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高温玻璃产品的电学性质

作者:奥固鸿已有:N多人关注
在常温下一般玻璃是电绝缘材料。但是,随着温度的上升,玻璃的导电性迅速提高,特别是在转变温度Tg点以上,电导率有飞跃的增加,到熔融状态,玻璃变成良导体。例如,一般玻璃的电阻率,在常温下是1011~1012Ω·m,而在熔融状态下降至10-2~3*10-3Ω·m。
利用玻璃在常温下的低电导率可用来制造照明灯泡、电真空管、气体放电管、高压绝缘子、电阻、被覆绝缘导线等。玻璃已成为电子工业的重要材料。导电玻璃可用于光显示,如数字钟表换和计算机等。利用玻璃在高温下的较高电导率,可以进行玻璃电熔和电焊。玻璃的电导率和成分有关。
固体材料的电导率是表示通过电流的能力。玻璃的电导率分为体积电导率和表面电导率两种,一般系指体积电导率而言。
玻璃的导电机理
1884年瓦布尔格用实验证明了玻璃的离子导电性能后,人们一直认为,一切玻璃都是离子导电的。知道20实际50年代半导体玻璃的出现,人们才了解到有些玻璃是电子导电的。半导体玻璃主要是不含氧的硫化物,硒化物和碲化物玻璃,此外,某些过渡元素氧化物玻璃也具有电子导电的特性,一般的硅酸盐玻璃则为离子导电。
离子导电是以离子为载电体,在外加电场的驱动下,载电体离子长程迁移贯穿了玻璃体,因而显示其导电作用。载电体离子通常是以玻璃所含能动度最高的阳离子为主。在能动度相差很大的情况下,全部电流几乎由一种阳离子负载。在常温下,玻璃中的硅氧或硼氧骨架在外电场作用下几乎没有移动的能力。当温度提高到玻璃的软化点以上时,玻璃中的阴离子开始参加电流的传递。随着温度的升高,参与传递电流的碱离子和阴离子数也逐渐增多。
外加电场对载电体离子施加作用,使原先无定向的离子热运动纳入电场方向的概率增加。
影响玻璃体积电导率的因素
玻璃的电导率与玻璃的化学组成、玻璃的温度、热历史有关。
对于Na2O-CaO-SiO2玻璃时:
1)当CaO含量不变时,以Na2O置换SiO2(<20%),玻璃的电导率增大;
2)当Na2O含量不变时,以CaO置换SiO2(<10%),情况相反,玻璃的电导率降低;
3)当SiO2含量不变时,以CaO置换Na2O(16%),电导率大大降低;
4)在上上述组成范围内,电导率的对数1gK近似地与置换量成正比。
应该指出,Na2O-CaO-SiO2玻璃的电导率远低于Na2O- SiO2玻璃的电导率,甚至低于相应的Na2O-PbO-SiO2玻璃的电导率。
对电导率影响特别显著的碱性氧化物,其中Na2O比K2O大,Li2O居中。在石英玻璃中只要加入很少量的Na+,就可以大大增加电导率。当玻璃兼含K2O和Na2O时,其电导率低于仅含Na2O的玻璃,当Na2O:K2O=1:4时,玻璃的电导率最小。二价金属离子对玻璃电导率的影响,一般随离子半径的增大而减小:
BeO<MgO<ZnO<CaO<SrO<PbP<BaO
二价离子能够降低电导率,可以解释为:二价离子阻碍碱金属离子的迁移导电,故离子半径愈大,效果愈显著。
在R2O3类氧化物中,Al2O3在一定范围内提高电导率,B2O3能降低电导率。
玻璃的电导率是随温度的上升而上升。
玻璃经淬火后的电导率比退火后高,电导率也常用电阻率ρ表示。在软化温度以上,玻璃的结构质能迅速达到平衡,在退货范围以内,需要一定时间来达到平衡,而在退火温度以下,达到平衡实际上是不可能的,这与玻璃内部质点的重排有关。
当玻璃中有应力存在时,电导率增加,未退火的玻璃电导率约为退火玻璃的三倍。淬火玻璃比退火玻璃的电导率更高,这是因为淬火玻璃的比容相对的增大,结构较为疏松。

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