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    高溫玻璃的主要物化性質—熱學性質

    作者:奧固鴻已有:N多人關注
    高溫玻璃的熱學性質是高溫玻璃的主要物化性質之一,在成形過程中直接影響著玻璃自身熱量向外界的傳遞,對玻璃的冷硬過程及速度、對成形操作的工藝過程均有很大影響。這些熱性質包括比熱容、熱導率、熱膨脹及透熱性等。
    1、玻璃的熱膨脹系數
    玻璃受熱后要膨脹。膨脹多少是用它的線脹系數和體膨脹系數來表示的。
    當玻璃被加熱時,溫度從t1升到t2,玻璃試樣的長度從l1變為l2,則玻璃的線脹系數α可用下式表示:
    上式所得的α值是t1~t2溫度范圍內平均線脹系數。如果把l對t作圖,并在所得l-t曲線上任取一點tα,則在這一點上曲線的斜率dl/dt,表示溫度為tα時玻璃的真是線脹系數。
    設玻璃試樣是一個立方體,受熱溫度從從t1升到t2,玻璃試樣的體積從V1變為V2,則玻璃的體膨脹系數可用下式表示:
    根據上式,知道線脹系數α,就可以粗略計算出體膨脹系數β。測定α要比測定β既簡便又精確,因此在研究玻璃的熱膨脹性質時,通常都是采取線脹系數。
    玻璃的熱膨脹系數在低溫及高溫時相差較大,對玻璃制品中應力的產生及制品尺寸控制影響較大,可流動狀態的玻璃膨脹系數要比在固體彈性體時大3~5倍。在玻璃尚處于流動態時這種應力瞬間消除,而在冷卻固化過程中,玻璃呈現黏彈性時,玻璃的收縮及磨具的膨脹使二者之間產生1%~2%的膨脹差,這很容易在制品上產生殘余應力,使制品產生表面裂紋,這就是在成形操作中應盡可能避免冷熱沖擊及機械沖擊的原因,成形中控制磨具的溫度在一個適宜的均衡溫度下工作時非常重要的。
    熱膨脹系數不但與化學組成、溫度等因素有關,玻璃的熱歷史對熱膨脹系數也有較大影響,如圖所示玻璃1是經過充分退火的,而玻璃2是未經退火的。
    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,兩條曲線都急轉向上,這個溫度就是轉變點Tg。
    (1)~(4)現象的存在是由于玻璃試樣2中有較大應變而引起的。由于應變的存在和在Tg點以下,玻璃內部質點不能發生流動。在330℃以下,由于玻璃質點間距較大,相互間的吸引力較小。因此,在升溫過程中表現出熱膨脹較高。在330℃~570℃之間,兩種作用同時存在,即由于溫度而膨脹和由于應變的存在而收縮,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,玻璃晶化前后對熱膨脹系數也有一定影響,但尚沒有一個明確的規律。一般將它與玻璃微觀結構的致密性,析晶相的種類、晶粒的大小和多少,以及晶體的結晶學特征,如質點的排列等因素有關,但有大多數規律是趨向降低熱膨脹系數。
    2、玻璃的導熱性
    玻璃的導熱性一般用熱導率λ來表示。其單位為W/(m·K)。熱導率λ表示物質傳到熱量的難易,它的倒數值成為熱阻。玻璃的熱導率、表面輻射強度及透熱性成形中玻璃的冷卻速度有較大影響,這些熱性質系數值較大,成形中玻璃冷卻速度越快,成形的速度也應當快。一般石英玻璃熱導率最大,而含大量PbO及BaO的玻璃熱導率低。
    玻璃是熱的不良導體,其熱導率λ較低,但玻璃的熱導率隨溫度升高而增大。約在700℃以上,由于熱輻射強度的增加而使熱導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,玻璃的熱導率還與玻璃顏色有密切關系,一般來說,玻璃顏色愈深,熱導率愈小。
    3、玻璃的熱穩定性
    玻璃的熱穩定性概念
    玻璃承受劇烈溫度變化而不被破壞的性能稱為玻璃的熱穩定性。一般用熱穩定性系數K來表示。其單位是℃/cm/s1/2。玻璃的熱穩定系數可用下列公式計算:
    上式中,P和E通常以同樣倍數改變,所以P/E值改變較小,趨于常數。其他各項除α外改變也不大,也近似于常數。只有α值隨組成的改變有很大的變化,有時甚至可達20倍以上。
    玻璃的熱穩定性還可以用試樣不被破壞時所能承受的最大溫度來表示。可用下式進行近似計算:
    影響玻璃熱穩定性的主要因素
    線脹系數  玻璃的熱膨脹系數越小,其熱穩定性越好,試樣能承受的溫差也越大。因此,玻璃的線脹系數α對玻璃的熱穩定性有著決定性的意義。
    玻璃厚度 因為玻璃的導熱性差,所以玻璃的厚度愈厚,受溫度急變使內外層的溫差就愈大,應變也就愈大,熱穩定性就愈差。
    下式表示玻璃制品的壁厚2b和導致玻璃破裂的急變溫差△T的關系:
    式中B’為常數。可見,制品的厚度越大,所能承受的急變溫度差越小。玻璃受熱時,其表面產生壓應力,而在受冷時則表面產生張應力,玻璃的抗壓強度比抗張強度大十多倍。因此,在測定玻璃的熱穩定性的時候,應使試樣受急冷。
    提高玻璃熱穩定性的途徑主要是降低玻璃的熱膨脹系數、減小玻璃制品的厚度,此外還可以通過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械強度(P值)來實現。

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