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第8章 玻璃的光学性质玻璃的光学性质是指玻璃的折射、反射、吸收和透射等性质。
玻璃常用作透光材料，因此对其光学性质的研究在理论上和实践上都具有重要意义。
玻璃是一种高度透明的物质，可以通过调整成分、着色、光照、热处理、光化学反应以及涂膜等物理和化学方法，获得一系列重要光学性能，以满足各种光学材料对特定的光性能和理化性能的要求。
玻璃的光学性能涉及范围很广。
本章仅在可见光范围内（包括近紫外和近红外）讨论玻璃的折射率、色散、反射、吸收和透射（玻璃的着色和脱色在第9章中介绍）。
为了便于讨论玻璃的光学性质，先简略介绍光的本质。
外来能源激发物质中的分子或原子，使分子或原子中的外层电子，由低能态跃迁到高能态，当电子跳回到原来状态时，吸收的能量便以光的形式对外产生辐射，此过程就叫发光。
光是一种电磁波，具有一定的波长和频率，且以极高的速度在空间传播（光速约为3×108m/s ）。
可见光、紫外线、红外线以及其他电磁辐射的波长频率范围见图8-1。
从图8-1中可看出，可见光在整个电磁波中只是很窄的一个波段（390~770nm ）。
在这一狭窄的波段内，存在着各种不同的色光，包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光谱。
常说的“白光”应该当作“全色光”来理解。
棱镜把太阳光分解为七色颜色光的相应波段，每一波段人眼看来是单一的色，叫做单色光，但它不是单一的值，只不过人眼区别颜色的能力有限，看不出单色复杂性而已。
8.1玻璃的折射率当光照射到玻璃时，一般产生反射、透过和吸收。
这三种基本性质与折射率有关。
玻璃的折射率可以理解为电磁波在玻璃中传播速度的降低（以真空中的光速为准）。
如果用折射率来表示光速的降低，则：V C n / （8-1）式中：n —玻璃的折射率C —光在真空中的传播速度 V —光在玻璃中的传播速度 一般玻璃的折射率为1.5~1.75频率/Hz 图8-1电磁波的频率和波长范围 波长/nmnm光在真空中的传播速度不同于在玻璃中的传播速度，因为光波是电磁波，而玻璃内部有着各种带电的质点，如离子、离子集团和电子。
12.23玻璃工艺重点内容1、玻璃淬火处理根据原理的不同可以分为哪两种（急冷淬火和慢冷淬火）。
2、玻璃制品的退火过程一般分为哪几个阶段(加热、保温、慢冷、快冷)。
3、熔制过程中火焰和配合料、玻璃液间主要以什么方式传热（火焰辐射和对流加热）。
4、玻璃配合料中引入碎玻璃的目的是什么，一般加入量是多少：目的：①回收重熔碎玻璃可以变废为宝、保护环境;②从工艺上看，合理引入碎玻璃会加速熔制过程，降低玻璃的熔制的热耗，从而降低生产成本，增加产量。
用量：一般25-30%（最大可达70-100%）。
5、玻璃组成中形成体组分含量越高，对玻璃的透紫外能力、导电能力、机械强度、玻璃熔体粘度有什么影响（透紫外→越好，导电→下降，机械强度→增加，玻璃熔体粘度→增大）。
6、玻璃配合料中加入纯碱的目的是什么，纯碱加入量越大对玻璃熔制温度、生产出的玻璃化学稳定性、绝缘性、热稳定性有什么影响：①目的：引入网络外体、助熔、降低粘度；②纯碱加入量越大，熔制温度↓；化学稳定性、绝缘性、热稳定性均↓变差。
7、玻璃的熔制过程包括哪几个阶段，其中哪个阶段温度最高：阶段：硅酸盐形成阶段、玻璃形成阶段、玻璃液的澄清阶段、玻璃的均化阶段、玻璃的冷却阶段。
玻璃液的澄清阶段温度最高。
8、玻璃的原料主要包括哪三大类：主要原料、辅助原料、碎玻璃。
9、玻璃红外光、紫外光的吸收原理是什么：①红外原理：红外频率与玻璃中分子本征振动频率相近，引起共振而产生吸收；②紫外原理：光子激发阳离子的电子到高能级的结果。
10、玻璃配合料为什么要有一定的气体率：受热分解后所逸出的气体，对配合料和玻璃液起到搅拌作用，有利于硅酸盐形成和玻璃均化。
11、玻璃对光的折射原理：光波为电磁波，对于玻璃是一外加交变电场，通过时会引起玻璃内部质点的极化变形，离子偶极矩改变所需能量来自光波，光波能量减小，传播速度降低。
12、水、酸、碱和大气对玻璃的侵蚀机理是什么：水机理：①离子交换反应-Si-O-Na+H-OH⇒-Si-OH+NaOH;②硅羟团水化-Si-OH+1.5H2O⇒Si(OH)4③中和反应Si(OH)4+NaOH⇒[Si(OH)3O]Na+H2O另一方面，H2O也能对硅氧骨架直接起反应。
学号： 0804230324
玻璃的热历史对性能的影响
2011 ~ 2012 学年秋季学期
学院：材料学院
专业班级：无机08-3班
姓名：段贺轩
论文成绩：
评阅教师：
评阅日期：
热历史对玻璃结构及性能的影响
热历史对玻璃密度的影响：
玻璃的热历史指玻璃从高温冷却，通过 T f ～ T g 区域时的经历，包括在该区停留时间和冷却速度等具体情况在内。
热历史影响到固态玻璃结构以及与结构有关的许多性质。
在退火温度范围内，玻璃的密度与保温时间、降温速度关系有如下规律：
(1) 玻璃从高温状态冷却时，则淬冷玻璃比退火玻璃的密度小。
(2) 在一定退火温度下保温一定时间后，玻璃密度趋向平衡。
(3) 冷却速度愈快，偏离平衡密度的温度愈高，其 T g 温度也愈高。
所以，在生产上退火质量好坏可在密度上明显地反映出来。
析晶是玻璃结构有序化的过程，因此析晶后密度增大。
玻璃析晶 ( 包括微晶化 ) 后密度的大小主要决定于析出品相的类型。
热历史对玻璃粘度的影响：
玻璃的粘度随温度降低而增大，从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变化的。
所有实用硅酸盐玻璃，其粘度随温度的变化规律都属于同一类型，只是粘度随温度的变化速度以及对应于某给定粘度的温度有所不同，在 10Pa · s( 或更低 ) 至约10 11 Pa· s 的粘度范围内，玻璃的粘度由温度和化学组成决定，而从约1011 Pa·s 至1014 a·s( 或更高 ) 的范围内，粘度又是时间的函数。
下图为 Na2O — CaO —SiO2玻璃的弹性模量、粘度与温度的关系。
图为Na2O — CaO — SiO2玻璃的弹性模量、粘度与温度的关系图中分三个温度区，在A 区因温度较高，玻璃表现为典型的粘性液体，它的弹性性质近于消失，在这一温度区中粘度仅决定于玻璃的组成和温度，粘度随温度下降而迅速增大，弹性模量也迅速增大，在这一温度区粘度除决定于组成和温度外，还与时间有关；在 c 区，温度继续下降，弹性模量进一步增大，粘滞流动变得非常小，在这一温度区，玻璃的粘度又仅决定于组成和温度而与时间无关。
生产上常把玻璃的粘度随温度变化的快慢称为玻璃的料性，粘度随温度变化快的玻璃称为短性玻璃，反之称为长性玻璃
热历史玻璃表面张力的影响：
表面张力随着温度的升高而降低，两者几乎成直线的关系。
可以认为，当温度提高100℃时表面张力减少1 ％，然而在表面活性组分及一些游离的氧化物存在的情况下，表面张力能随温度升高而微微增加。
热历史对玻璃力学性能影响：
对玻璃的影响不同，根据对-200℃～+ 500℃范围内的测试，强度最低值位于200℃左右( 如下图) 。
最初随着温度的升高，热起伏现象有了增加，使缺陷处积聚了更多的应变能，增加破裂的几率。
当温度高于200℃时，强度的递升可归于裂口的钝化，从而缓和了应力的集中。
玻璃纤维因表面积大，当使用温度较高时，可引起表面微裂纹的增加和析晶。
因此，温度升高，强度下降。
同时，不同组成的玻璃纤维的强度和温度的关系有明显的区别
玻璃的脆性玻璃的脆性，是指当负荷超过玻璃的极限强度时立即破裂的特性。
玻璃的脆性通常用它破坏时所受到的冲击强度来表示。
冲击强度的测定值与试样厚度及样品的热历史有关，淬火玻璃的强度较退火玻璃大 5 ～7 倍。
石英玻璃的脆性很大，向SiO2中加入R2O 和RO 时，所得玻璃的脆性更大，并且随加入离子R + 和R2+ 半径的增大而上升。
对于含硼硅酸盐玻璃来说， B 3+ 处于三角体时比处于
四面体时脆性小。
因此，为了获得硬度高而脆性小的玻璃，应该在玻璃中引入半径小的阳离子如Li 2 O 、BeO 、Mgo 、B 2 0 3等组分。
热历史对玻璃化学稳定性的影响
(1) 当玻璃在酸性炉气中退火时，玻璃中的部分碱金属氧化物移到表面上，被炉气中的酸性气体( 主要是SO2 ) 所中和，而形成“白霜” ( 其主要成分为硫酸钠) ，通称为“硫酸化”。
因白霜易被除去而降低玻璃表面碱性氧化物含量，从而提高了玻璃的化学稳定性。
相反，如果在没有酸性气体的条件下退火，将引起碱在玻璃表面上的富集，从而降低了玻璃的化学稳定性。
(2) 玻璃钢化后，因表面层有压应力，而且坚硬，微裂纹少，所以提高了化学稳定性；但在高温下渗透出来的碱因没有酸性炉气中和，又降低了化学稳定性。
相比之下，前者起主要作用，所以钢化玻璃随钢化程度的提高，化学稳定性也将提高。
玻璃的化学稳定性随温度的升高而剧烈变化。
在100℃以下，温度每升高10℃，侵蚀介质对玻璃侵蚀速度增加50 ％～150 ％，100℃以上时，侵蚀作用始终是剧烈的。
热历史对玻璃折射率的影响
(1) 将玻璃在退火温度范围内，保持一定温度，其趋向平衡折射率的速率与所处的温度有关。
(2) 当玻璃在退火温度范围内，保持一定温度与时间并达到平衡折射率后，不同的冷却速度得到不同的折射率。
冷却速度愈快，折射率愈低；冷却速度愈慢，折射率愈高。
(3) 当两块化学组成相同的玻璃，在不同退火温度范围时，保持一定温度与时间并达到平衡折射率后，以相同的冷却速度冷却时，则保温时的温度越高，其折射率越小；若保温时的温度越低，其折射率越高。
可见，退火不仅可以消除应力，而且还可以消除光学不均匀。
因此，光学玻璃的退火控制是非常重要的。
