1、玻璃的熱膨脹系數(shù)
玻璃受熱后要膨脹。膨脹多少是用它的線脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)來(lái)表示的。
當(dāng)玻璃被加熱時(shí),溫度從t1升到t2,玻璃試樣的長(zhǎng)度從l1變?yōu)閘2,則玻璃的線脹系數(shù)α可用下式表示:
上式所得的α值是t1~t2溫度范圍內(nèi)平均線脹系數(shù)。如果把l對(duì)t作圖,并在所得l-t曲線上任取一點(diǎn)tα,則在這一點(diǎn)上曲線的斜率dl/dt,表示溫度為tα時(shí)玻璃的真是線脹系數(shù)。
設(shè)玻璃試樣是一個(gè)立方體,受熱溫度從從t1升到t2,玻璃試樣的體積從V1變?yōu)閂2,則玻璃的體膨脹系數(shù)可用下式表示:
根據(jù)上式,知道線脹系數(shù)α,就可以粗略計(jì)算出體膨脹系數(shù)β。測(cè)定α要比測(cè)定β既簡(jiǎn)便又精確,因此在研究玻璃的熱膨脹性質(zhì)時(shí),通常都是采取線脹系數(shù)。
玻璃的熱膨脹系數(shù)在低溫及高溫時(shí)相差較大,對(duì)玻璃制品中應(yīng)力的產(chǎn)生及制品尺寸控制影響較大,可流動(dòng)狀態(tài)的玻璃膨脹系數(shù)要比在固體彈性體時(shí)大3~5倍。在玻璃尚處于流動(dòng)態(tài)時(shí)這種應(yīng)力瞬間消除,而在冷卻固化過(guò)程中,玻璃呈現(xiàn)黏彈性時(shí),玻璃的收縮及磨具的膨脹使二者之間產(chǎn)生1%~2%的膨脹差,這很容易在制品上產(chǎn)生殘余應(yīng)力,使制品產(chǎn)生表面裂紋,這就是在成形操作中應(yīng)盡可能避免冷熱沖擊及機(jī)械沖擊的原因,成形中控制磨具的溫度在一個(gè)適宜的均衡溫度下工作時(shí)非常重要的。
熱膨脹系數(shù)不但與化學(xué)組成、溫度等因素有關(guān),玻璃的熱歷史對(duì)熱膨脹系數(shù)也有較大影響,如圖所示玻璃1是經(jīng)過(guò)充分退火的,而玻璃2是未經(jīng)退火的。
比較曲線1和曲線2可以看出:
(1) 在約330℃以下,曲線2在曲線1之上;
(2) 在330℃~500℃之間,曲線2在曲線1之下;
(3) 在500℃~570℃之間,曲線2折轉(zhuǎn)向下,這是玻璃試樣2不是膨脹而是收縮;
(4) 在570℃處,兩條曲線都急轉(zhuǎn)向上,這個(gè)溫度就是轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg。
(1)~(4)現(xiàn)象的存在是由于玻璃試樣2中有較大應(yīng)變而引起的。由于應(yīng)變的存在和在Tg點(diǎn)以下,玻璃內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)不能發(fā)生流動(dòng)。在330℃以下,由于玻璃質(zhì)點(diǎn)間距較大,相互間的吸引力較小。因此,在升溫過(guò)程中表現(xiàn)出熱膨脹較高。在330℃~570℃之間,兩種作用同時(shí)存在,即由于溫度而膨脹和由于應(yīng)變的存在而收縮,在330℃~500℃之間,膨脹大于收縮,而在500℃~570℃之間則收縮大于膨脹。
除此之外,玻璃晶化前后對(duì)熱膨脹系數(shù)也有一定影響,但尚沒(méi)有一個(gè)明確的規(guī)律。一般將它與玻璃微觀結(jié)構(gòu)的致密性,析晶相的種類(lèi)、晶粒的大小和多少,以及晶體的結(jié)晶學(xué)特征,如質(zhì)點(diǎn)的排列等因素有關(guān),但有大多數(shù)規(guī)律是趨向降低熱膨脹系數(shù)。
2、玻璃的導(dǎo)熱性
玻璃的導(dǎo)熱性一般用熱導(dǎo)率λ來(lái)表示。其單位為W/(m·K)。熱導(dǎo)率λ表示物質(zhì)傳到熱量的難易,它的倒數(shù)值成為熱阻。玻璃的熱導(dǎo)率、表面輻射強(qiáng)度及透熱性成形中玻璃的冷卻速度有較大影響,這些熱性質(zhì)系數(shù)值較大,成形中玻璃冷卻速度越快,成形的速度也應(yīng)當(dāng)快。一般石英玻璃熱導(dǎo)率最大,而含大量PbO及BaO的玻璃熱導(dǎo)率低。
玻璃是熱的不良導(dǎo)體,其熱導(dǎo)率λ較低,但玻璃的熱導(dǎo)率隨溫度升高而增大。約在700℃以上,由于熱輻射強(qiáng)度的增加而使熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而迅速增大,比低溫下大約增加一倍。此外,玻璃的熱導(dǎo)率還與玻璃顏色有密切關(guān)系,一般來(lái)說(shuō),玻璃顏色愈深,熱導(dǎo)率愈小。
3、玻璃的熱穩(wěn)定性
玻璃的熱穩(wěn)定性概念
玻璃承受劇烈溫度變化而不被破壞的性能稱(chēng)為玻璃的熱穩(wěn)定性。一般用熱穩(wěn)定性系數(shù)K來(lái)表示。其單位是℃/cm/s1/2。玻璃的熱穩(wěn)定系數(shù)可用下列公式計(jì)算:
上式中,P和E通常以同樣倍數(shù)改變,所以P/E值改變較小,趨于常數(shù)。其他各項(xiàng)除α外改變也不大,也近似于常數(shù)。只有α值隨組成的改變有很大的變化,有時(shí)甚至可達(dá)20倍以上。
玻璃的熱穩(wěn)定性還可以用試樣不被破壞時(shí)所能承受的最大溫度來(lái)表示??捎孟率竭M(jìn)行近似計(jì)算:
影響玻璃熱穩(wěn)定性的主要因素
線脹系數(shù) 玻璃的熱膨脹系數(shù)越小,其熱穩(wěn)定性越好,試樣能承受的溫差也越大。因此,玻璃的線脹系數(shù)α對(duì)玻璃的熱穩(wěn)定性有著決定性的意義。
玻璃厚度 因?yàn)椴AУ膶?dǎo)熱性差,所以玻璃的厚度愈厚,受溫度急變使內(nèi)外層的溫差就愈大,應(yīng)變也就愈大,熱穩(wěn)定性就愈差。
下式表示玻璃制品的壁厚2b和導(dǎo)致玻璃破裂的急變溫差△T的關(guān)系:
式中B’為常數(shù)??梢?jiàn),制品的厚度越大,所能承受的急變溫度差越小。玻璃受熱時(shí),其表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,而在受冷時(shí)則表面產(chǎn)生張應(yīng)力,玻璃的抗壓強(qiáng)度比抗張強(qiáng)度大十多倍。因此,在測(cè)定玻璃的熱穩(wěn)定性的時(shí)候,應(yīng)使試樣受急冷。
提高玻璃熱穩(wěn)定性的途徑主要是降低玻璃的熱膨脹系數(shù)、減小玻璃制品的厚度,此外還可以通過(guò)特殊方法使玻璃的彈性模量(E值)變化很小而大大提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度(P值)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
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