材料表界面知识点总结

第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。

4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：•Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。

浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。

酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。

高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。

4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。

碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。

碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。

碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。

⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。

碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。

⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。

大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。

4.4 影响玻璃表面反应性的因素1) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。

玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。

2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。

明焰退火，玻璃化学稳定性增加；暗焰退火，玻璃化学稳定性降低。

3) 表面状态的影响介质对玻璃的侵蚀首先从表面开始，表面状态对玻璃化学稳定性具有重要的意义。

可以通过表面处理改变玻璃的表面状态。

◆从玻璃表面层移去对侵蚀介质具有亲和力的成分；◆玻璃表面进行涂层。

4）温度和压力5.玻璃表面张力表面张力的工艺意义：◆澄清：表面张力在一定程度上决定了气泡的长大和排除速度。

◆均化：玻璃液中条纹及节瘤扩散和溶解的速度决定于主体玻璃和条纹玻璃表面张力的相对大小。

◆成形：人工挑料，吹小泡，滴料供料；玻璃管或玻璃棒的拉制；平板玻璃的成形。

1) 表面张力与组成的关系熔体内部质点之间的相互作用力愈大，则表面张力也愈大。

一价金属阳离子以断网为主，它的加入能使复合阴离子团离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。

但随阳离子半径的增加，其顺序为：σLi2O·SiO2＞σNa2O·SiO2＞σK2O·SiO2＞σCs2O·SiO2各种氧化物对表面张力的影响可分为三类：◆第Ⅰ类氧化物：没有表面活性，增加表面张力，称为表面惰性物质。

如SiO2、Al2O3、CaO 、MgO、Na2O 、Li2O 等。

◆第Ⅱ类氧化物：引入量较大时能显著降低熔体表面张力。

如K2O、PbO、B2O3、Sb2O3、P2O5等。

◆第Ⅲ类氧化物：引入量较少也可显著降低熔体表面张力，称为表面活性物质。

如V2O5、Cr2O3、MoO3、WO3等。

2)表面张力与温度的关系一般规律：温度升高，质点热运动增加，体积膨胀，相互作用力松弛，表面张力降低，表面张力与温度几乎呈直线关系。

7 玻璃表面处理玻璃表面处理技术按作用原理可分为：①微观微粒沉积。

沉积物以原子、离子和粒子团簇形态在玻璃表面形成薄膜。

如物理气相沉积、化学气相沉积镀膜。

②介观或微观粒子沉积。

沉积物以介观(mm级)或微观(um级)尺寸的颗粒形态在玻璃表面形成覆盖层，热喷涂、描金。

②整体覆盖。

将覆盖材料在同一时间施加在玻璃表面上，如贴铁甲防爆膜、夹金膜。

③表面改性。

如离子交换、离子注入、化学处理。

1 防雾自清洁玻璃原因：在冬季和湿气比较重的地方，容易凝聚在建筑物的玻璃窗、汽车档风玻璃、后视镜和眼镜上，形成雾气。

吸附灰尘和油污，造成玻璃透过率降低。

后果：影响视觉和生命安全。

a)在玻璃表面喷上一层表面活性剂，以除去沉积在其上的水滴和尘埃；b)在玻璃表面涂覆上一层有机吸水防雾薄膜；c)安装加热装置，通过加热蒸发玻璃表面的水滴；d)安装超声波和加热装置，对玻璃表面同时进行分散和加热，达到快速蒸发的目的。

SiO膜机理：SiO2表面容易产生OH基团，因而具有良好的亲水性。

此外，SiO2薄膜具有多孔表面，能改善其亲水性。

当玻璃表面吸附水时，水被SiO2层中的微孔均匀吸收，然后蒸发，没有留下任何斑点。

超亲水自清洁玻璃在玻璃表面制备出超亲水性光催化TiO2薄膜。

该光催化薄膜具有两大特性。

(1)超亲水性能：使玻璃表面对水具有超亲和作用，使水的液滴在玻璃表面上的接触角趋近于零。

因此，当水接触到玻璃表面时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污渍，通过该方式将可以去除大部分有机或无机污渍。

(2)光催化分解有机物能力：通过光催化反应，该TiO2薄膜将有能力分解各类有机物，通过该特性可以有效去除残余的顽固有机污渍并有杀灭粘附于表面的细菌效果。

目前，该方式已经成为自清洁玻璃的开发和生产的主流。

（1）超疏水自清洁玻璃：利用超疏水技术使得玻璃表面产生超疏水和超疏油的特殊表面，从而，使得亲水性污渍和亲油性污渍无法粘附于玻璃表面，从而保证了玻璃的自清洁。

但是由于目前该方法的时效性差，无法保证玻璃产品作为耐用消费品的长期使用寿命，从而无法保证真正意义上的自清洁效果。

（2）TiO2薄膜亲水性原理：TiO2是一种n型氧化物半导体，其禁带宽度约为3.2 eV，相应的截止波长约为380 nm。

它在波长短于380 nm的紫外线照射下，表面产生氧空穴和电子，对应的Ti4+转化为Ti3+。

当表面有水分子时，空穴与水反应生成·OH自由基，这种·OH自由基使表面与极性水分子的相互作用变强，这样在氧空穴处形成了亲水区域。

TiO2表面的氧与氢氧基(化学吸附水)的置换，形成二维毛细管现象。

1化学气相沉积(CVD)通过化学汽相沉积(CVD)方法将TiO2沉积到洁净玻璃的表面，沉积结果往往为三种TiO2晶型共同存在沉积在一起。

该自清洁玻璃具有特点：1) 锐钛矿型TiO2晶型的含量极低，仅仅具有很有限的超亲水和光催化功能。

2) 生产成本很高。

3) 玻璃本身的透射率大大降低(约降低10％)。

4) 为非纳米材料，比表面积很低，使得性能和效率较低。

为弥补性能低下的缺陷，将通过增加膜厚度方式来提高性能。

由于有效成分锐钛型TiO2晶型的含量极低，亲水性和光催化性难以保证。

2 磁控溅射方法使用磁控溅射镀膜设备，通过将金属钛溅射到玻璃表面，在玻璃表面自然氧化生成TiO2的薄膜，使得玻璃表面具有一定的亲水性，来达到自清洁效果。

由于磁控溅射技术限制，玻璃表面生成的TiO2薄膜为无定型的TiO2薄膜。

它的特点是：1）璃表面的亲水性及自清洁性能极其有限。

2）磁控溅射的成本高昂。

3 溶胶提拉+高温烧结技术将TiO2制成溶胶，再将玻璃放人该溶胶中浸润提拉的方式得到处理过的玻璃，再将该玻璃在高温烧结炉中烧结500℃3-4h完成金红石晶型向锐钛矿晶型的转化。

该方法存在缺陷：1）金红石晶型向锐钛矿晶型的转化存在转化效率问题，自清洁效果有限。

2）有彩虹现象。

镀ITO膜的导电玻璃特性：a) 较低的电阻率(约为10 Ω·cm)；b) 可见光透过率可达85%以上；c) 紫外线吸收率大于85%；d) 红外线反射率大于8O%；e) 微波衰减率大于85%；f) 加工性能良好，便于刻蚀；膜层硬度高，既耐磨又耐化学腐蚀等。

应用：a) 液晶显示器(LCD)b) 宇航和军事方面：利用IT()薄膜的透明和导电功能，将这种镀膜玻璃作为机车的挡风玻璃、飞机和飞船的眩窗、坦克激光测距仪、机载光学侦察仪、潜艇潜望镜等的观察窗，不仅可起到隔热降温作用，而且薄膜通电加热后还可作为透明电极用于除雾除霜。

c) 建筑工业方面：利用ITO薄膜的透明和红外反射功能，用镀膜玻璃装配门窗或作高级建筑物的幕墙，具有良好的隔热节能效果。

d)太阳能方面：ITO薄膜所具有的折射率(介于1．8～1．9之间) 和导电性，使它适合用于硅太阳电池的减反射涂层和光生电流的收集。

因其具有对可见光的透过性和对红外光的反射性，故在光热转换利用中，它可用作有效利用太阳能的选择性透过膜，从而把热能有效地捕集到室内或太阳能收集器中。

e)其它方面：利用ITO薄膜对微波的衰减性，可防止因外界电磁波的侵入使电子设备产生误差和保密信息的泄露，故ITO薄膜可用于屏蔽电磁波，在需要屏蔽电磁波的场所，如计算机操作房、雷达的保护区甚至隐形飞机上，可用其作为防电磁干扰的透明屏窗或屏蔽层；利用ITO薄膜的透明和导电性，可制作透明触摸式显示屏进行人机对话输入，另外大面积的ITO膜透明导电玻璃还可用作商场的防盗橱窗，当玻璃破损时实时报警。

LOW-E 玻璃所谓Low-E玻璃是在高质量的浮法玻璃基片表面上涂覆特殊的金属氧化物薄膜，使它对远红外光具有双向反射作用，即可以阻止室外热辐射进入室内，又可以将室内物体产生的热能反射回来，从而降低玻璃的传热系数。

也就是说，这种在波长为4.5～25微米的远红外光区，80％以上的光波被反射回去的低辐射镀膜玻璃，被称为Low-E玻璃。

特点：(1) 具有较高的可见光透射比和较低的可见光反射比。

低辐射玻璃的可见光透射比一般为60-80%，有的达到85% 以上。

(2) 具有很低的辐射率和较高的红外光反射比。

普通透明玻璃的辐射率E值为0.84．而低辐射玻璃的E值一般小于0.15，有的甚至低于0.05。

(3) 有中性色彩或接近中性色彩．可使低辐射玻璃尽量少地吸收入射的太阳能。

膜的结构:(1)功能膜控制整个膜系的表面电阻，决定膜系的辐射率，并直接影响膜系的透射比和反射比。

一般采用正电性金属元素如金、银、铜等作为该层膜的材料。

通常用银作为该层功能膜的材料。

但由于银质软，不耐磨，而且与玻璃的结合力差，因此银膜两侧需加介质膜。

(2)第一层介质膜一般是金属氧化物膜(TiO2、SnO2、ZnO等)或类似的绝缘膜，用来提高银与玻璃表面的附着力，同时兼有调节膜系光学性能和颜色的作用。

(3)外层介质膜金属氧化物膜或类似的绝缘膜，它既是减反射膜也是保护膜。

在可见光和近红外太阳能光谱中起减反射作用，以提高此波长范围内的太阳能透射比，同时保护银膜，提高膜系的物化性能。