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玻璃

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最后更新 2024-07-10
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一种具有无规则结构的非晶态固体材料。

英文名称
glass
所属学科
材料科学与工程

广义的玻璃包括单质(元素)玻璃、有机玻璃和无机玻璃。狭义的玻璃仅指无机玻璃,包括氧化物玻璃、非氧化物玻璃、非晶半导体。

天然玻璃大多是由火山喷出的酸性熔岩形成,少数则可能受雷电熔化或由热液凝胶脱水而成。工业上大规模生产的玻璃主要是硅酸盐玻璃,它是以石英砂、石灰石、纯碱等为原料,经高温熔制、成型、退火、冷却而得。特种氧化物玻璃中,则有硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃,以及分别以氧化铅、氧化铝、氧化锗、氧化碲、氧化钒等为主要成分制成的玻璃。此外,还有掺杂元素硅、锗和硫系元素及其化合物、卤化物等制成的非氧化物玻璃。在元素周期表中,除惰性气体外,几乎所有元素均可引入或作为掺杂剂加入玻璃中(见玻璃形成)。

约4000多年前,在美索不达米亚和古埃及等地,出现了人工制造的钠钙硅酸盐玻璃。中国古代人工制造的玻璃以铅钡硅酸盐为主要成分,见于西周早期墓葬,距今3000多年。15世纪,意大利威尼斯已成为玻璃制造中心。18世纪末路布兰制碱法及19世纪中叶氨碱法制纯碱的发明,促进了玻璃的大规模工业化生产。1867年,德国西门子兄弟发明了玻璃池窑,于1873年在比利时制造出高质量、大块平板玻璃。这种连续式玻璃池窑已发展成为各类玻璃制品的基本生产方式。

20世纪60年代,英籍华人高锟首次提出通过提纯、降低玻璃纤维损耗可实现光通信的理论。1970年,美国康宁玻璃公司设计并制造了第一根损耗为20分贝/千米的石英玻璃光导纤维,成为现代通信革命的技术基础。由玻璃光导纤维搭建起来的电话网、传真网或互联网,可以在瞬间使世界联系在一起。

中国玻璃工业形成大规模生产是在清代后期,当时在秦皇岛建立起大型机械化的耀华玻璃厂,随后各地建立了制造平板玻璃、瓶罐、灯泡等较小型的玻璃厂,但多数仍以手工制造为主。中华人民共和国成立后,玻璃的研究和生产得到较大的发展。大型平板玻璃厂、光学玻璃厂和特种玻璃工厂相继建成,电真空玻璃也形成了独立的体系。与此同时,随着高技术的发展,对石英玻璃、光学玻璃、玻璃光导纤维、高强度玻璃、耐热微晶玻璃、非晶半导体薄膜、高折射率玻璃微珠、声光与磁光玻璃、超薄玻璃等都开展了广泛的研究,并取得了一定的成果。

玻璃内部原子或离子排列是不规则的,呈无周期性,即近程有序而远程无序。按照无规则网络学说,玻璃中有一些组分中的原子构成了无规则网络,其余的原子则充填在网络间隙中间,原子在各自邻近周围作规则的几何形状配位。关于玻璃结构还有晶子学说,以及微区存在准晶态、微晶无序和拓扑无序、一维优先有序取向等观点。实际上,对整块玻璃材料,完全按照无序结构特征排列的理想玻璃并不多见,绝大部分玻璃总包含着极少量和极微小尺寸(纳米级)的晶体,对此种玻璃称之为真实玻璃(见玻璃结构)。

玻璃种类繁多,通常按成分分为硅酸盐玻璃硼酸盐玻璃磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、硫系玻璃卤化物玻璃、金属玻璃等;按应用分为建筑玻璃(见图)、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、安瓿玻璃、特种玻璃等;按形状分为平板玻璃瓶罐玻璃、多孔玻璃、玻璃纤维、玻璃微珠等。实际应用中的玻璃品种有石英玻璃、高硅氧玻璃、钢化玻璃、中空玻璃、幕墙玻璃、仪器玻璃熔封玻璃导电玻璃微晶玻璃、彩色玻璃、光色玻璃、乳浊玻璃、激光玻璃、透红外玻璃、非线性光学玻璃、耐辐照光学玻璃、平板显示玻璃、光伏玻璃、延迟线玻璃、钝化玻璃、玻璃快离子导体、玻璃超导体、生物玻璃、智能玻璃等。

建筑玻璃建筑玻璃

玻璃的基本性能表现为无固定熔点、各向同性、介稳性、可逆渐变性和连续性。即玻璃态由固态转变为液态过程是在一定温度区域进行的,不像晶态物质那样具有固定的熔点。均质玻璃在各个方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数等性能均相同。当熔体冷却成玻璃体时,它能在较低温度下保留高温时的结构而不变化。当它从液态转变成固态,或依反方向转变时,有许多物理化学性能如黏度、比容等都表现为随组成和温度渐变的和连续的,同时还可以作可逆的变化。当它受热或冷却时,以黏度为1012.4帕·秒时作为各种玻璃的转变温度。高于此温度时,玻璃内部质点开始流动;低于此温度时,玻璃便接近于固态,且不再可能转变为晶体。因此,要使玻璃中形成晶核并生长出晶体,温度必须超过。但当温度升得较高、玻璃中质点可自由流动和扩散时,晶体也不能生成,即使生成了也会立刻熔化。凡能从玻璃中析出晶体的最高极限温度以表示,称为析晶上限温度。由此可知,熔融体冷却要使之成为玻璃,必须很快越过的温度阶段,才能得到无析晶的玻璃(见玻璃晶化)。

块体玻璃由于冷却快,其内外层固化常有先后。当外层固化早、内层固化迟,由于体积收缩不一致,则玻璃中便有内应力存在(见玻璃内应力)。当张应力大到足以超过固态玻璃所能承受的强度时,玻璃便开裂破坏。为了避免这一现象发生,玻璃必须在退火上限温度(黏度为1012帕∙秒)以下温度附近保温一段时间,使结构作适当调整,以消除内应力,随后以缓慢的速度冷却下来,这一过程称为玻璃退火。

固态玻璃的物理性能包括力、热、声、光、电、磁以及其他各种耦合性能,与单晶和多晶陶瓷材料类同。但由于玻璃本身内部原子结合和显微结构的特征,使之与陶瓷材料又有所不同,具有自己的显著特点,如透明性和各向同性。但有些性能如电磁性能,则不及晶态材料,甚至降低很多。这在微晶玻璃中表现尤为明显。由于微晶玻璃晶化后尚有残余玻璃相存在,玻璃相即对晶相所具有的性能起了冲淡的作用。此外,玻璃有些性能,如内耗、电导、介电损耗、磁性等,随着外场的施加,其响应常有弛豫现象(见玻璃弛豫)。这与玻璃中的原子、离子或电子在结构中产生短程调整位移扩散有关。

固态玻璃的化学稳定性取决于玻璃结构的特征。通常,玻璃的网络结构愈紧密,离子或共价键的强度愈大,化学稳定性愈好。此外,玻璃的化学稳定性还取决于表面处某些离子是否容易扩散并被沥滤去除,也取决于沥滤后所形成保护膜的致密程度。膜层愈致密,玻璃的化学稳定性愈好;反之则愈差。硅酸盐玻璃的化学稳定性比硼酸盐、磷酸盐玻璃要好。卤化物玻璃只有少数成分才较稳定。玻璃的电化学性能与它的结构特点和离子的迁移特性有关。

玻璃制备常采用传统的熔制工艺,新发展的还有溶胶-凝胶、化学气相沉积、等离子焰熔、真空蒸发、磁控溅射、激光熔化、轧辊淬冷等工艺(见玻璃的制备)。普通和特种玻璃,除采用吹、压、拉、浇铸、浮法等方法,制成空心和实心形式的制品外,还可以针对特殊情况和要求,采用先进的工艺技术,使玻璃成为薄膜、纤维、微粉、微珠等特殊形式的制品。此外,还可以通过灯工、吹制、焊接和粉末烧结或与其他材料封接、复合工艺,制成形状复杂、尺寸不同的制品、器件和设备(见玻璃成型)。

对玻璃不仅在其形成、结构、物理化学过程、性能等方面开展研究,而且在工艺方法、设备和生产控制技术等方面也进行了深入的研究,使之与陶瓷复合材料等其他材料领域相互渗透结合,成为新材料中不可缺少的部分。随着电子信息技术的快速发展,光电子基板玻璃、玻璃超导体、显示玻璃、光导纤维玻璃、高性能石英玻璃、非线性光学玻璃以及各类智能玻璃等光电子玻璃材料与制备技术,将是玻璃研究的重要任务。采用新的工艺设备,高效地生产优质的、传统的玻璃产品,或对它们作深度加工,进行表面处理,施加变色、自清洁等涂层以求达到具有智能化的节能和自洁效果等,也是玻璃发展的目标。此外,运用先进的测试仪器和手段,研究解决玻璃结构理论及其本质的问题,为解释玻璃的某些迷惑不解的性质,同时为推测玻璃的形成、成分,以及为玻璃性能设计提供科学依据,也需要做大量的工作。

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