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玻璃工艺学思考题答案汇总.doc
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1、玻璃工艺学思考题汇总1.简述玻璃制造技术的发展历程:玻璃的制造已有502023以上的历史,一般认为最早的制造者是古代的埃及人,他们以泥罐熔融,以捏塑或压制的方法制造装饰物和简朴的器皿。纪元前一世纪,诺骂人发明用铁管吹制玻璃,用铁管将熔制好的玻璃液吹成中空气泡,然后制成各种形状的制品。十一世纪到十五世纪威尼斯人已经可以制造窗玻璃,玻璃瓶,玻璃镜和其他玻璃饰品,艺术价值较高。十七世纪玻璃制造技术传遍欧洲,玻璃工厂开始出现,并以煤炭取代了木材作为燃料,玻璃工业得到发展。1790年,瑞士人发明了搅拌法制造光学玻璃,高均匀度的玻璃的熔制有了新的途径。十八世纪后期,由于制碱法和蒸汽机的发明,以及机械工业和
2、化学工业的进步,玻璃制造技术得到进一步的提高。十九世纪中叶由于科学技术和材料的革新,出现了玻璃的连续生产以及玻璃的机械成型和加工。进入20世纪,玻璃制造技术得到突波,先后出现了有无槽垂直引上法,平拉法,对辊法等传统的平板玻璃制造技术。1957年,英国皮尔金顿公司发明了浮法玻璃制造技术,它的拉制速度是传统工艺的十倍,但是其成本却与传统工艺相差无几。此后浮法玻璃制造技术成为当前普通玻璃制造的主流技术。2.广义或狭义的玻璃定义是什么?玻璃的通性有哪些?答:玻璃:一种较为透明的液体物质,在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。重要成份是二氧化硅。广泛应用于建
3、筑物,用来隔风却透光。玻璃的通性有四点:1.各向同性.2.无固定熔点3.介稳性4.性质变化的连续性和可逆性3.玻璃态物质特性或通性?答:(1)玻璃态物质的通性:玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体,其原子不像晶体在空间作长程有序的排列,而近似于液体具有短程有序,玻璃象固体同样保持一定的外形,而不像液体那样在自重作用下流动。(2)玻璃态物质具有以下四个特性: .各向同性 玻璃态物质的质点总的来说都是无规则的,是记录均匀的,因此,它的物理化学性质在任何方向都是相同的。这一点与液体类似,液体内部质点排列也是无序的,不会在某一方向上发现与其它方向不同的性质。从这个角度来说,玻璃可以近似地看作过冷液。
4、.无固定熔点 玻璃态物质由熔体转变成固体是在一定温度区域(软化温度范围)内进行的,(从固态到熔融态的转变经常需要经历几百度的温度范围),它与结晶态物质不同,没有固定的熔点。 .介稳性 玻璃态物质一般是由熔融体过冷而得到。在冷却过程中粘度过急剧增大,质点来不及作有规则排列而形成晶体,因而系统内能尚未处在最低值而比相应的结晶态物质具有较高的能量。尚有自发放热转化为内能较低的晶体的倾向。 .性质变化的连续性和可逆性 玻璃态物质从熔融状态到固体状态的性质变化是连续的和可逆的,其中有一段温度区域呈塑性,称“转变”或“反常”区域。4.为什么说玻璃是介稳态,什么叫介稳态?(袁寅)玻璃态物质一般是由熔融体过冷
5、而得到。在冷却过程中粘度过急剧增大,质点来不及作有规则排列而形成晶体,因而系统内能尚未处在最低值而比相应的结晶态物质具有较高的能量。尚有自发放热转化为内能较低的晶体的倾向。因此说玻璃是介稳态。所谓介稳态,既在一定情况下处在稳定状态,而在一定物理化学条件下,会发生化学反映的状态。4.为什么说玻璃态是介稳态,什么是介稳态?(魏琼)解:玻璃态物质一般是由熔融体过冷而得到的。在冷却过程中粘度过急剧增大,质点来不及作有规则排列而形成晶体,因而系统内能尚未处在最低值而比相应的结晶态物质具有较高的能量。尚有自发放热转化为内能较低的晶体的倾向,所以玻璃是介稳态。 在一定的热力学条件下,假如系统处在一个吉布斯自
6、由能极小值状态,而不是处在一个最小值状态,它就有也许转变到这个最小值状态;但也也许会以原状态长期存在, 由于在局部的自由能极小值与最小值之间,存在着一个势垒,这样的状态称为介稳态。5.玻璃结构的晶子学说?晶子和微晶的区别?答:(1)玻璃的晶子学说揭示了玻璃中存在有规则排列区域,即有一定的有序区域,这对于玻璃的分相、晶化等本质的理解有重要价值,但初期的晶子学说机械地把这些有序区域当作微小晶体,并未指出互相之间的联系,因而对玻璃结构的理解是初级和不完善的。总的来说,晶子学说强调了玻璃结构的近程有序性、不均匀性和不连续性。 (2)晶子和微晶的区别微晶具有正规的原子排列并与无定形物质间有明显的界线,微
7、晶的取向无序。“晶子”不同于微晶,是带有点阵变形的有序排列分散在无定形介质中,且从“晶子”到无定形区的过渡是逐步完毕的,两者之间并无明显界线。6.玻璃结构的无规则网络学说?(向智)答:玻璃的无规则网络学说是1932年由查哈里阿森提出的,该学说借助于离子结晶化学的一些原则,并参照玻璃的某些性能(如硬度、热传导、电绝缘性等)与相应的晶体的相似性而提出的。像石英同样,熔融石英玻璃的基本结构单元也是硅氧四周体,玻璃被看作是由硅氧四周体为结构单元的三度空间网络所组成的,但其排列是无序的,缺少对称性和周期性的反复,故不同于晶态石英结构。当熔融的石英玻璃中加入碱金属或碱土金属氧化物时,硅氧网络断裂,碱金属或
8、碱土金属离子均匀而无序地分布于某些硅氧四周体之间的空隙中,以维持网络中局部的电中性。对硼酸盐与磷酸盐玻璃也作了类似的描述。6.玻璃结构的无规则学说是什么?(朱永昌)玻璃结构的无规则网络学说是 1932 年由查哈里阿森 (Zachariasen) 提出的,该学说借助于离子结晶化学的一些原则,描述了离子 - 共价键的化合物,如熔石英、硅酸盐和硼酸盐玻璃。由于共价键的因素,玻璃的近程有序与晶体相似,即形成氧离子多面体 ( 三角体和四周体 ) ,多面体间顶角相连形成三度空间连续的网络,但其排列是拓扑无序的。瓦伦 (Warren) 等人的 X 射线衍射结果先后皆支持这一学说,随后,笛采尔 (Dietze
9、l) 、孙观汉和阿本等人又从结构化学的观点,根据各种氧化物形成玻璃结构网络所起作用的不同,进一步区分为玻璃网络形成体、网络外体 ( 或称网络修饰体 ) 和中间体氧化物。玻璃形成体氧化物应满足:1 每个氧离子应与不超过两个阳离子相联; 2 在中心阳离子周边的氧离子配位数必须是小的,即为 4 或更小; 3 氧多面体互相共角而不共棱或共面; 4 每个多面体至少有三个顶角是共用的。 碱金属离子被认为是均匀而无序地分布在某些四周体之间的空隙中,以保持网络中局部地区的电中性,由于它们的重要作用是提供额外的氧离子,从而改变网络结构,故它们称为“网络修饰体”。比碱金属和碱土金属化合价高而配位数小的阳离子,可以
10、部分地参与网络结构,故称为“中间体”,如 BeO 、 Al 2 0 3 和 ZrO 2 等。 无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性、记录均匀性与无序性,可以解释玻璃的各向同性、内部性质的均匀性和随成分改变时玻璃性质变化的连续性等,因而在长时间内该理论占主导地位。7.无规则网络学说中各种氧化物在玻璃中的作用是什么?根据元素与氧结合的单键能(即化合物的分解能与配位数之商)的大小和能否生成玻璃及各种氧化物形成玻璃结构网络所起的作用的不同,将氧化物分为玻璃网络形成体、网络外体(或称网络修饰体)和中间体氧化物。(1)网络生成体氧化物:能单独生成玻璃,如SiO2、B2O3、P2O5、GeO2、As2O
11、5等,在玻璃中形成特有的网络体系;(2)网络外体氧化物:不单独形成玻璃,不参与网络,一般处在网络之外。起断网作用,但对玻璃的析晶有一定的作用;(3)中间体氧化物:一般不单独生成玻璃,其作用介于网络生成体和网络外体之间。当配位数大于等于6时,阳离子处在网络外,与网络外体的作用相似,当配位数为4时,能参与网络,起网络生成体的作用(又称补网作用)。8.玻璃结构的两大重要学说的论点,论据以及学说的重点是什么?玻璃结构的特点是什么? 答: 玻璃结构的两大重要学说为晶子学说和无规则网络学说. 晶子学说论点是玻璃是由无数晶子所组成,这些晶子不同于微晶,是带有点阵变形的有序排列区域,分散在无定形介质中,且从晶
12、子到无定型区的过的过度是逐步完毕的,两者间并无明显界线. 晶子学说为X-射线结构分析数据所证实,玻璃的X-射线衍射图,一般发生宽的衍射峰,与相应晶体的强烈锋利的衍射峰有明显的不同,但两者所处的位置是基本相同的.把晶体磨成细粉,颗粒度小于0.1微米时,其X-射线衍射图也发生一种宽广的衍射峰,与玻璃类似,且颗粒度越小,射峰的峰值宽度越大.学说重点强调了玻璃结构的近程有序性,不均匀性和不连续性. 无规则网络学说论点是像石英晶体同样,熔融石英玻璃的基本结构单元也是硅氧四周体,玻璃被看作是由硅氧四周体为结构单元的三度空间网络所组成的,但其排序是无序的,缺少对称性和周期性的反复,故不同于晶态石英结构.论据
13、:瓦伦等人的X-射线衍射结果先后皆支持了这一学说. 无规则网络学说着重说明了玻璃结构的连续性,记录均匀性与无序性,可以解释玻璃的各向同性,内部性质的均匀性和随成分改变时玻璃性质变化的连续性等. 玻璃结构的特点是短程有序和长程无序,从宏观上看玻璃重要表现为无序,均匀和连续性,而从微观上看它又是有序,不均匀和不连续性.9石英玻璃,氧化硼玻璃,磷氧玻璃的结构单元是什么? 答:石英玻璃: 硅氧四周体 SiO4 氧化硼玻璃:硼氧三角体 BO3磷氧玻璃: 磷氧四周体 PO411什么是塔曼断言?答:任何物质都可以玻璃化。12玻璃形成与析晶的热力学与和动力学特点是什么? 答:热力学特点:(1).玻璃态物质较相
14、应结晶态物质具有较大内能.玻璃化和分相过程均没有释放出所有多余的能量,因此与结晶化相比这两个状态都处在能量的介稳状态。玻璃态物质总有减少内能向晶体转变的趋势,在一定条件下通过析晶或分相放出能量使其处在低能量稳定状态。(2).晶体与玻璃的内能差别越大,越易结晶,越难形成玻璃假如玻璃与晶体内能差别大,则在不稳定过冷下,晶化倾向大,形成玻璃的倾向小。玻璃体和晶体两种状态的内能差别不大,故析晶的推动力较小,因此玻璃这种能量的亚稳态在事实上可以长时间稳定存在。动力学特点:(1)玻璃的形成与析晶都是非平衡过程,是动力学过程。析晶过程必须克服一定的势垒,假如势垒较大,特别当熔体冷却速率不久时,粘度增长甚大,
15、质点来不及进行有规则排列,晶核形成晶体长大均难以实现,从而有助于玻璃的形成。形成玻璃的关键是熔体的冷却速率。晶核生长速率与晶体生长速率的极大值所处的温度相差越小,熔体越易析晶而不易形成玻璃,反之熔体越不易析晶而形成玻璃。因此,熔体是析晶还是形成玻璃与过冷度、粘度、成核速率、晶体生长速率均有关。(2).热力学方面玻璃是介稳的,动力学方面,玻璃是稳定的。13.粘度的定义?(谭俊) 答:粘度就是液体内部阻碍其相对运动的一种特性。流体的玻璃液中的某一部分假如与相邻的部分之间的流动速度不同样,那么在相邻的界面上就会存在一种阻力,妨碍它们彼此之间作相对运动。13.粘度的定义(朱永昌)粘度是流体的一种特性,
16、流动的玻璃液中的某一部分假如与相邻的部分之间的流动速度不同样,那么在相邻的界面上就会出现一种阻力,妨碍他们彼此之间的相对运动,这种阻力叫粘滞力或内摩擦力。它是指面积为 S 的二平行液层,一定速度梯度 移动时需克服的内摩擦力 f 。 f = S (2 2 1) 式中: 粘度或粘度系数,其单位为帕秒 (Pa s)14.影响玻璃粘度的重要因素有哪些?答:重要因素有化学组成和温度,在转变区域内和时间有关。(1) 与成分的关系a. SiO2、AI2O3、ZrO2提高玻璃粘度b. 碱金属氧化物R2O减少玻璃粘度c. 碱土金属氧化物对玻璃粘度的影响复杂:1.一方面类似碱金属氧化物使大型的四周体解聚,引起粘度
17、减小,在高温时明显。2.另一方面阳离子的电价较高,离子半径不大,键力不如碱金属离子大,有也许夺取四周体群的氧离子于自己的周边,使粘度增大,低温时明显。d. PbO2、CdO、Bi2O3、SnO减少玻璃粘度(2)与温度的关系 玻璃的粘度随着温度的减少而增大,从玻璃液到固态玻璃的转变,粘度是连续变化的。15.碱金属对玻璃粘度有什么影响?答:碱金属氧化物减少玻璃粘度;碱土金属对玻璃粘度的作用较为复杂,一方面类似与碱金属能使大型的四周体群解聚,引起粘度减少,另一方面这些阳离子电价较高,离子半径又不答,故键力较碱金属离子大,有也许夺取四周体群的阳离子与自己周边,使粘度增大。16.玻璃的料性?短性玻璃?长
18、性玻璃?对成型和退火过程有何影响? 答:生产上常把玻璃的粘度随温度变化的快慢称为玻璃的料性,粘度随温度变化快的玻璃称为短性玻璃,反之称为长性玻璃.这一性质对成型作业有直接的关系,例如用压延法生产压花玻璃时最佳选择料性较短的玻璃,这样玻璃被轧花辊压出花纹之后,随温度减少,粘度能迅速地增长,形状可以快速固定下来,从而保证压出的花纹清楚.退火是通过粘滞流动和弹性来消除玻璃中的应力,故这一性质对退火的效率也有很大影响17.玻璃的表面水化反映?答:硅酸盐玻璃在水中的溶解比较复杂。水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行互换,而后进行水化中和反映,其反映过程为:-Si-O-Na+ + H+OH-
19、 - -Si-OH + NaOH (1)这一互换又引起下列反映:-Si-OH +3/2H2O - Si(OH)4 (2)Si(OH)4 + NaOH - 【Si(OH)3O】-Na+ + H2O (3)反映式(3)的产物硅酸钠其电离度要低于NaOH的电离度。因此,这一反映使溶液中的Na+浓度减少,这就对反映(2)有所促进。这3个反映互为因果,循环进行,而总的速度取决于离子互换反映(1),由于它控制着-Si-OH和NaOH的生成速度 。另一方面,H2O分子也能与硅酸盐骨架直接起反映: -Si-O-Si- + H2O = 2(-Si-OH) 随着这一水化反映的继续进行,Si原子周边原有的四个桥氧所
20、有成为OH, 这是H2O分子对硅氧骨架的直接破坏。18.硅酸盐玻璃的表面与纯二氧化硅的表面结构和成分有何异同?答:硅酸盐玻璃的表面大体与纯二氧化硅的表面相似,但由于具有其他成分,因而出现如下一些情况:1. 假如具有其他网络生成体,他们也将为OH提供结合点,因此,有也许出现AIOH团,BOH和POH团等。2. 表面上的一价阳离子R+与大气中的水分起作用,结果也生成SiOH团,这样一来所得的SiOH是在R+离子的原座上,由于H+尺寸小于R+,上列互换使玻璃表面产生张应力,从而加强了表面反映能力。导致进一步水化,有时候,这一表面张应力会使表面破裂。3. 假如反映的另一产物ROH被冲刷而去,例如碎玻璃
21、受雨水或人工冲洗,则表面层比起内部主体来,短少了R+L离子,玻璃中原有的R2O含量越高,除去的R+离子越多,表面越缺少R+离子。4. 在热加工过程中,表面的R2O类和B2O3等发挥失去,在洗涤过程中R类盐也从表面除去,这是玻璃表面缺陷的一个因素。5. 表面的SiOH团能吸附各种气体如H2、O2、N2、SO2、NH3、和CO2等,这种吸附很牢固。综上所述,玻璃的表面反映,导致了SiOH团的生成和R2O的损失。19. 玻璃表面上比较容易滋生一些霉菌,因素是什么?(彭园) 答:玻璃虽对不少的物质表现出惰性,但在生物领域中往往有很大的活性,玻璃表面的自由能吸附生物中经常存在的原子团如胺基(-NH2),
22、羟基(-OH),甲基(-CH3)等。玻璃与生物的互相作用大部分是属化学性质的,自简朴的互相键合一直到侵蚀反映。 有些人认为,生物霉菌的周边很容易凝聚水滴。因此,认为是它的水分和空气中CO2对玻璃侵蚀的结果,假如进行酸解决后涂上SiO2薄膜,这时水和酸侵蚀困难从而防止生物菌侵蚀。19.玻璃表面上容易滋生一些霉菌因素是什么?(童竞)玻璃虽然对不少物质表现出惰性,但在生物领域中往往有很大的活性。玻璃表面自由键能吸附生物中经常存在的原子团如胺基(NH2),羟基(OH),甲基(CH3)等。对血液具有凝结作用。玻璃与生物的互相作用大部分是属于化学性质的,自简朴的互相键合一直到侵蚀反映。在有些玻璃的表面上特
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