无机非金属材料工学玻璃.pptx
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1、会计学1无机非金属材料工学玻璃无机非金属材料工学玻璃一、定义一、定义 n n广义:凡是具有非晶钛结构的固体材料统称为玻璃。n n狭义:从熔体中冷却,在室温下还保持熔体结构的固体材料。即无机玻璃。第1页/共168页二、分类二、分类 n n按成分:单质玻璃、有机玻璃、无机玻璃。n n 按用途:平板玻璃(建筑、日用玻璃)、光学玻璃、器皿玻璃、工艺玻璃(医用、仪器、激光玻璃)。n n 平板玻璃按生产工艺又分为:浮法玻璃、垂直引上玻璃(提拉玻璃)、压延玻璃等。第2页/共168页三、玻璃工业发展史三、玻璃工业发展史n n15万年前人类首先就利用天然黑曜岩薄片做窗户玻璃,7000B.C.海盗船无意中发现了人
2、造玻璃的配方。35001500年前开始制造玻璃纤维。直到200A.D.才开始“平板”玻璃。1957年,英国首先首先发明浮法玻璃专利,1963年美国购买了该专利。1975年,美国发明新浮法专利。我国1971年在洛阳首先引进浮法生产线,现有30多条生产线。目前我国浮法玻璃供不应求,各地正在加紧上线。第3页/共168页第二章第二章 玻璃的通性玻璃的通性第4页/共168页包括:包括:n n一、各向同性 n n二、介稳性(亚稳性)n n三、无固定熔点 n n四、性质变化的连续性和可逆性第5页/共168页一、各向同性一、各向同性 n n在同一块玻璃中所有的物理化学性能在各个方向均相同。第6页/共168页二
3、、介稳性(亚稳性)二、介稳性(亚稳性)n n由于玻璃熔体在冷却过程中粘度迅速重大,来不及结晶就成为固体。所以保留了熔体的结构,造成体系内能不是最小,即亚稳态。图21。第7页/共168页图图图图2 21 1 玻璃体系内能随温度变化图玻璃体系内能随温度变化图玻璃体系内能随温度变化图玻璃体系内能随温度变化图 第8页/共168页三、无固定熔点三、无固定熔点n n由于玻璃形成过程中由熔体向固体转变是在一定的温度范围内进行的,所以其熔化过程也是在一定的温度范围内而不是某一温度点。第9页/共168页四、性质变化的连续性和可逆性四、性质变化的连续性和可逆性n n决定于其形成过程。第10页/共168页第二节第二
4、节 玻璃结构的假玻璃结构的假说说第11页/共168页包括:包括:n n一、晶子说 n n二、无规则网络学说第12页/共168页一、晶子说一、晶子说 n n由兰德尔(Randell)1930年提出,认为玻璃是由80%的直径等于1.01.5nm左右的微晶组成,晶体取向无序。第13页/共168页二、无规则网络学说二、无规则网络学说n n由查哈里阿森(Zachariasen)1932年提出,认为玻璃中硅氧以共价键结合在三维空间内形成连续的网络。强调了结构玻璃的连续性、统计均匀性、无序性。第14页/共168页n n两两种种观观点点的的相相同同之之处处是是都都认认为为是是近近程程有有序序而而远远程程无无序
5、序,不不同同之之处处是是近近程程度不同。程程度不同。第15页/共168页第三节第三节 粘粘度度第16页/共168页一、玻璃的定义一、玻璃的定义n n指面积为S的二平行液层,以一定速度梯度dv/dx移动时需要克服的内摩擦力。n n =sdvdx 粘度系数(PaS)第17页/共168页二、玻璃粘度参考点二、玻璃粘度参考点n n1 1应应变变点点:(101013.613.6PaPa S S)应应力力在在几几小小时时内内消消除的温度点;除的温度点;n n2 2转变点(转变点(TgTg):):(10(1012.412.4 Pa Pa S)S)的温度;的温度;n n3 3退退火火点点:(10101212P
6、aPa S S)应应力力在在几几分分钟钟内内消消除除的温度点;的温度点;n n4 4变形点:变形点:1010101010101111PaPa S S的温度;的温度;n n5 5软化温度(软化温度(TfTf)(3(35)105)106 6PaPa S S的温度;的温度;n n6 6操操作作范范围围:(10103 310106.66.6PaPa S S)成成型型时时玻玻璃璃表面的温度;表面的温度;n n7 7熔化温度:(熔化温度:(1010 PaPa S S)的温度;的温度;n n8 8自自动动供供料料机机供供料料粘粘度度:(10102 210103 3PaPa S S)的的温度。温度。第18页/
7、共168页三、玻璃粘度与成分的关系三、玻璃粘度与成分的关系n n1 1SiOSiO2 2、AlAl2 2OO3 3、ZrOZrO2 2含量升高,粘度增大;含量升高,粘度增大;n n2 2碱金属氧化物碱金属氧化物R R2 2OO含量升高,粘度降低;含量升高,粘度降低;n n3 3碱土金属氧化物碱土金属氧化物MOMO含量升高,粘度增大;含量升高,粘度增大;n n4 4PbOPbO、CdOCdO、BiBi2 2OO3 3、SnOSnO含含量量升升高高,粘粘度度增大;增大;n n 5 5LiLi2 2OO、ZnOZnO、B B2 2OO3 3含量升高,增加低温粘含量升高,增加低温粘度,而降低高温粘度。
8、度,而降低高温粘度。第19页/共168页四、玻璃粘度与温度的关系四、玻璃粘度与温度的关系n n总体上玻璃粘度与温度成反比。图22。满足:n nLog=a+b/T (a、b为常数)第20页/共168页图图图图2 22 2 硅酸盐玻璃弹性、粘度与温度关系图硅酸盐玻璃弹性、粘度与温度关系图硅酸盐玻璃弹性、粘度与温度关系图硅酸盐玻璃弹性、粘度与温度关系图 第21页/共168页五、玻璃粘度的近似计五、玻璃粘度的近似计算算 n n1 1奥奥霍霍琴琴法法:适适用用于于含含MgOMgO、AlAl2 2OO3 3的的Na-Ca-Na-Ca-Si Si系系玻玻璃璃。且且各各主主要要氧氧化化物物含含量量范范围围为为
9、 NaNa2 2O O 12%12%16%16%,CaO+MgO CaO+MgO 5%5%12%12%,AlAl2 2OO3 3 B2O3BaOAl2O3PbOK2ONa2O(MgO、FeO)n n提高抗压强度 Al2O3 MgO B2O3Fe2O3PbO第38页/共168页n n2缺陷:(微观、宏观)n n 3温度:图24。n n4内应力(残余应力)第39页/共168页图图图图2 24 4 玻璃强度与温度的关系玻璃强度与温度的关系玻璃强度与温度的关系玻璃强度与温度的关系 第40页/共168页三、硬度和脆性三、硬度和脆性 n n1硬度:抗其它物体的侵入能力。加入不同的氧化物可提高玻璃的硬度,其
10、顺序为 SiO2 B2O3 MgO(ZnO、Ba0)Al2O3第41页/共168页n n2脆性:当负荷超过玻璃极限强度时立即破裂的特性,用冲击强度表示。淬火玻璃的冲击强度比退火玻璃的冲击强度大57倍。引入半径较小的阳离子(Li2O、BeO、MgO、B2O3)可降低玻璃的脆性。而引入大半径的阳离子(Ru2O、CaO)可提高玻璃的脆性。第42页/共168页第七节第七节 玻璃的热学性玻璃的热学性质质 第43页/共168页一、热膨胀性一、热膨胀性n n 热膨胀对玻璃的成型、退火、钢化、封接及热稳定性都有影响。n n 玻璃的热膨胀变化范围很大,从负膨胀(微晶玻璃)直到20010-7/(非氧化物玻璃)。n
11、 n 热膨胀系数分为线膨胀系数和体积膨胀系数。第44页/共168页二、影响因素二、影响因素 n n 1 1温度:成正比;温度:成正比;n n 2 2热热历历史史:与与玻玻璃璃退退火火、淬淬火火、析析晶晶(种种类、大小)都有关系。类、大小)都有关系。n n 3 3化学组成:取决于阴阳离子间的吸引力。化学组成:取决于阴阳离子间的吸引力。n n f=2Z/af=2Z/a2 2n n f-f-阴阴阳阳离离子子间间的的吸吸引引力力;Z Z电电价价;a a间距间距n n f f越大,热振动越小,膨胀就越小。越大,热振动越小,膨胀就越小。n n 第45页/共168页第八节第八节 玻璃的化学稳玻璃的化学稳定性
12、定性 第46页/共168页一、侵蚀机理一、侵蚀机理 n n1水对玻璃的侵蚀:水中的H+与玻璃中的Na+发生交换反应,而后进行水化、中和反应;n nSi-Na+H+-OH=Si-OH+NaOHn nSi-OH+H+-OH=Si-(OH)4n nSi-(OH)4+NaOH=Si(OH)30-Na+(硅酸钠)+H2O 第47页/共168页n n2酸对玻璃的侵蚀:高碱玻璃的耐酸性小于耐水性,而高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。因酸不与硅质玻璃发生反应,只是酸中的水与玻璃起作用。同时,玻璃侵蚀产生的碱可被中和,阻止侵蚀反应进一步进行。第48页/共168页n n3 碱 对 玻 璃 的 侵 蚀:Si-(OH)4+
13、NaOH=Si(OH)30-Na+(硅酸钠)+H2O 可破坏玻璃中的Si-O键,从而腐蚀严重。第49页/共168页n n4大气对玻璃的侵蚀:薄膜。是H2O、CO2、SO2的综合侵蚀,可形成Si-OH薄膜。第50页/共168页二、影响因素二、影响因素n n1化学组成:R2O越高,抗腐越差;n n2热处理:在酸气炉中退火可提高玻璃的抗腐性;钢化(淬火)可提高玻璃的化学稳定性;n n3温度:温度越高侵蚀越强;n n 4、压力:压力越大侵蚀加剧。第51页/共168页第九节第九节 玻璃的光学性玻璃的光学性质质第52页/共168页一、折射率一、折射率n n影影 响响 因因 素素:1.1.化化 学学 组组
14、成成:n=nn=n1 1P P1 1+n+n2 2P P2 2+n+nn nP Pn nn nP P1 1P Pn-n-玻璃中各氧化物的质量白分含量;玻璃中各氧化物的质量白分含量;n nn n1 1n nn-n-玻玻璃璃中中各各氧氧化化物物的的折折射射率率计计算算系系数数(P127P127表表);n n 2.2.温度:折射率随温度的升高而增大;温度:折射率随温度的升高而增大;n n 3.3.热历史:退火可消除光学不均匀性。热历史:退火可消除光学不均匀性。第53页/共168页二、光学常数二、光学常数 n n折射率,色散等。第54页/共168页三、玻璃的着色三、玻璃的着色n n1离子致色:过度族金
15、属离子的电子跃迁,可引起选择吸收而致色。不同离子致不同颜色。如:Ti4+(黄棕色)、Ti4+Cu+(绿色)、V(杂色)等。n n2硫、硒化合物着色:单质硫、硒(淡紫色);硫、碳(琥珀);硫(硒)化镉(黄、红)。n n3、金属胶体着色:胶体颗粒对光线的散射而引起的选择吸收从而致色。第55页/共168页第三章第三章 玻璃的生产工玻璃的生产工艺艺第56页/共168页第一节第一节 概述概述 第57页/共168页n n玻璃的生产工艺过程:n n 成分设计原料加工配合料制备(池窑、坩埚窑熔化)成型退火缺陷检验一次制品或深加工检验二次制品。第58页/共168页第二节第二节 原料与配合料原料与配合料的制备的制
16、备 第59页/共168页n nn n 玻璃的主要原料或主料是SiO2,辅料有Al2O3、Na2O、CaO、MgO、澄清剂、着色剂、脱色剂、氧化还原剂、乳浊剂及其它。第60页/共168页一、原料及选择原则一、原料及选择原则 n n1杂质少;n n2易调整;n n3易熔化、无毒气;n n4对耐火材料侵蚀小;n n5成本低、易加工。第61页/共168页二、引入二、引入SiO2的原料的原料n n1.硅砂,即石英砂;n n2.砂岩n n要求:可含有少量无害矿物(长石、高岭石、白云石、方解石等),有害矿物(赤铁矿、磁铁矿、钛铁矿等)含量尽量少。第62页/共168页三、引入三、引入Al2O3的原料的原料 n
17、 n1长石;n n2.高岭石。第63页/共168页四、引入四、引入Na2O的原料的原料n n1纯碱(Na2CO3);n n2芒硝(Na2SO4);n n3钠硝石(NaNO3)第64页/共168页五、引入五、引入CaO的原料的原料n n1石灰石;n n2方解石。第65页/共168页六、引入六、引入MgO的原料的原料 n n白云石 第66页/共168页七、引入澄清剂的原料七、引入澄清剂的原料n n1As2O3、Sb2O3与芒硝共用;n n2芒硝;n n3.萤石、氟硅酸钠(Na2SiF6)第67页/共168页八、着色剂八、着色剂 n n各种含致色离子的氧化物,具体见第九节玻璃的着色。第68页/共16
18、8页九、脱色剂九、脱色剂 n n 能使Fe2O3减少或能产生与绿色互补色的各种氧化物。n n 分 为 物 理 脱 色 剂(Se、MnO2、NiO、Cr2O3)和化学脱色剂(As2O3、Sb2O3、Na2S及硝酸盐)第69页/共168页十、氧化十、氧化-还原剂还原剂 n n1.氧化剂(硝酸盐);n n2还原剂(碳、SnO2等)第70页/共168页十一、乳浊剂十一、乳浊剂 n n 1氟化物;n n2磷酸盐第71页/共168页十二、其它十二、其它 n n1天然碱;n n2珍珠岩(含SiO2 73%);n n3铌、钽尾矿(含SiO2 70%);n n4碎玻璃。第72页/共168页第四节第四节 玻璃原料
19、加工玻璃原料加工 第73页/共168页一、工艺流程一、工艺流程一、工艺流程一、工艺流程 第74页/共168页n n即各原料分别粉碎筛分入库,后称量混合再入库,最后投料。第75页/共168页二、原料的破碎与粉碎二、原料的破碎与粉碎 n n可用n n 颚式破碎机,图31;n n 反击式破碎机,图32;n n 对辊式破碎机,图33;n n 锤式破碎机,图34。第76页/共168页图图图图3 31 1 颚式破碎机颚式破碎机颚式破碎机颚式破碎机第77页/共168页图图图图3 32 2 反击式破碎机反击式破碎机反击式破碎机反击式破碎机 第78页/共168页图图图图3 33 3 对辊机对辊机对辊机对辊机 第
20、79页/共168页图图图图3 34 4 锤式破碎机锤式破碎机锤式破碎机锤式破碎机 第80页/共168页三、筛分三、筛分 n n利用六角筛和振动筛对各种原料进行筛分,而振动筛的优点较多,图35。第81页/共168页图图图图3 35 5 振动筛振动筛振动筛振动筛第82页/共168页四、配合料制备四、配合料制备n n先称量后混合。混合机可分为转动式、盘式和桨叶式。n n影响配料混合均匀性的因素有原料物性、加料顺序、加水方式、混合时间及是否加入碎玻璃等。第83页/共168页五、配合料质量控制五、配合料质量控制n n1原料成分;n n2原料水分;n n3原料粒度;n n4称量误差;n n5均匀度控制。第
21、84页/共168页第五节第五节 玻璃的熔制玻璃的熔制第85页/共168页一、概述一、概述n n 将配料进行高温加热形成均一的、无缺陷的并符合成型要求的玻璃液的过程称为玻璃的熔制过程。n n 熔制过程对产品的产量、质量、成品率、能耗、窑炉寿命等关系密切。第86页/共168页熔制过程中发生的物理化学变化为:熔制过程中发生的物理化学变化为:熔制过程中发生的物理化学变化为:熔制过程中发生的物理化学变化为:物理过程化学过程物理化学过程配合料加热脱水熔化相变挥发固相反应盐类分解水化物分解脱水结晶硅酸盐形成与相互作用共熔体形成固态溶解、液态互溶玻璃液、炉气、气泡间的相互作用玻璃液与耐火材料作用第87页/共1
22、68页二、玻璃的熔制过程及影响因素二、玻璃的熔制过程及影响因素n n熔制过程分为五个阶段:n n硅酸盐形成 n n玻璃液的形成n n玻璃液的澄清 n n玻璃液的均化 n n玻璃液的冷却 第88页/共168页1.1.硅酸盐形成硅酸盐形成 n nT=800900,CaO+SiO2=CaSiO3(Na2Si03)n n特点:时间短,平板玻璃 34min。第89页/共168页2玻璃液的形成玻璃液的形成 n nT=12001250,硅酸盐溶解和扩散,形成透明体,但不均匀,有大量气泡,性质不均匀。特点:时间长,平板玻璃 28min。第90页/共168页3玻璃液的澄清玻璃液的澄清 n nT=14001500
23、,澄清的过程是指排除可见气泡的过程,是一个复杂的物理化学过程。玻璃液中的气泡有:CO2、O2、N2、H2O、SO2、NO2。第91页/共168页n n澄清过程:n n 气体转化与平衡 第92页/共168页n n 气体与玻璃液的相互作用n na.O2 与玻璃液的相互作用:包括物理的溶解和发生氧化还原反应形成氧化物(氧化铁、硅酸盐等)n nb.CO2与玻璃液的相互作用:CO2与硅酸盐作用形成碳酸盐和氧化硅。n nc.H2O与玻璃液的相互作用:即玻璃的水化反应。第93页/共168页n n 澄清剂及作用机理n na变价氧化物:机理是低温吸热,高温放热使气泡长大而释放。n nAs2O3+O2=As2O5
24、 (可逆反应)n nb.硫酸盐:Na2SO4=Na20+SO2(大 于1400时分解)n nc卤化物:CaF2、NaF 可使SiO2的结构网络断裂而达到澄清的目的。第94页/共168页n n 玻璃性质与澄清:澄清速度 V=2/9 gr2(d-d1)/n ng-重力加速度;r-气泡半径;d-玻璃密度;、d1-气泡中气体密度;-玻璃液的粘度。即玻璃液越粘澄清速度越小。第95页/共168页4玻璃液的均化:玻璃液的均化:n n包括化学均化和热均化。n n有三种方式:不均匀体的溶解与扩散的均化过程(成分不同造成);n n 玻璃液的对流均化过程(温度不同造成);n n 因气泡上升而引起的搅拌均化作用。n
25、n 影响因素:玻璃液的粘度和表面张力。第96页/共168页5玻璃液的冷却:玻璃液的冷却:n nT=1000n n主要注意二次气泡(再生泡)的形成,即尘泡(直径小于0.1mm)的形成。第97页/共168页三、影响玻璃熔制过程的因素三、影响玻璃熔制过程的因素n n1 1化化学学成成分分:氧氧化化硅硅和和氧氧化化铝铝越越高高越越难难熔熔,而碱含量越高越易熔;而碱含量越高越易熔;n n2 2配配料料的的状状态态:包包括括原原料料的的粒粒度度、不不同同原原料料的分层等;的分层等;n n3 3熔熔窑窑的的温温度度制制度度:提提高高熔熔窑窑温温度度有有利利于于熔熔制,但能耗大且对耐火材料侵蚀大;制,但能耗大
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- 无机 非金属材料 工学 玻璃
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