1、第五章玻璃力學性能及熱學性能玻璃的力學性能及熱學性能第1頁主要內容5.1 玻璃力學性能5.1.1玻璃機械強度5.1.2 玻璃彈性5.1.3 玻璃硬度和脆性5.1.4 玻璃密度玻璃的力學性能及熱學性能第2頁5.2玻璃熱學性能5.2.1 玻璃熱膨脹系數5.2.2 玻璃比熱5.2.3 玻璃導熱性5.2.4 玻璃熱穩定性玻璃的力學性能及熱學性能第3頁5.1.1.1理論強度與實際強度所謂材料理論強度，就是從不一樣理論角度來分析材料所能承受最大應力或分離原子（離子或分子等）所需最小應力。取決于原子間相互作用及熱運動。5.1.1 玻璃機械強度玻璃的力學性能及熱學性能第4頁th=xE E：彈性模量 X：為與物

2、質結構和鍵型相關常數，普通為0.10.2E：彈性模量：形成單位新表面所做功a：每一緊鄰原子正確間距玻璃的力學性能及熱學性能第5頁材料名稱鍵型彈性模量E/Pa系數x理論強度/Pa實際強度/Pa石英玻璃纖維離子-共價鍵12.410100.11.2410101.051010玻璃纖維離子-共價鍵7.210100.10.7210100.20.31010塊狀玻璃離子-共價鍵7.210100.10.721010815107氯化鈉離子鍵4.010100.060.2410100.44107有機玻璃共價鍵0.40.610100.10.040.0610101015107鋼金屬鍵2010100.153.010100.

3、10.21010不一樣材料彈性模量、理論強度與實際強度玻璃的力學性能及熱學性能第6頁 塊狀玻璃實際強度與理論強度相差23個數量級。原因：玻璃脆性、玻璃中存在微裂紋（尤其是表面微裂紋）和內部不均勻區及缺點存在造成應力集中。玻璃的力學性能及熱學性能第7頁5.1.1.2玻璃斷裂力學斷裂力學基本概念脆性斷裂理論 假定在一個無限大平板內有一橢圓形裂紋，它與外力垂直分布，長度為2c，在一定應力作用下，此裂紋處彈性應變能為：而同時產生兩個新裂口表面，對應表面斷裂能為：玻璃的力學性能及熱學性能第8頁因而在外力作用下，裂紋得以擴展條件為：得到：這時相當于斷裂應力f，則：玻璃的力學性能及熱學性能第9頁玻璃材料缺點

4、及裂紋擴展玻璃材料因為在其表面和內部存在著不一樣雜質、缺點或微不均勻區，在這些區域引發應力集中造成微裂紋產生。裂紋尖端處應力超出臨界應力時，裂紋就快速分裂，使玻璃斷裂。玻璃的力學性能及熱學性能第10頁玻璃斷裂過程分為兩個階段：第一階段主要是初生裂紋遲緩增加，形成斷裂表面鏡面部分；第二階段，伴隨初生裂紋增加，次生裂紋同時產生和增加，在其相相互遇時形成以鏡面為中心輻射狀碎裂條紋。玻璃的力學性能及熱學性能第11頁玻璃的力學性能及熱學性能第12頁從裂紋擴展過程中能量平衡，推導出臨界裂紋應力c普通式：近似為：玻璃的力學性能及熱學性能第13頁5.1.1.3 影響玻璃強度原因化學鍵、化學組成鍵強：橋氧，非橋

5、氧鍵強不一樣；堿金屬、堿土金屬鍵強也不一樣。鍵數：網絡疏密程度。化學組成：不一樣組成玻璃結構骨架不一樣。玻璃的力學性能及熱學性能第14頁玻璃的力學性能及熱學性能第15頁表面微裂紋格里菲斯認為玻璃破壞時是從表面微裂紋開始；據測定，1mm2玻璃表面上含有300個左右微裂紋；微裂紋存在使玻璃抗張、抗折強度僅為抗壓強度1/101/15；提升玻璃強度兩個路徑：降低和消除玻璃表面缺點；使玻璃表面形成壓應力，以克服表面微裂紋作用。玻璃的力學性能及熱學性能第16頁微不均勻性電鏡觀察玻璃中存在微相和微不均勻結構；結構中微不均勻性降低了玻璃強度；原因：微相之間易生成裂紋，兩相交界面間結協力較弱，兩相成份不一樣，熱

6、膨脹系數不一樣，產生應力。玻璃的力學性能及熱學性能第17頁玻璃中宏觀、微觀缺點宏觀缺點：氣泡、條紋、結石。因成份與主體玻璃不一致，熱膨脹系數不一樣而造成內應力；微觀缺點：點缺點、局部析晶、晶界。常在宏觀缺點地方集中造成裂紋產生。玻璃的力學性能及熱學性能第18頁活性介質活性介質指水、酸、堿、一些鹽類等?；钚越橘|對玻璃表面兩種作用一是滲透裂紋像楔子一樣使裂紋擴展；二是與玻璃起化學作用破壞結構。活性介質中玻璃強度降低。玻璃強度測定最好在真空或液氮中進行，以免受活性介質影響。玻璃的力學性能及熱學性能第19頁溫度低溫和高溫對玻璃強度影響是不一樣；靠近絕對零度至200，強度隨溫度升高而降低；200為強度最

7、低點；高于200，強度逐步增大。玻璃的力學性能及熱學性能第20頁玻璃的力學性能及熱學性能第21頁 玻璃中應力玻璃中殘余應力，尤其是分布不均勻殘余應力，使強度大為降低。玻璃鋼化后，表面產生均勻壓應力，內部形成均勻張應力，機械強度大大提升。玻璃的力學性能及熱學性能第22頁玻璃疲勞現象定義：常溫下，玻璃破壞強度隨加荷速度或加荷時間而改變。加荷速度越大或加荷時間越長，破壞強度越小，短時間不會破壞負荷，時間久了就可能破壞，這種現象稱為玻璃疲勞現象。玻璃的力學性能及熱學性能第23頁定義：材料在外力作用下發生變形，外力去掉后能恢復原來形狀性質。表征彈性參數彈性模量 E剪切模量 G泊松比 體積壓縮模量 K5.

8、1.2 玻璃彈性玻璃的力學性能及熱學性能第24頁玻璃的力學性能及熱學性能第25頁5.1.2.1彈性模量與成份關系E主要取決于內部質點間化學鍵強度，同時也與結構相關。質點間化學鍵強度越大，變形越小，E就越大；玻璃結構越堅實，E也越大。玻璃的力學性能及熱學性能第26頁鍵強：與原子半徑和價電子數相關。E是原子序數周期函數。同一族元素，隨原子序數遞增和原子半徑增大， E降低。 與離子間吸引力 呈直線關系。同一氧化物處于高配位時E比處于低配位時高。 結論：離子半徑較大、電荷較低離子不利于提升E，相反有利于提升E。玻璃的力學性能及熱學性能第27頁結構：石英玻璃含有三維空間架狀結構， E較高，705.610

9、8Pa；純B2O3玻璃含有層狀結構， E很低，僅175108Pa。 硼反常 硼鋁反常 結論： E增減實質上反應了玻璃內部結構改變。玻璃的力學性能及熱學性能第28頁5.1.2.2 彈性模量與溫度關系大多數硅酸鹽玻璃E隨溫度升高而降低。對于石英玻璃、高硅氧玻璃、派來克斯玻璃， E與溫度關系出現反常，隨溫度升高而增加。玻璃的力學性能及熱學性能第29頁5.1.2.3 彈性模量與熱處理關系淬火玻璃比退火玻璃低，普通低27%。玻璃纖維（774.2108Pa）比塊狀玻璃（803.6108Pa）低。微晶化后E增高，增高幅度主要取決于析出主晶相種類和性質。玻璃的力學性能及熱學性能第30頁5.1.3 玻璃硬度和脆

10、性5.1.3.1 玻璃硬度硬度：固體材料抵抗另一固體深入其內部而不產生殘余形變能力。表示方法：莫氏硬度（劃痕法）顯微硬度（壓痕法）研磨硬度（磨損法）刻化硬度（刻痕法）玻璃的力學性能及熱學性能第31頁普通玻璃用顯微硬度表示。方法：利用金剛石正方錐體以一定負荷在玻璃表面打入壓痕，測量壓痕對角線長度。玻璃的力學性能及熱學性能第32頁玻璃硬度主要取決于化學成份和結構。普通來說：網絡生成離子使玻璃硬度增加，網絡外體離子使玻璃硬度降低。硼反常、硼鋁反常、壓制效應在硬度-組成關系中一樣存在。硬度隨陽離子配位數增加而增大。玻璃硬度還與溫度、熱歷史相關。玻璃的力學性能及熱學性能第33頁5.1.3.2 玻璃脆性定

11、義：當負荷超出玻璃極限強度時，不產生顯著塑性變形而馬上破裂性質。表示方法：破壞時受到沖擊強度脆弱度玻璃抗壓強度與抗沖擊強度之比脆裂負荷測定顯微硬度時壓痕發生破裂時負荷值玻璃的力學性能及熱學性能第34頁5.1.4 玻璃密度玻璃密度主要取決于組成玻璃原子質量、原子堆積緊密程度以及配位數相關，是表征玻璃結構一個標志。實際生產中，經過測定玻璃密度來控制工藝過程，借以控制玻璃成份。玻璃的力學性能及熱學性能第35頁5.1.4.1 玻璃密度與成份關系不一樣組成玻璃密度差異很大。普通單組分玻璃密度最小，添加網絡外體密度增大。玻璃中引入R2O和RO氧化物，隨離子半徑增大，玻璃密度增加。同一氧化物配位狀態改變，對

12、密度也產生影響。B2O3從BO3到BO4密度增加；中間體從網絡內四面體RO4轉變為網絡外八面體RO6密度增加；硼反常、鋁反常、硼鋁反常玻璃的力學性能及熱學性能第36頁5.1.4.2 玻璃密度與溫度及熱處理關系隨溫度升高，玻璃密度下降。普通工業玻璃，溫度從室溫升至1300，密度下降約為612%。玻璃的力學性能及熱學性能第37頁玻璃從高溫狀態冷卻下來，同成份淬火玻璃比退火玻璃含有較低密度。在一定退火溫度下保持一定時間后，淬火玻璃和退火玻璃密度趨向該溫度平衡密度。冷卻速度越快，偏離平衡密度溫度愈高，其Tg溫度也愈高。玻璃的力學性能及熱學性能第38頁玻璃的力學性能及熱學性能第39頁熱處理情況d/(g/

13、cm3) d成形后未退火2.50000退火較差2.50500.005退火良好2.50700.007不一樣熱處理情況下玻璃瓶密度改變玻璃的力學性能及熱學性能第40頁5.1.4.3 玻璃密度與壓力關系一定溫度下，隨壓力增加玻璃密度隨之增大。密度改變幅度與加壓方法、玻璃組成、壓力大小、加壓時間相關。玻璃的力學性能及熱學性能第41頁玻璃的力學性能及熱學性能第42頁玻璃的力學性能及熱學性能第43頁5.2.1 玻璃熱膨脹系數5.2.1.1玻璃熱膨脹線膨脹系數和體膨脹系數 玻璃的力學性能及熱學性能第44頁和 之間存在近似關系：=3測定比簡便而準確，通常采取討論玻璃熱膨脹性質。不一樣組成玻璃熱膨脹系數在5.8

14、15010-7/范圍內改變，非氧化物玻璃甚至超出20010-7 /，微晶玻璃則可取得零膨脹或負膨脹。硬質玻璃和軟質玻璃玻璃的力學性能及熱學性能第45頁5.2.1.2 玻璃熱膨脹系數與成份關系根本上取決于質點間作用力，即各種陽離子與O2-之間鍵力f。從玻璃整體結構看，網絡骨架對起著主要作用。玻璃的力學性能及熱學性能第46頁組分氧化物對影響歸納以下：在比較各組成氧化物對作用時，首先區分氧化物種類，即網絡生成體、中間體和網絡外體。能增強網絡組分使降低，能斷裂網絡組分使上升。R2O和RO斷網作用是主要，積聚作用是次要，使上升；而對于高鍵強、高配位離子積聚作用是主要，使下降。網絡生成體使下降，中間體有足

15、夠“游離氧”也使下降。玻璃的力學性能及熱學性能第47頁5.2.1.3 熱膨脹系數和溫度關系熱膨脹系數隨溫度升高而增大。在Tg溫度以上，隨溫度升高顯著增大，直到軟化。玻璃的力學性能及熱學性能第48頁5.2.1.4 熱處理對熱膨脹系數影響熱處理對有顯著影響，組成相同淬火玻璃較退火玻璃大百分之幾。退火玻璃和淬火玻璃熱膨脹曲線。在約330 以下，曲線2在曲線1之上；330500 之間，曲線2在曲線1之下；500570 之間，曲線2折向下行，玻璃不是膨脹而是收縮；在570 處，兩條曲線都急轉向上，此溫度為Tg。玻璃的力學性能及熱學性能第49頁在某一溫度下單位質量物質升高1所需熱量。實際計算中多采取t1t

16、2溫度范圍內平均比熱cm5.2.2 玻璃比熱玻璃的力學性能及熱學性能第50頁比熱與溫度關系 同其它物質一樣，在絕對零度時為零。隨溫度升高比熱逐步增大，在轉變溫度區域內增加較快。熔融狀態下，比熱隨溫度升高逐步增大。玻璃的力學性能及熱學性能第51頁比熱與組成關系SiO2、Al2O3 、B2O3 、MgO、Na2O尤其是Li2O 能提升玻璃比熱，含有大量PbO或BaO 玻璃比熱較低，其余氧化物影響不大。玻璃的力學性能及熱學性能第52頁導熱性：物質依靠質點振動將熱能傳遞至較低溫度物質能力。物質導熱性以熱導率來表示。熱導率：溫度梯度等于1時，單位時間內經過試樣單位橫截面積上熱量。單位W/(mK)熱導率表

17、征物質傳遞熱量難易，玻璃是一個熱不良導體，其熱導率較低，介于0.7121.340W/(mK)之間。5.2.3 玻璃導熱性玻璃的力學性能及熱學性能第53頁熱導率與溫度關系熱導率隨溫度升高而增加。玻璃的力學性能及熱學性能第54頁熱導率與組成關系石英玻璃熱導率最大，1.340W/(mK)；硼硅酸鹽玻璃熱導率也很大， 1.256W/(mK)；普通鈉鈣硅玻璃為0.963W/(mK)；含有PbO和BaO 玻璃熱導率較低， 0.796W/(mK)。玻璃中添加SiO2、Al2O3 、B2O3 、CaO、MgO能提升玻璃導熱性。熱導率與其顏色關系玻璃顏色越深，其導熱能力越小。玻璃的力學性能及熱學性能第55頁熱穩定性：玻璃經受猛烈溫度改變而不破壞性能。對玻璃熱穩定性含有決定性意義。普通用試樣在保持不破壞條件下所能承受最大溫差t來表示。5.2.4 玻璃熱穩定性玻璃的力學性能及熱學性能第56頁玻璃的力學性能及熱學性能第57頁凡能降低成份都能提升熱穩定性，如SiO2、Al2O3 、B2O3 、ZrO2、ZnO、MgO等。玻璃本身機械強度對熱穩定性影響亦很顯著。玻璃受急熱