生成玻璃。

2.2玻璃形成的动力学条件[4]

形成玻璃的条件虽然在热力学上应该有所反应，但是并不能期望热力学条件能够单独解释玻璃的形成。

这是由于热力学忽略了时间这一重要因素，热力学考虑的是反应的可能性以及平衡态的问题，但玻璃的形成实际是非平衡过程，也就是动力学过程。

事实上如果将熔体缓慢冷却，最好的玻璃生成物（如SiO2、B2O3等）也可以析晶；反之，若将熔体快速冷却，使冷却速度大于质点排列成为晶体的速度，则不宜玻璃化的物质，例如金属合金亦有可能形成金属玻璃。

因此从动力学的观点看，生成玻璃的关键是熔体的冷却速度（即粘度增大速度）。

故在研究物质的玻璃生成能力时，都必须指明熔体的冷却速度和熔体数量（或体积）的关系，因为熔体的数量大，冷却速度小；数量小则冷却速度大。

塔曼最先提出在熔体冷却过程中可将物质的结晶分为晶核生成和晶体长大两个过程，并研究了晶核生成速率、晶体生长速度与过冷度之间的关系。

这两个过程都各自有适当的冷却程度，但这并不是说冷却程度愈大、温度愈低愈有利。

塔曼认为玻璃的形成正是由于过冷熔体中晶核形成最大速率所对应的温度低于晶体生长最大速度所对应的温度所致。

因为当熔体冷却，温度降低到晶体生长最大速度时，成核速率很小，只有少量晶核长大；而温度降低到晶核形成最大速率时，晶体生长速度也很小，晶核不可能充分长大，最终不能结晶而成玻璃。

因此，两曲线重叠区愈小，愈容易形成玻璃；反之，两曲线重叠区愈大，愈容易析晶，而难于形成玻璃。

由此可见，要使析晶本领大的熔体成为玻璃，只有采取增加冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来不及析晶而玻璃化。

后来，笛采尔（Dietzel）、斯梯弗斯（Stevels）等不断发展了塔曼的学说，设想用各种表征冷却速度的标准，来衡量玻璃的生成能力。

例如用晶体线生长速度（γ）的倒数（1/γ），临界冷却速度（即能获得玻璃的最小冷却速度）（参见图2-2）。

乌尔曼（D.R.Uhlmann）提出三T图来研究玻璃的转变，取得很大成功，成为玻璃形成动力学理论中十分重要的方法之一。

所谓三T图，是通过T-T-T（即温度-时间-转变）曲线法，以确定物质形成玻璃的能力大小。

在考虑冷却速度时，必须选定可测出的晶体大小，即某一熔体究竟需要多快的冷却速度，才能防止产生能被测出的结晶。

据估计，玻璃中能测出的最小晶体体积与熔体之比大约为10-6（即容积分率

）。

由于晶体的容积分率与描述成核和晶体长大过程的动力学参数有密切的联系，为此提出了熔体在给定温度和给定时间条件下，微小体积内的相转变动力学理论。

作为均匀成核过程（不考虑非均匀成核），在时间t内单位体积的结晶VL/V描述如下：

VL/V≈

Ivu3t4（2-1）

式中Iv—单位体积内结晶频率（即晶核形成速度）

u—晶体生长速度

u=

（2-2）

Iv=

（2-3）

式中a0—分子直径

K—波兹曼常数

ΔHf—摩尔熔化热

η—粘度

fs—晶液界面上原子易于析晶或溶解部分与整个晶面之比

R—气体常数

B—常数T—实际温度Tr=T/Tm

ΔTr=ΔT/TmΔT=Tm－TΔT—过冷度

Tm—熔点

当ΔHf/Tm＜2R时，fs≈1；当ΔHf/Tm＞4R时，fs=0.2ΔTr

必须指出，在作T-T-T曲线时，必须选择一定的结晶容积分率（即

）。

利用测得的动力学数据，并通过公式（2-1）、（2-2）、（2-3），可以定出某物质在某一温度成结晶容积分率所需的时间，并可得到一系列温度所对应的时间，从而作出三T图。

由于成核速度与温度的对应关系计算不很可靠，实际上，成核速度一般由实验求得。

图2-1SiO2的T-T-T图（结晶容积分率=10-6）

从图2-1可看出，利用T-T-T图和公式（2-1），就可以得出为防止产生一定容积分率（即

）结晶的冷却速度。

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（

）c，由下式表示之。

（2-4）

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

样品的厚度直接影响到样品的冷却速度，因此过冷却形成玻璃的样品厚度是另一个描述玻璃形成能力的参数，如不考虑样品表面的热传递，则样品的厚度Yc大致有如下的数量级：

Yc≈（DTh·τN）1/2（2-5）

式中DTh—样品的热扩散系数

关于玻璃生成的动力学观点的表达方式很多，下列两种物理化学因素是主要的：

（1）为了增加结晶的势垒，在凝固点（热力学熔点Tm）附近的熔体粘度的大小，是决定能否生成玻璃的主要标志。

（2）在相似的粘度-温度曲线情况下，具有较低的熔点，即Tg/Tm值较大时，玻璃态易于获得。

2.3玻璃形成的结晶化学理论[4]

动力学因素虽是玻璃形成的重要条件，但它毕竟是反应物质内部结构的外部属性。

玻璃形成只有对决定物质构造的基本因素，如化学键性质、质点堆积、单质和化合物结构类型进行研究才能获得根本性的规律，而以上所有专题都归属于结晶化学的内容。

因此，在玻璃形成理论中，结晶化学条件是研究的最广泛和最令人感兴趣的领域。

结论

本次课题的主要任务是描述玻璃的形成，本论文的的优点是简要概述的玻璃的形成方法，形成时的热力学条件和动力学条件及形成时的结晶化学理论。

通过这次课设，使我对玻璃的形成有了较深的认识，巩固了课堂上所学的有关玻璃形成的有关知识，提高了自己应用所学知识和技能解决实际问题的能力，学到了很多无机材料有关玻璃行业的很多知识，收获很多。

由于本人在材料方面不足，本课设还一些不足，例如玻璃形成的热力学条件和动力学条件等问题还不够完善，希望在以后积累更多的经验，解决可能出现的缺陷问题。

参考文献

[1]周美玲，谢建新，朱宝泉.材料工程基础.北京：

工业大学出版社，2001

[2]何贤旭.陶瓷材料概论.上海，科普及出版社，2005

[3]J.ZarzyckiR著，干福熹，侯立松译.玻璃与非晶态材料.北京：

科学出版社，2011

[4]黄胜涛.非晶态材料的结构与结构分析.北京：

科学出版社，1988

[5].张克从,张乐惠.晶体生长科学与技术.北京：

科学出版社，1997

[6]中国玻璃网