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高温玻璃的主要物化性质—热学性质

作者:奥固鸿已有:N多人关注
高温玻璃的热学性质是高温玻璃的主要物化性质之一,在成形过程中直接影响着玻璃自身热量向外界的传递,对玻璃的冷硬过程及速度、对成形操作的工艺过程均有很大影响。这些热性质包括比热容、热导率、热膨胀及透热性等。
1、玻璃的热膨胀系数
玻璃受热后要膨胀。膨胀多少是用它的线胀系数和体膨胀系数来表示的。
当玻璃被加热时,温度从t1升到t2,玻璃试样的长度从l1变为l2,则玻璃的线胀系数α可用下式表示:
上式所得的α值是t1~t2温度范围内平均线胀系数。如果把l对t作图,并在所得l-t曲线上任取一点tα,则在这一点上曲线的斜率dl/dt,表示温度为tα时玻璃的真是线胀系数。
设玻璃试样是一个立方体,受热温度从从t1升到t2,玻璃试样的体积从V1变为V2,则玻璃的体膨胀系数可用下式表示:
根据上式,知道线胀系数α,就可以粗略计算出体膨胀系数β。测定α要比测定β既简便又精确,因此在研究玻璃的热膨胀性质时,通常都是采取线胀系数。
玻璃的热膨胀系数在低温及高温时相差较大,对玻璃制品中应力的产生及制品尺寸控制影响较大,可流动状态的玻璃膨胀系数要比在固体弹性体时大3~5倍。在玻璃尚处于流动态时这种应力瞬间消除,而在冷却固化过程中,玻璃呈现黏弹性时,玻璃的收缩及磨具的膨胀使二者之间产生1%~2%的膨胀差,这很容易在制品上产生残余应力,使制品产生表面裂纹,这就是在成形操作中应尽可能避免冷热冲击及机械冲击的原因,成形中控制磨具的温度在一个适宜的均衡温度下工作时非常重要的。
热膨胀系数不但与化学组成、温度等因素有关,玻璃的热历史对热膨胀系数也有较大影响,如图所示玻璃1是经过充分退火的,而玻璃2是未经退火的。
比较曲线1和曲线2可以看出:
(1)    在约330℃以下,曲线2在曲线1之上;
(2)    在330℃~500℃之间,曲线2在曲线1之下;
(3)    在500℃~570℃之间,曲线2折转向下,这是玻璃试样2不是膨胀而是收缩;
(4)    在570℃处,两条曲线都急转向上,这个温度就是转变点Tg。
(1)~(4)现象的存在是由于玻璃试样2中有较大应变而引起的。由于应变的存在和在Tg点以下,玻璃内部质点不能发生流动。在330℃以下,由于玻璃质点间距较大,相互间的吸引力较小。因此,在升温过程中表现出热膨胀较高。在330℃~570℃之间,两种作用同时存在,即由于温度而膨胀和由于应变的存在而收缩,在330℃~500℃之间,膨胀大于收缩,而在500℃~570℃之间则收缩大于膨胀。
除此之外,玻璃晶化前后对热膨胀系数也有一定影响,但尚没有一个明确的规律。一般将它与玻璃微观结构的致密性,析晶相的种类、晶粒的大小和多少,以及晶体的结晶学特征,如质点的排列等因素有关,但有大多数规律是趋向降低热膨胀系数。
2、玻璃的导热性
玻璃的导热性一般用热导率λ来表示。其单位为W/(m·K)。热导率λ表示物质传到热量的难易,它的倒数值成为热阻。玻璃的热导率、表面辐射强度及透热性成形中玻璃的冷却速度有较大影响,这些热性质系数值较大,成形中玻璃冷却速度越快,成形的速度也应当快。一般石英玻璃热导率最大,而含大量PbO及BaO的玻璃热导率低。
玻璃是热的不良导体,其热导率λ较低,但玻璃的热导率随温度升高而增大。约在700℃以上,由于热辐射强度的增加而使热导率随着温度的升高而迅速增大,比低温下大约增加一倍。此外,玻璃的热导率还与玻璃颜色有密切关系,一般来说,玻璃颜色愈深,热导率愈小。
3、玻璃的热稳定性
玻璃的热稳定性概念
玻璃承受剧烈温度变化而不被破坏的性能称为玻璃的热稳定性。一般用热稳定性系数K来表示。其单位是℃/cm/s1/2。玻璃的热稳定系数可用下列公式计算:
上式中,P和E通常以同样倍数改变,所以P/E值改变较小,趋于常数。其他各项除α外改变也不大,也近似于常数。只有α值随组成的改变有很大的变化,有时甚至可达20倍以上。
玻璃的热稳定性还可以用试样不被破坏时所能承受的最大温度来表示。可用下式进行近似计算:
影响玻璃热稳定性的主要因素
线胀系数  玻璃的热膨胀系数越小,其热稳定性越好,试样能承受的温差也越大。因此,玻璃的线胀系数α对玻璃的热稳定性有着决定性的意义。
玻璃厚度 因为玻璃的导热性差,所以玻璃的厚度愈厚,受温度急变使内外层的温差就愈大,应变也就愈大,热稳定性就愈差。
下式表示玻璃制品的壁厚2b和导致玻璃破裂的急变温差△T的关系:
式中B’为常数。可见,制品的厚度越大,所能承受的急变温度差越小。玻璃受热时,其表面产生压应力,而在受冷时则表面产生张应力,玻璃的抗压强度比抗张强度大十多倍。因此,在测定玻璃的热稳定性的时候,应使试样受急冷。
提高玻璃热稳定性的途径主要是降低玻璃的热膨胀系数、减小玻璃制品的厚度,此外还可以通过特殊方法使玻璃的弹性模量(E值)变化很小而大大提高玻璃的机械强度(P值)来实现。

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