《玻璃工艺学》第4章玻璃的黏度及表面性质

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1、第4章玻璃的粘度及表面性质4.1玻璃的粘度在重力、机械力和热应力等的作用下，玻璃液（或玻璃熔体）中的结构组元（离子或离子组团）相互间发生流动。如果这种流动是通过结构组元依次占据结构空位的方式来进行，则称为粘滞流动。当作用力超过“内摩擦”阻力时，就能发生粘滞流动。粘滞流动用粘度衡量。粘度是指面积为的两平行液面，以一定的速度梯度移动时需克服的内摩擦阻力。（4-1）式中：—粘度或粘滞系数—两平行液面间的接触面积—沿垂直于液流方向液层间速度梯度粘度是玻璃的一个重要物理性质，它贯穿于玻璃生产的全过程。在熔制过程中，石英颗粒的溶解、气泡的排除和各组分的扩散都与粘度有

2、关。在工业上，有时应用少量助熔剂降低熔融玻璃的粘度，以达到澄清和均化的目的。在成形过程中，不同的成形方法与成形速度要求不同的粘度和料性。在退火过程中，玻璃的粘度和料性对制品内应力的消除速度都有重要作用。高粘度的玻璃具有较高的退火温度，料性短的玻璃退火温度范围一般较窄。影响玻璃粘度的主要因素是化学组成和温度，在转变区范围内，还与时间有关。不同的玻璃对应于某一定粘度值的温度不同。例如粘度为1012时，钠钙硅玻璃的相应温度为560℃左右，钾铅硅玻璃为430℃左右，而钙铝硅玻璃为720℃左右。在玻璃生产中，许多工序（和性能）都可以用粘度作为控制和衡量的标志（见表

3、4-1）。使用粘度来描述玻璃生产全过程较温度更确切与严密，但由于温度测定简便、直观，而粘度和组成关系的复杂性及习惯性，因此习惯上用温度来描述和规定玻璃生产工艺过程的工艺制度。4.1.1粘度与温度关系由于结构特性的不同，因而玻璃熔体与晶体的粘度随温度的变化有显著的差别。晶体在高于熔点时，粘度变化很小，当到达凝固点时，由于熔融态转变成晶态的缘故，粘度呈直线上升。玻璃的粘度则随温度下降而增大。从玻璃液到固态玻璃的转变，粘度是连续变化的，其间没有数值上的突变。所有实用硅酸盐玻璃，其粘度随温度的变化规律都属于同一类型，只是粘度随温度的变化速率以及对应于某给定粘度的

4、温度有所不同。图4-1表示两种不同类型玻璃的粘度—温度曲线。这两种玻璃随着温度变化其粘度变化速率不同，称为具有不同的料性。曲线斜率大的玻璃B属于“短性”玻璃；曲线斜率小的玻璃A属于“长性”玻璃。如果用温度差来判别玻璃的料性，则差值ΔT越大，玻璃的料性就越长，玻璃成形和热处理的温度范围就越宽广，反之就狭小。图4-2是Na2O-CaO-SiO2玻璃的弹性、粘度与温度的关系曲线。图中分三个区。在A0区因温度较高，玻璃表现为典型的粘性液体，它的弹性性质近于消失。在这一温度区中粘度仅决定于玻璃的组成与温度。当温度进入B区（温度转变区），粘度随温度下降而迅速增大，弹

5、性模量也迅速增大。在这一温度区，粘度（或其他性质）除决定于组成和温度外，还与时间有关。当温度继续下降进入C区，弹性模量进一步增大，粘滞流动变得非常小。在这一图4-2玻璃的弹性、粘度与温度的关系图4-1两种不同类型玻璃的温度-粘度曲线示意图杨氏模量/×9810Pa温度/℃图4-2Na2O-CaO-SiO2玻璃的弹性、粘度与温度的关系温度区，玻璃的粘度（或其他性质）又仅决定于组成和温度，而与时间无关。上述变化现象可以从玻璃的热历史加以说明。4-1粘度与特性温度的关系工艺流程相应的粘度/Pa·s温度/℃最大范围一般范围以Na2O-CaO-SiO2玻璃为例1.澄

6、清101000～15501200～140014602.成型开始成型机械供料吹料落料吹制成型压制成型制品出模102～10310103102.7～103.7102.6～105106850～13501000～11001070～12308003.热处理及其它开始结晶结晶过程软化温度烧结温度变形温度退化上限温度应变温度退化下限温度103104～105106.5～107108～109109～101010121013.51014580～915550～6501070870～960640～680510410从液体的结构可知，液体中各质点之间的距离和相互作用力的大小均与晶体

7、接近，每个质点都处于周围其他质点键力作用之下，即每个质点均是落在一定大小的势垒（）之中。要使这些质点移动（流动），就得使它们具有足以克服该势垒的能量。这种活化质点（具有大于0能量的质点）数目越多，液体的流动度就越大；反之流动度就越小。按波尔兹曼分布定律，活化质点的数目与成比例。则液体的流动度可表示为：（4-2）因，故（4-3）式中—质点的粘滞活化能—与组成有关的常数—波尔兹曼常数—绝对温度式（4-3）表明，液体粘度主要决定于温度和粘滞活化能。随着温度升高，液体粘度按指数关系递减。当粘滞活化能（）为常数时，将式（4-3）取对数可得：（4-4）式中,为常数—

8、常数式（4-4）表明，与成简单的线性关系。这是因为温度升高，质点动能增大，使更多