第八章 无机非金属材料及加工工艺

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1、设计材料与加工工艺第08章 无机非金属材料及加工工艺引言 在当今科学技术高度发展，各种自然材料和人工在当今科学技术高度发展，各种自然材料和人工材料日益丰富的今天，玻璃这一材料日益丰富的今天，玻璃这一“古老而又新兴、奇古老而又新兴、奇特而又美丽特而又美丽”的材料，正前所未有地发挥出它的特的材料，正前所未有地发挥出它的特性。玻璃具有一系列优良的特性，如坚硬、透明、气性。玻璃具有一系列优良的特性，如坚硬、透明、气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性等。广泛应用于密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性等。广泛应用于工业产品造型设计中。掌握玻璃的工艺特性是设计师工业产品造型设计中。掌握玻璃的工艺特性是设计师快速并

2、可靠地实现设计构思的一个重要途径。快速并可靠地实现设计构思的一个重要途径。 本章的主要内容8 81 1 玻璃的基本性能玻璃的基本性能8 82 2 玻璃的工艺特性玻璃的工艺特性8 83 3 常用的玻璃材料常用的玻璃材料8 84 4 玻璃在设计中的运用玻璃在设计中的运用8.1 玻璃的基本性能玻璃是将原料加热到热熔融，冷却凝固所得到的非晶态无机材料。玻璃是将原料加热到热熔融，冷却凝固所得到的非晶态无机材料。（1）强度）强度玻璃的理论抗拉强度极限为玻璃的理论抗拉强度极限为12000Mpa，实际强度只有理论强度，实际强度只有理论强度的的1/3001/200，一般为，一般为3060Mpa，玻璃的抗压强度约

3、，玻璃的抗压强度约为为7001000Mpa。玻璃中的各种缺陷造成了应力集中或薄弱。玻璃中的各种缺陷造成了应力集中或薄弱环节，试件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷对抗拉强度的影响非常环节，试件尺寸越大缺陷存在的越多。缺陷对抗拉强度的影响非常显著，对抗压强度的影响较小。工艺上造成的外来杂质和波筋显著，对抗压强度的影响较小。工艺上造成的外来杂质和波筋(化化学不均匀部分学不均匀部分)对玻璃的强度有明显影响。在对玻璃的强度有明显影响。在50+70范围范围内玻璃的强度基本不变。内玻璃的强度基本不变。脆性是玻璃的主要缺点。玻璃的脆性指标为脆性是玻璃的主要缺点。玻璃的脆性指标为13001500(橡胶橡胶为为0.4

4、0.6，钢为，钢为400460，混凝土为，混凝土为42009350)。E越大说明脆性越大。玻璃的脆性也可以根据冲击试验来确定。越大说明脆性越大。玻璃的脆性也可以根据冲击试验来确定。在实际应用中玻璃制品经常受到弯曲、拉伸和冲击应力，较少受到在实际应用中玻璃制品经常受到弯曲、拉伸和冲击应力，较少受到压缩应力。玻璃的力学性质主要指标是抗拉强度和脆性指标压缩应力。玻璃的力学性质主要指标是抗拉强度和脆性指标 （2）硬度）硬度（3）光学性能）光学性能光学性质是玻璃最重要的物理性质。光学性质是玻璃最重要的物理性质。光线照射到玻璃表面可以产生透射，反射和吸收三种情光线照射到玻璃表面可以产生透射，反射和吸收三种

5、情况。光线透过玻璃称为透射，光线被玻璃阻挡，按一定角况。光线透过玻璃称为透射，光线被玻璃阻挡，按一定角度反射出来称为反射，光线通过玻璃后，一部分光能量损度反射出来称为反射，光线通过玻璃后，一部分光能量损失在玻璃内部称为吸收。失在玻璃内部称为吸收。玻璃中光的透射随玻璃厚度增加而减少。玻璃中光的反射玻璃中光的透射随玻璃厚度增加而减少。玻璃中光的反射对光的波长没有选择性，玻璃中光的吸收对光的波长有选对光的波长没有选择性，玻璃中光的吸收对光的波长有选择性。可以在玻璃中加入少量着色剂，使其选择吸收某些择性。可以在玻璃中加入少量着色剂，使其选择吸收某些波长的光，但玻璃的透光性降低。还可以改变玻璃的化学波长

6、的光，但玻璃的透光性降低。还可以改变玻璃的化学组成来对可见光、紫外线、红外线、组成来对可见光、紫外线、红外线、X射线、和射线、和射线进行射线进行选择吸收选择吸收 （4）电学性能）电学性能（5）热性能）热性能普通玻璃的导热系数在室温下约为普通玻璃的导热系数在室温下约为0.75W/(mk)。玻璃的导热系数约。玻璃的导热系数约为铜的为铜的1/400，是导热系数较低的材料。当发生温度变化时，玻璃产，是导热系数较低的材料。当发生温度变化时，玻璃产生的热应力很高。在温度剧烈变化时玻璃会产生碎裂，玻璃的急热稳生的热应力很高。在温度剧烈变化时玻璃会产生碎裂，玻璃的急热稳定性比急冷稳定性要强一些。定性比急冷稳定

7、性要强一些。 （6）化学稳定性能玻璃）化学稳定性能玻璃具有较高的化学稳定性，它可以抵抗除氢氟酸以外所有酸类的侵浊，具有较高的化学稳定性，它可以抵抗除氢氟酸以外所有酸类的侵浊，硅酸盐玻璃一般不耐碱。玻璃遭受侵蚀性介质腐蚀，也能导致变质和硅酸盐玻璃一般不耐碱。玻璃遭受侵蚀性介质腐蚀，也能导致变质和破坏。破坏。大气对玻璃侵蚀作用实质上是水气、二氧化碳、二氧化硫等作用的总大气对玻璃侵蚀作用实质上是水气、二氧化碳、二氧化硫等作用的总和。实践证明，水气比水溶液具有更大的侵蚀性。普通窗玻璃长期使和。实践证明，水气比水溶液具有更大的侵蚀性。普通窗玻璃长期使用后出现表面光泽消失，或表面晦暗，甚至出现斑点和油脂状

8、薄膜用后出现表面光泽消失，或表面晦暗，甚至出现斑点和油脂状薄膜等，就是由于玻璃中的碱性氧化物在潮湿空气中与二氧化碳反应生成等，就是由于玻璃中的碱性氧化物在潮湿空气中与二氧化碳反应生成碳酸盐造成的。这一现象称为玻璃发霉。可用酸浸泡发霉的玻璃表碳酸盐造成的。这一现象称为玻璃发霉。可用酸浸泡发霉的玻璃表面，并加热至面，并加热至400450除去表面的斑点或薄膜。除去表面的斑点或薄膜。原料 计量 调和料 熔窖 熔融玻璃 成型加工 玻璃制品 澄清剂 8.2 玻璃的工艺特性 (1) 计量与配料：将硅砂、苏打、芒硝、石灰石、白云计量与配料：将硅砂、苏打、芒硝、石灰石、白云石、长石、碎玻璃及其它辅助原料，按所生

9、产的玻璃种类石、长石、碎玻璃及其它辅助原料，按所生产的玻璃种类要求进行不同配比后搅拌均匀。要求进行不同配比后搅拌均匀。(2) 熔融：混合好的原料在熔融：混合好的原料在14001600的高温窑内进的高温窑内进行熔融，窑的一端不断供料，熔融的玻璃液连续从另一端行熔融，窑的一端不断供料，熔融的玻璃液连续从另一端流出。流出。(3) 澄清：玻璃原料熔化后，结晶即遭破坏，同时，硫酸盐、澄清：玻璃原料熔化后，结晶即遭破坏，同时，硫酸盐、碳酸盐分解产产生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等气体，产碳酸盐分解产产生二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等气体，产生气泡，必须加入澄清剂清除气泡。采用砷的氧化物作澄清剂生气泡，必须

10、加入澄清剂清除气泡。采用砷的氧化物作澄清剂时，其作用是它产生的大气泡在上升过程中将小气泡吸收排时，其作用是它产生的大气泡在上升过程中将小气泡吸收排除，使玻璃液得以澄清。除，使玻璃液得以澄清。(4) 成型：熔融玻璃达到成型温度后慢慢冷却，根据用途成型成型：熔融玻璃达到成型温度后慢慢冷却，根据用途成型为需要形状。平板玻璃的成型方法有浇注法、轧制法、引上为需要形状。平板玻璃的成型方法有浇注法、轧制法、引上法、浮法等。法、浮法等。 8.2.1玻璃原料玻璃原料(1)主要原料主要原料 石英沙：硅沙（石英沙：硅沙（SiO2），它是重要的玻璃形成氧化物，以），它是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体（硅氧四面体