第五章 玻璃的力学性能及热学性能

玻璃材料的物理和化学特性研究玻璃是一种常见的材料，广泛应用于建筑、装饰、电子、光学等领域。

它具有优良的物理和化学特性，这使得它在不同的应用中有着出色的表现。

本文将重点探讨玻璃材料的物理和化学特性研究。

一、物理特性1.光学性能玻璃具有良好的透明度和均匀性，对光线的折射和反射也有独特的特性。

通过控制玻璃的成分、温度和压力等参数，可以得到具有特殊光学性能的玻璃材料。

例如，光学玻璃可以在特定波长范围内具有高透明度和低散射率，因此常用于光学仪器和镜头制造中。

2.力学性能玻璃具有较高的硬度和强度，但同时也容易破碎。

研究玻璃的力学性能，包括弹性模量、断裂强度等，对于提高玻璃的耐久性和安全性非常重要。

近年来，纳米技术的发展为研究玻璃的微观结构和力学性质提供了新的手段和思路。

3.热学性能玻璃的热胀和导热性能对于应用性能有着重要影响。

特别是在高温环境下，玻璃的热膨胀和导热性能可能会导致应力集中和材料破裂。

因此，研究玻璃的热学性能可以为制造高温环境下的玻璃器件提供理论基础和实验支持。

4.介电性能作为一种重要的电介质材料，玻璃具有较高的介电常数和低的损耗。

通过改变玻璃的成分和微观结构，可以调节其介电性能，从而满足不同的应用需求。

例如，高介电常数玻璃可用于电容器和电子设备中。

二、化学特性1.化学稳定性玻璃对化学物质的稳定性是其应用的重要保障。

研究玻璃的化学稳定性，可以评估其在各种环境中的耐久性和耐腐蚀性能。

例如，镁铝硅酸盐玻璃具有优良的化学稳定性，可用于对高浓度强酸或碱性溶液的容器和管道中。

2.生物相容性玻璃的生物相容性研究是医学领域中的关键问题。

因为玻璃可以作为医疗器械和药品包装材料。

目前，研究人员正在探索如何通过改变玻璃表面的化学组成和形貌，来提高其生物相容性和降低对人体的毒性和副作用。

3.光催化性能光催化技术在环境治理、水处理、能源转换等方面具有广泛应用前景。

通过改变玻璃表面的化学组成和微观结构，可以调节其光催化性能。

玻璃产品的技术性能参数及设计玻璃抗风压及地震力设计（引自《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003） <一> 有框玻璃幕墙玻璃设计a) 有框玻璃幕墙单片玻璃的厚度不应小于6mm ，夹层玻璃的单片厚度不宜小于5mm ；夹层玻璃和中空玻璃的单片玻璃厚度相差不宜大于3mm 。

b) 单片玻璃在垂直于玻璃幕墙平面的风荷载和地震力作用下，玻璃截面最大应力应符合下列规定： i. 最大应力标准值可按照下列公式计算：1.ησ226t a mw k wk=2.ησ226ta mq EK EK= 3. 44Et a w k =θ或44)6.0(Eta q w EK k +=θ表2：折减系数ηc) 单片玻璃的刚度和跨中挠度应符合以下规定：1. 单片玻璃的刚度D ，按照：)1(1223v Et D -=计算。

2. 玻璃跨中挠度u 可按照下式计算：ημDa w u k 4=四边支撑板的挠度系数：3. 在风荷载标准值作用下，四边支撑玻璃的最大挠度u 不宜大于其短边尺寸的1/60d ） 夹层玻璃可按照下列规定进行计算：1. 作用于夹层玻璃上的风荷载和地震作用可按下列公式分配到两片玻璃上：3231311t t t w w kk +=（1）3231322t t t w w kk +=（2）3231311t t t q q Ek EK +=（3）3231322t t t q q EkEK +=（4）2. 两片玻璃可各自按照第1，2条的规定分别进行单片玻璃的应力计算；3. 夹层玻璃的挠度可按照第1，3条的规定进行计算，但在计算刚度D 时，应采用等效厚度t et e 可按照下式计算：32313t t t e +=（5）其中：t 1,t 2分别为各单片玻璃的厚度（mm ）e) 中空玻璃可按照下列规定进行计算1． 作用于中空玻璃上的风荷载标准值可按下列公式分配到两片玻璃上：i. 直接承受风荷载作用的单片玻璃：32313111.1t t t W W k k +=（1.5-1）ii.不直接承受风荷载作用的单片玻璃：32313221.1t t t W W k k +=（1.5-2）2. 作用于中空玻璃上的地震作用标准值，可根据各单片玻璃的自重计算。

结论（影响成核的因素）
T越大，即温度越低，对应的rc越小
影响临界晶核的半径的因素是T
2、玻璃形成的动力学条件
理论分析： 晶核生成速率N正比于 其中 称为临界晶核形成功，u为扩散激活能。
1.2 a
（A）晶核形成速率N 过冷度对成核速率的影响
玻璃体形成的条件
2、玻璃形成的动力学条件
2
3
玻璃体形成的条件
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01.
1、玻璃形成的热力学观点
Tg
ΔGv越大析晶动力越强，越不容易形成玻璃。 ΔGv越小析晶动力越弱，越容易形成玻璃。
玻璃
晶体
ΔGa
ΔGv
SiO2 ΔGv=2.5; PbSiO4 ΔGv=3.7 Na2SiO3 ΔGv=4.6 玻璃化的能力： SiO2> PbSiO4 > Na2SiO3
2、玻璃形成的动力学条件
玻璃体形成的条件
02
容易形成玻璃的结晶动力学曲线
03
2玻璃形成的动力学分析
01
N，C
04
2、玻璃形成的动力学条件
不同材料的N与C和过冷度关系曲线的形状及过冷温度范围可以有很大区别。
对于金属材料，u一般较小.u小则扩散容易，一旦形核，将迅速长大，在曲线上升阶段，材料的结晶就已经完成,故金属材料结晶能力非常强，很难形成非晶态。 (若冷却速度足够快，金属与合金也可获得非晶态固体)
玻璃体形成的条件
2玻璃形成的动力学分析
2、玻璃形成的动力学条件
3）易形成玻璃的材料，如 等： u值很大，扩散困难，晶核难长大。在高温才会有较大生长速率。 在过冷度不大时 较大，很难形成核. 在低温下易于形成晶核。 结果： 晶体生长速率C与晶核生成速率N曲线分开。 4) 只有在两条曲线相交的阴影部分才是容易结晶的区域，但这两者又都很小。因此这类物质容易成为玻璃体。

5.1.1
1. 化学组成
影响玻璃强度的因素
各质点的键强 减少和消除玻璃的表面缺陷（火焰抛 单位体积内键的数目
2. 表面微裂纹 3. 微不均匀性
4.
5. 6. 7. 8.
光、氢氟酸腐蚀） 各微相之间易产生裂纹 结构缺陷 200℃以下，由于裂纹端分子热运动 宏观缺陷：结石、气泡、条纹等缺陷 使玻璃表面形成压应力，克服表面微 微相间相互结合的力比较弱 加荷速度越大，时间越长，其破坏强 活性介质 增强，导致键的断裂，因此强度随温 与主体玻璃成分不一致，造成内应力 渗入裂纹产生劈楔作用，使裂纹扩展 裂纹的作用（物理、化学钢化） 由于成分不同，微相间产生应力 温度 度越小 度升高而降低 分布不均的残余应力使玻璃强度大大 且宏观缺陷为微观缺陷（点缺陷、晶 与玻璃发生化学作用破坏结构 玻璃中的应力 由于加荷作用下微裂纹的加深所致 200 降低 ℃以上，由于裂口钝化，从而缓 界、局部析晶）提供了界面，使其常 玻璃的疲劳现象 解了应力集中，因此强度随温度升高 常在此处集中，从而导致裂纹产生 钢化形成均匀的表面压应力则能提高 而增加 机械强度5～10倍
C 玻璃的硬度主要取决于化学组成和结构，还与温度和 D 热处理历史有关。对玻璃冷加工影响非常大。 S
抗冲击强度
抗压强度
测量方法：落球法，压痕破坏法
5.1.4
玻璃的密度
密度主要取决于构成玻璃原子的质量， 也与原子的堆积紧密程度及配位数有关。
网络形成体 网络外体
体积： [BO4]<[SiO4]<[AlO4]<[BO3]
双丝法
用待测玻璃和已知膨胀系数的标准玻璃棒或小块玻璃熔合在一起，拉成 一定长度和均匀厚度的丝，形成一个类似双金属的系统。若两种玻璃的热膨 胀系数有差别时，双玻璃丝冷却后就会弯曲。通过测定玻璃丝弯曲的弦长和 弦高，可计算出已知膨胀系数的标准玻璃和待测玻璃的膨胀系数之差，从而 得到待测玻璃的膨胀系数。