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石英玻璃/微晶玻璃的彈性介紹

作者:奧固鴻已有:N多人關(guān)注

材料在外力的作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)原來的形狀的性質(zhì)稱為彈性。在T_g溫度一下，玻璃基本上是服從虎克定律的彈性體。
玻璃的彈性主要是包括彈性模量E（即楊氏模量）、剪切模量G、泊松比u和體積壓縮模量K。它們之間有如下關(guān)系：

,E-K.=3(1−2u)
彈性模量是表征材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的物理量，是表示材料對(duì)形變的抵抗力。在T_g溫度以下，玻璃的彈性模量可用下式表示：

式中o---應(yīng)力
E---相對(duì)的縱向變形。
一般玻璃的彈性模量為（441~882）*10⁸Pa，而泊松比在0.11~0.30范圍變化。各種玻璃的彈性模量見表

玻璃類型	E/（*10⁸Pa）	泊松比u	玻璃類型	E/（*10⁸Pa）	泊松比u
鈉鈣硅玻璃	676.2	0.24	高硅氧玻璃	676.2	0.19
鈉鉛玻璃	578.2	0.22	石英玻璃	705.6	0.16
鋁硅酸鹽玻璃	842.8	0.25	微晶玻璃	1204	0.25
硼硅酸鹽玻璃	617.4	0.20

玻璃的彈性模量與成分的關(guān)系玻璃的彈性模量主要取決于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵的強(qiáng)度，同時(shí)也與結(jié)構(gòu)有關(guān)。質(zhì)點(diǎn)間化學(xué)鍵力越強(qiáng)，受力時(shí)的變形量越小，則彈性模量就越大。玻璃結(jié)構(gòu)越堅(jiān)實(shí)，彈性模量也越大。
質(zhì)點(diǎn)間的鍵力大小與原子半徑和價(jià)電子數(shù)有關(guān)，因此在常溫下彈性模量是原子序數(shù)的周期函數(shù)。在同一族中的元素例如Be、Mg、Ca、Sr、及Ba，隨原子序數(shù)的遞增和原子半徑的增大，彈性模量E則降低。E的大小幾乎和這些離子與氧離子間吸引力2Z/a²成直線關(guān)系，同一氧化物當(dāng)處于高配位時(shí)其彈性模量要比處于低配位時(shí)高。所以在玻璃中引入離子半徑較大、電荷較低的Na⁺、K⁺、Sr²⁺、Ba²+等離子是不利于提高彈性模量的。相反，引入半徑小、極化能力強(qiáng)的離子（如Li⁺、Be⁺、Mg²⁺、Al³⁺、Ti⁴⁺、Zr⁴⁺）則能提高玻璃的彈性模量。
石英玻璃中Si-O間的鍵強(qiáng)較大，為106KJ/mol，且具有三度空間的架狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有較高的彈性模量，但如上表所示，石英玻璃的彈性模量并不高，這是因?yàn)樵谑⒉ＡЫY(jié)構(gòu)中含有較多的空穴。另外，在高應(yīng)變的情況下，石英玻璃纖維和一般那該硅玻璃纖維都偏離了虎克定律，石英玻璃纖維變得更“硬”了，而后者顯得變“軟”了。這充分說明，在負(fù)荷作用下，石英玻璃纖維中硅氧基團(tuán)的空穴減少，Si-O鍵較強(qiáng)的鍵性顯示了作用，而鈉鈣硅玻璃纖維因網(wǎng)絡(luò)外離子的引入，使結(jié)構(gòu)疏松，應(yīng)變?cè)龃蟆?/span>

純B₂O₃玻璃由于層狀結(jié)構(gòu)比較疏松，因此具有很低的彈性模量，僅為175*10⁸Pa。但隨著Na₂O含量的增加，其彈性模量可增加到600*10⁸Pa。這是由于硼離子由三配位轉(zhuǎn)變?yōu)樗呐湮唬瑢訝罱Y(jié)構(gòu)向三度空間結(jié)構(gòu)變化，且Na⁺離子又填充了網(wǎng)絡(luò)空間的結(jié)果。
在鋁硼硅酸鹽玻璃中，彈性模量同樣出現(xiàn)（硼鋁反常）現(xiàn)象。當(dāng)摩爾比ψ【（Na₂O-Al₂O₃）/B₂O₃】>1時(shí)，B³⁺和Al³⁺都能成為四面體，處于結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，使結(jié)構(gòu)鏈接緊密，彈性模量E增加。當(dāng)1>ψ>0時(shí)，Al₂O₃代替SiO₂后，由于Na₂O不足，Al³⁺可以形成四面體進(jìn)入結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而B³⁺由四面體轉(zhuǎn)變?yōu)槿求w，因此彈性模量下降。當(dāng)Na₂O更少時(shí)（ψ<O）,B³⁺全部處于【BO₃】三角體的配位狀態(tài)，而Al³⁺較高的配位狀態(tài)【AlO₆】填充于網(wǎng)絡(luò)外空隙部分，使玻璃網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)實(shí)，彈性模量再度上升。所以彈性模量的增減實(shí)質(zhì)上反映了玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。
各種氧化物對(duì)玻璃彈性模量的提高作用順序是：CaO>MgO>B₂O₃>Fe₂O₃>Al₂O₃>BaO>ZnO>PbO。
彈性模量可用下式近似地計(jì)算：
E=E₁P₁+E₂P₂+…..+E_nP_n
式中E₁、E₂、….、E_n---玻璃中氧化物的彈性模量系數(shù)；
P₁、P₂、….、P_n---玻璃中氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
計(jì)算玻璃彈性模量的各種氧化物系數(shù)如表

氧化物	彈性模量系數(shù)
氧化物	硅酸鹽玻璃	無鉛硼硅酸鹽玻璃	含鉛硼硅酸鹽玻璃
Na₂O K₂O MgO CaO ZnO BaO PbO B₂O₃ Al₂O₃ SiO₂ P₂O₅ As₂O₃	61 40 - 70 52 - 46 - 180 70 - 40	100 70 40 70 100 70 - 60 150 70 - 40	70 30 30 - - 30 55 25 130 70 70 40

玻璃的彈性模量與溫度的關(guān)系大多數(shù)硅酸鹽玻璃的彈性模量隨溫度的升高而降低，這是由于離子間距離增大，相互作用力降低所致。此外，高溫時(shí)質(zhì)點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)的增加也是造成彈性模量E降低的原因之一。到變形溫度以上，玻璃逐漸失去彈性，變形隨著溫度的上升而增大，并趨于軟化。
彈性模量與溫度的關(guān)系對(duì)某些玻璃卻有正比關(guān)系，例如膨脹系數(shù)小的石英玻璃、高硅氧玻璃和派萊克斯玻璃，當(dāng)溫度升高時(shí)，其彈性模量反而增加，如圖所示。這個(gè)反?，F(xiàn)象與熱膨脹系數(shù)和玻璃的組成有很大關(guān)系，當(dāng)溫度升高時(shí)，離子間距增大而造成相互作用力減弱，導(dǎo)致彈性模量E下降的原因已不復(fù)存在。相反由于溫度升高，引起玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重組，使較弱結(jié)合的結(jié)構(gòu)基團(tuán)轉(zhuǎn)化為較強(qiáng)結(jié)合的結(jié)構(gòu)基團(tuán)這一因素其作用。對(duì)于硼硅酸鹽玻璃的彈性模量E，不論是淬火的還是退火的，都隨溫度升高而增大，只有在接近T_g溫度時(shí)。退火玻璃的彈性模量才與淬火玻璃的行徑不同。

玻璃的彈性模量與熱處理的關(guān)系由于彈性模量隨溫度的升高而降低，淬火玻璃基本保持了高溫狀態(tài)的疏松結(jié)構(gòu)，因此同組成的淬火玻璃的彈性模量較退火玻璃小，一般低2%~7%，具有降低的幅度與淬火的程度、玻璃的組成有關(guān)。同樣，玻璃纖維的彈性模量要比同組成的退火玻璃的低，這是由于玻璃纖維是在幾十分之一秒的瞬間內(nèi)凝固而成。例如塊狀玻璃的彈性模量為803.6*10⁸Pa，而同成分的玻璃纖維的彈性模量?jī)H為774.2*10⁸Pa，這可能是常溫下玻璃纖維的結(jié)構(gòu)在一定程度上保持了高溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。但玻璃纖維只要在300~350℃熱處理若干時(shí)間后，再冷卻到室溫，其彈性模量就與塊狀玻璃的相同。
玻璃在微晶化后，彈性模量是增高的，對(duì)不同組成的Li₂O-K₂O-Al₂O₃-SiO₂系統(tǒng)玻璃以Au為成核劑誘導(dǎo)析晶后，其彈性模量普遍增高。其增高值隨組成不同可達(dá)10%左右，當(dāng)Al₂O₃含量為7%時(shí)，出現(xiàn)最高值。微晶化后彈性模量的增高幅度主要取決于析出的主晶相的種類和性質(zhì)。
除此之外，玻璃的彈性模量還與其測(cè)試制度和條件有關(guān)。目前用靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法進(jìn)行測(cè)定。靜態(tài)法是直接根據(jù)試樣彎曲及扭轉(zhuǎn)力矩后的變形大小來進(jìn)行測(cè)定。動(dòng)態(tài)法是根據(jù)彈性波在玻璃介質(zhì)傳輸過程中，其振動(dòng)頻率與介質(zhì)固有頻率相同時(shí)發(fā)生共振而得到最大的振幅。

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