第1章玻璃的粘度和表面张力

简述玻璃结构与熔体结构的关系。

玻璃态是热力学不稳定、动力学稳定的状态，在玻璃的熔融态向玻璃态转变的过程中，由于粘度增长很快、析晶速度很小而保持熔融态的结构，因此。

玻璃结构与熔体结构的关系体现在以下几个方面：（1）玻璃结构除了与成分有关以外，在很大程度上与硅酸盐熔体形成条件、玻璃的熔融态向玻璃态转变的过程有关，不能以局部的、特定的条件下的结构来代表所有玻璃在任何条件下的结构状态。

即不能把玻璃结构看成是一成不变的。

（2）玻璃是过冷的液体，玻璃结构是熔体结构的继续。

即玻璃结构与熔体结构有一定的继承性。

（3）玻璃冷却到室温时，它保持着与这温度区间的某一温度相应的平衡结构状态和性能。

即玻璃结构与熔体结构有一定的结构对应性。

1828年法国工人罗宾发明了第一台吹制玻璃瓶的机器。

1905年英国欧文斯发明了第一台玻璃瓶自动成型机。

1959年英国皮尔金顿公司经３０年的研究将浮法应用于平板玻璃的生产，是玻璃发展史上的一次重大变革，并不断取代其它方法。

石英砂的主要成分是SiO2，常含有：Al2O3、TiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O、Cr2O3、V2O5等杂质成分，其中Fe2O3、Cr2O3、V2O5、TiO2能使玻璃着色，降低玻璃的透明度，是有害杂质。

B2O3是玻璃的形成氧化物，它以硼氧三角体[BO3]和硼氧四面体[BO4]为结构组元，在硼硅酸盐玻璃中与硅氧四面体[SiO4]共同组成结构网络。

B2O3能降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的热稳定性，当B2O3引入量过高时，由于硼氧三角体[BO3]增多，玻璃的膨胀系数反而增大，发生反常现象。

－－硼反常现象一般选择引入氧化钠的原料时，可优先选择纯碱，在纯碱供应紧张时或为降低成本，可引入适量的芒硝（2-3%）。

原因有以下几点：Ａ）热耗大，难分解；Ｂ）侵蚀性大（包括芒硝蒸汽、“硝水”：硝酸钾或者硝酸钠的溶液，此处指熔融的芒硝，还原剂用量不足时产生的）Ｃ）需加入适量的还原剂：量不足时不分解的芒硝易生成侵蚀性较大的硝水；过量时会还原Fe2O3、Na2SO4生成FeS、Fe2S3和硫化物,并生成硫铁化物，最终导致着色，而还原剂的实际用量需根据实际情况调整；D）运费高，储存加工费用大。

第一部分浮法玻璃成型工艺浮法玻璃成型工艺流程：经熔化、澄清并冷却至1100℃左右的玻璃液，经流道（包括安全闸板和流量调节闸板）和流槽流进锡槽内的熔融锡液面上，在自身重力及表面张力的作用下，玻璃液开始进行摊开、抛光、均匀降温，在拉边机的作用下，进行拉薄或积厚形成一定厚度的玻璃带，在水包的强制冷却和槽体自热的降温的双重作用下，成型后的玻璃带降温到600℃左右，通过过渡辊台，出锡槽进入退火窑。

一、锡槽的工艺分区1.抛光区锡槽抛光区的功能是使从流槽流入锡槽的玻璃液在这里摊平抛光。

所谓抛光就是玻璃液在其重力和表面张力的作用下达到平衡，使玻璃表面光滑平整。

此区必须要有足够高的温度，而且横向温度必须均匀，以使玻璃的粘度小而均匀，才能使玻璃得以充分摊平。

●玻璃液在此区的粘度102.7---103.2Pa·s。

●玻璃液在此区的温度1000--1065℃。

●玻璃液在此区的冷却速度不得大于60℃/min。

●玻璃液在此区的停留时间不得小于72秒。

玻璃带的流动和边部液流玻璃液经唇砖流落在锡液面上，分为两部分流动，大部分玻璃液向下游流去，形成玻璃带的主体部分，很少一部分玻璃液反向流动，与背衬砖接触，然后缓慢的分成左右两股玻璃液流沿背衬砖和八字砖形成玻璃的左边部和右边部，这样与耐火材料接触的玻璃液形成的玻璃带边部质量较差，都将在冷端掰边作业中除去。

2.预冷区●玻璃液在此区的粘度103- 104Pa·s。

●玻璃液在此区的温度1000-900℃。

3.成型区●玻璃液在此区的粘度104.25- 105.75 Pa·s。

●玻璃液在此区的温度900-780℃。

4.冷却区冷却区长度包括收缩段在内的后面窄段的全部长度。

玻璃液在此区由于快速冷却，粘度急剧增大而不再收缩。

●玻璃液在此区的粘度范围105.75-107 Pa·s。

●玻璃液在此区的温度780-590℃。

二、锡槽的成型机理1.玻璃的粘度粘度是液体的一种内摩擦系数.当某层液体以速度ü运动时,邻近液层也将一起运动,不过速度要小些,并且距离愈远,速度愈小.这种流动称为粘滞流动。

“玻璃熔制”课程任务书系：材料工程系班级：玻璃132部门：一任务：一目录一、任务题目：300t/d浮法玻璃熔窑熔制制度的确定二、主要内容：1、确定玻璃熔制过程的温度-粘度曲线2、确定玻璃熔制的各种熔制制度3、分析熔制制度对玻璃质量的影响三、基本要求：1、玻璃熔制制度应符合实际生产情况要求，便于组织生产2、熔制制度参数选择合理、先进3、熟悉玻璃熔制制度对玻璃质量的影响4、提交一份打印的任务说明书与电子文档5、提交本小组成员的成绩表一、确定玻璃熔制过程的温度-粘度曲线玻璃熔制是按照玻璃配方混合好配合料，经过高温加热形成均匀透明的、无缺陷的并符合成型要求的玻璃液的过程。

影响玻璃熔制过程的因素1、熔化温度：温度增加，反应速度加快，温度每升高10℃，反应速度也上升10%。

2、物料颗粒度：粒度减小，速度上升，粒度过小，结团速度下降。

3、配合料均匀度：均匀度上升，速度加快。

4、原料的种类、形成：块、粒状速度快。

投料方法与质量：正面投料，料层薄，熔化快黏度：速度梯度为1时单位接触面积上的内摩擦力。

黏度的工艺意义1. 影响玻璃的熔制质量，黏度大，石英熔化困难，气泡排除困难。

2. 决定玻璃的产量。

3. 决定玻璃制品的成型质量，不同的制品和成型方法，其成型黏度也不同。

4. 决定制品退火温度和热处理温度。

5. 黏度与温度的关系6. 由于结构特性的不同，玻璃熔体与晶体的黏度随温度的变化趋势有显著的差别。

晶体在高于熔点时，熔化变化很小，当达到凝固点时，由于熔融态转变成晶态的缘故，黏度呈直线上升。

玻璃的黏度则随温度下降而增大，从玻璃液到固态，玻璃的黏度是连续变化的，其间没有数值上的突变。

所以实用硅酸盐玻璃，其黏度随温度的变化都属于同一类型，只是黏度随温度变化的速度以及对应于某给定黏度的温度有所不同。

随着温度的变化，玻璃的黏度变化速率不同，这被称为具有不同的料性。

分为长性玻璃和短性玻璃。

随温度降低长性玻璃的硬化速度较慢，被称为慢凝玻璃，而短性玻璃的硬化速度较快，又被称为快凝玻璃。

第一章晶体结构习题1、概念：晶体，晶体结构，空间点阵，离子半径，离子极化，配位数，固溶体，合金2、在正交简单点阵、底心点阵、体心点阵、面心点阵中分别画出（110）、（001两组晶面，并指出每个晶面上的结点数？3、设有某一晶面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为1a，2b，3c，求该晶面符号？4、在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数，并绘图示之？答：根据晶面和晶向指数的标定方法可知，题中晶面指数为（120），如图中ABCD，晶向指数为[102]如图中OP。

6、画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]，[011]，[111]，[231]，[321]7、什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？在离子紧密堆积时，带电荷的离子所产生的电场必然要对另一离子的电子云发生作用（吸引或排斥），因而使这个离子的大小和形状发生了改变,这种现象叫离子极化。

极化会对晶体结构产生显著影响，主要表现为极化会导致离子间距离缩短，离子配位数降低，同时变形的电子云相互重叠，使键性由离子键向共价键过渡，最终使晶体结构类型发生变化．8、氧化镁（MgO ）与氯化钠（NaCl ）具有相同结构。

求(1) MgO 的晶格常数；(2) MgO 的密度？（Ar(Mg)=24， Ar(O)=16） 解：（1）（2）每一个单位晶胞中含有4个Mg 2+及4个O 2-，1mol 的Mg 2+具有24g 的质量，1mol 的O 2-具有16g 的质量。

9、已知MgO 晶体中Mg 2+和O 2-在三维空间有规律地相间排列，其晶体结构相当于两套面心立方点阵互相套叠在一起，晶胞常数a=b=c=4.20， α=β=γ=90℃,请回20.078Mg r nm +=20.132O r nm-=222()2(0.0780.132)0.396Mg O a r r nm +-=+=+=232333732324164()4(2416)6.0210 6.02104.28/(0.39610) 6.0210g g g cm a ρ-++⨯⨯===⨯⨯⨯答:①画出MgO晶体二维和三维空间的晶体结构图.②从①的图形中抽象出MgO晶体的空间点阵图形.③从②中划分出单位空间格子,计算其结点数.12、画出MgO晶体（面心立方点阵）在（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面上的结点和离子排布图.13、已知γCs+ = 0.169 nm，γCl- = 0.181 nm。

玻璃工艺学复习练习题玻璃工艺学复习练习题一、解释以下概念1.临界冷却温度:能生成玻璃的最小冷却速度。

2.不混溶区：玻璃发生分相的组成-温度范围。

3.晶核：具有一定大小能够稳定生长的结晶区域称为晶核。

4.粘度温度系数：玻璃的粘度温度系数= 粘度变化/温度变化=Δη/ΔT5.色散：折射率随入射光波长的不同而不同的现象称为色散。

6.转变温度：粘度为1012.4帕秒的温度7.软化温度：粘度为106.5-107.2帕秒的温度范围。

8.正常色散：折射率随波长减小而增大，色散随随波长减小而加剧的现象称为正常色散。

9.反常色散：光波波长接近玻璃的吸收带时，玻璃的折射率发生急剧变化，吸收带长波侧的折射率高于短波侧的折射率。

这种现象称为反常色散。

10.结石：玻璃中的结晶质夹杂物称为玻璃结石11.条纹：条纹呈线条状或纤维状，形状和粗细都不规则，与它周围的玻璃有时没有明显的界限，故亦称之为玻璃态夹杂物。

12.疖瘤：疖瘤大多是在高温时形成的液态球滴或球团。

由于这部分玻璃的粘度、表面张力比基体玻璃大，因而易收缩呈圆形或椭圆形。

疖瘤也可看成是条纹的前身，由于扩散不充分而造成。

二. 简答题1.在Na2O-SiO2玻璃中加入二价金属氧化物，玻璃的化学稳定性将怎样变化？既有断网作用，也有积聚作用。

在二元（RO-SiO2）玻璃中，主要起断网作用，使性能劣化。

对碱性氧化物有压制作用。

在碱硅玻璃中加入二价金属氧化物能使性能改善。

玻璃的密度、折射率等性质随二价金属离子半径大小而变化。

2.在Na2O-SiO2玻璃中加入B2O3，玻璃的结构将如何变化？在钠硅玻璃中加入B2O3，玻璃的结构随B2O3增加而逐渐加强，玻璃的性质得到改善。

但B2O3的含量超过某数值时，将出现逆转：随着B2O3的增加，玻璃结构逐渐弱化，玻璃的性质逐渐劣化，在玻璃的性质变化曲线上出现极值。

3.判断玻璃生成能力的三个动力学指标是什么？1.在熔点Tm附近熔体的粘度大小,粘度大，容易生成玻璃2. Tg/Tm比值的大小; Tg/Tm比值大，容易生成玻璃3. 临界冷却速度; 临界冷却速度越小，越容易生成玻璃4.分相结构对玻璃的性质有何影响？对第一类性质的影响：由离子的迁移特性决定的性质，如电阻率、化学稳定性等对玻璃的分相结构十分敏感。

玻璃厚薄差的控制薄玻璃生产，主要影响玻璃质量的因素是玻璃的薄厚差和成型筋，玻璃的薄厚差大小，主要与玻璃成型过程的工艺布置、参数设定有关。

玻璃的成型原理玻璃在锡液面上，在重力和表面张力的作用下，玻璃自然厚度在7mm左右，要想得到所需要厚度的玻璃，只有增加外力，在适宜的粘度范围内，才能得到。

Na-Ca-Si系玻璃理论上适宜的温度范围在550.8——767.9℃。

此时，玻璃粘滞力较大，表面张力作用明显减少，玻璃在外力拉边机作用下，玻璃增厚趋势很弱，可以得到要求厚度的玻璃。

在生产中，为生产优质玻璃，要严格控制成型温度的控制、拉边机速度、角度、冷却器数量、部位等等，几项参数合理的匹配，才能生产出优质的玻璃。

（二）、优质薄玻璃控制要素及原理1．成型温度的控制在理论上讲玻璃的成型温度控制在880－768℃为佳，但在实际生产中运行状态与理想状态相差较多，如玻璃的横向温度是不均匀的，并相差较多，所以在实际生产中，第一对拉边机处的温度都控制在880℃以上，一般第一对控制在900－950℃，末对拉边机760－790℃，原因是，玻璃带在较高温度下受玻璃表面张力的作用，易于自然收缩，但玻璃液在低粘度下也利于玻璃的展薄，如果拉边机布置合理，前区拉边机布置的密一些，阻止玻璃的展薄，后区宽一些，有利于玻璃的定型，使玻璃达到要求的厚度。

高温成型的最大好处是，玻璃板在外力的作用下，易于展薄，不易于产生玻璃机械永久变形。

如温度低，就需要加大拉边机角度或降低拉边机速度来克服玻璃的粘滞力强制展薄，外力的增大，一方面，在低粘度状态下，展薄外力形成的机械变形，很难再摊平，玻璃板面上出现成型筋；另一方面，玻璃在低粘度的情况下拉引，玻璃带横向中部温度高边部温度低，玻璃带中部粘度小的部位易展薄，边部粘度大，粘滞力大不易展薄，玻璃边部厚，不利于玻璃成型控制。

所以说，成型温度控制的不要太低。

2．玻璃薄厚差的调整玻璃的成型厚度与成型温度、拉边机速度、速度配比、角度、电加热开度、冷却水包等因素有关，当温度一定时，增加拉边机角度,降低拉边机速度,可以使玻璃变薄,如何调整,要看槽内工况和玻璃板的薄厚差情况而定。

浮法玻璃的粘度与温度的相对应值
1、应变点：大致相当于粘度为1013.6泊的温度，即应力能在几小时内消除的温度，也称退火下限的温度,相对于的温度539℃-523℃（内部质点应力松弛停止的温度）。

2、转变点：相当于粘度为10∧12.6泊的温度，高于此点玻璃进入粘滞状态，开始出现塑性变形，力学性能开始迅速变化，相当于温度559-539℃（玻璃的许多物理性能如热容、密度、热膨胀系数、电导率在该粘度范围发生急剧变化。

这是玻璃结构发生了变化的缘故）。

3、退火点：大致相当于粘度10∧12泊的温度即应力能在几分钟消除的温度，也称为退货上限温度，相对于温度559℃.
4、变形点：相当于粘度10∧10-10∧11泊的温度范围，相对应温度609-583℃（对应于热膨胀曲线上的最高点的温度）。

5、软化温度：它与玻璃的密度和表面张力有关，相当于粘度2*10∧6—1.5*10∧7泊之间的温度。

密度约2.5g/cm3的玻璃相当于粘度为10∧6.6泊的温度软化温度大致相应于操作温度的下限，相对于温度764-716℃。

6、操作温度：相当于成型时玻璃的表面温度范围。

准备成型操作的温度，相当于粘度为3*10∧2—10∧3泊的温度，相对于温度1118----1013℃。

7、熔化温度：相当于粘度为10泊的温度，在此温度下能以一般要求的速度熔化。

基本概念一、粘度液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液体的黏性，粘性的大小用黏度表示，粘度又分为动力黏度与运动黏度度。

1.黏度简介将流动着的液体看作许多相互平行移动的液层, 各层速度不同,形成速度梯度(dv/dx),这是流动的基本特征.(见图) 由于速度梯度的存在,流动较慢的液层阻滞较快液层的流动,因此.液体产生运动阻力.为使液层维持一定的速度梯度运动,必须对液层施加一个与阻力相反的反向力. 在单位液层面积上施加的这种力,称为切应力τ(N/m2).切变速率(D) D=d v /d x (S-1) 切应力与切变速率是表征体系流变性质的两个基本参数牛顿以图4-1的模式来定义流体的粘度。

两不同平面但平行的流体，拥有相同的面积”A”，相隔距离”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流动，牛顿假设保持此不同流速的力量正比于流体的相对速度或速度梯度，即：τ= ηdv/dx =ηD（牛顿公式）其中η与材料性质有关，我们称为“粘度”。

2.黏度定义将两块面积为1m2的板浸于液体中,两板距离为1米,若加1N的切应力,使两板之间的相对速率为1m/s,则此液体的粘度为1Pa.s。

牛顿流体：符合牛顿公式的流体。

粘度只与温度有关，与切变速率无关，τ与D为正比关系。

非牛顿流体：不符合牛顿公式τ/D=f（D），以ηa表示一定（τ/D）下的粘度，称表观粘度。

又称黏性系数、剪切粘度或动力粘度。

流体的一种物理属性，用以衡量流体的粘性，对于牛顿流体，可用牛顿粘性定律定义之：式中μ为流体的黏度；τyx为剪切应力；ux为速度分量；x、y 为坐标轴；dux/dy为剪切应变率。

流体的粘度μ与其密度ρ的比值称为运动粘度，以v表示。

粘度随温度的不同而有显著变化，但通常随压力的不同发生的变化较小。

液体粘度随着温度升高而减小，气体粘度则随温度升高而增大。

对于溶液，常用相对粘度μr表示溶液粘度μ和溶剂粘度μ之比，即：相对粘度与浓度C的关系可表示为：μr＝1＋【μ】C＋K′【μ】C＋…式中【μ】为溶液的特性粘度，K′为系数。

1、玻璃结构：是指离子或原子在空间的几何配置以及它们在玻璃中形成的结构形成体。

2、3T图：以温度T为纵坐标，冷却时间t或lg t为横坐标绘制温度-时间-转变率(T-T-T)图(简称3T图)。

3、离子的集聚作用：是离子使小型四面体聚集为大型四面体的作用。

4、混合碱效应：在R+离子含量不变，引进两种R+离子的玻璃比只含一种R+离子的玻璃的性能发生改变，当两种金属离子(R+)的数量接近时，其性能最佳。

5、离子着色：是指过渡金属离子在3d或4f轨道中de电子未被充满，容易产生d-d跃迁或f-f跃迁而引起光吸收，使玻璃着色。

6、主要原料：是指在玻璃中引入SiO2、Al2O3、B2O3、Na2O、K2O、CaO、MgO等各种组成氧化物的原料。

7、助熔剂：是指能降低玻璃熔制温度或加速玻璃熔制过程的原料。

8、玻璃成分：是指玻璃中所含有元素和化合物的种类和比例，又称为化学组成。

9、玻璃的成型：是将玻璃液制成为具有固定几何形状的玻璃制品的过程。

10、玻璃的热处理：是指在玻璃转变温度与软化温度之间所进行的热过程。

11、玻璃的表面抛光：是对不平整的玻璃表面进行处理，使之成为平整而光滑；或者是将玻璃毛坯制品经过处理，使之达到所规定的形状和尺寸，而且表面很光滑的加工过程。

12、夹层玻璃：是由两片或两片以上的玻璃用透明的弹性胶片牢固粘合而成的，具有透明、高机械强度、耐光、耐热、耐湿和耐寒等特性的深加工玻璃制品。

13、重金属氧化物玻璃：是指以氧化铅(PbO)、氧化铋(Bi2O3)、氧化锑(Sb2O3)、氧化碲(TeO2)以及其它在元素周期表中的第五、六主簇周期中具有高原子量的金属氧化物为基础组分而形成的玻璃。

14、光功能玻璃：是指在外场(电、光、磁、热、声、力等)作用下，利用玻璃本身光学性质(如折射率或感应电极化)发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。

15、离子的解聚作用：是离子使大型四面体分解为小型四面体的作用。