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玻璃成分、结构、性能和之间的关系

发布时间:2016/6/4


前面在讨论不同系统玻璃的结构中,从不同程度的玻璃成分、结构、性能之间的关系来 说明玻璃结构问题。这里简略介绍上述三者间的一般关系。

玻璃可以近似地看作是原子或离子的一个聚合体。当然它们不是任意毫无规律地集合在 一起,而是在结构化学等规律制约的前提下根据离子的电价和大小等特性,使离子彼此以一 定方式组织起来,这就是“结构”。当外来因素如热、电、光、机械力和化学介质等作用于 玻璃时,玻璃就会做出一定的反应,这种反应就是玻璃的“性能”或“性质”。玻璃通常是 以整个结构对外来因素做出反应,例如抗张、抗压等。有些性能例如电导,一般是通过碱金 属离子的活动进行的。但是它的活动要受到结构的制约,例如在导电的同时还呈现电阻。因 此,总的规律是:玻璃的成分通过结构决定性能。

玻璃的物理化学性能不仅取决于化学组成,而且与其结构有着密切的关系。同种成分的 玻璃,经过不同的热历史,会得到不同的玻璃结构,从而玻璃的性能也就不同。

不同系统玻璃的成分、结构、性能之间的变化规律都有其各自的特殊性。加之,玻璃成 分及其物化性能种类繁多,情况十分复杂。但通过对各种不同性能的特定变化规律的归纳和 分析,在玻璃的性能和成分、结构间仍存在着某些一般的规律性。根据不同性能间的共同特性,可以把常见的玻璃性能分为两大类:第一类性能在玻璃成分和性能间不是简单的加和关 系,而可以用离子迁移过程中克服势垒的能量来标志这些件能。当玻璃从高温熔融状态冷 却,经过转变温度区时,这些性能一般是逐渐变化的,如图1-37U)所示。属于这类性能的 有电导、电阻率(P)黏度(n)、介电损耗、离子扩散速度以及化学稳定性等。第二类性能 与玻璃成分间的关系比较简单,一般可以根据玻璃成分和某些特定的加和法则进行推算。当 玻璃从熔融状态经过转变温度区冷却时,它们往往产生突变。属于这类性能的有折射率(n)、分子体积(Vm)、色散、密度、弹性模量(E)、扭变模量(G)、 硬度、热膨胀系数以及介电常数等。


第一类性能就是具有迁移特性的性能。这些性能一般是通过离子(主要是碱金属离子) 的活动或迁移体现出来的。因此离子在结构中活动(或迁移)程度的大小,往往是衡量这些 性能的标志。例如玻璃的电导和化学侵蚀主要取决于网络外阳离子(如Na+)的迁移活动 性。离子的迁移性越大,电导和化学侵蚀越大;反之越小。当然阳离子的迁移活动性要受到 玻璃结构特性的影响。

第二类性能是它对外来因素不是通过某一种离子的活动来做出反应,而是由玻璃网络 (骨架)或网络与网络外阳离子来起作用。例如玻璃的硬度,首先来源于网络(骨架)对外 来机械力的反抗能力,网络外的阳离子也起一定的作用。因此网络形成氧化物(如Si02) 含量愈髙,网络外阳离了•场强愈大,硬度愈大;反之愈小。在常温下玻璃的这类性能可大致 假设为构成玻璃的各种离子性能的总和。例如,玻璃密度取决于离子半径大小及其堆积的紧 密程度。折射率取决于密度及离子极化率,热膨胀系数取决于阴阳离子间的吸引力等。这类 性能的变化规律,可以由各元素或离子在周期表上的位置来判断。

在简单的硅酸盐玻璃系统(R2O-Si02)中,当一种碱金属氧化物被另一种所替代时, 第二类性能几乎呈直线变化,而第一类性能的变化完全不同,这种现象一般称为中和效应(或混合碱效应),在第一类性能 中反映非常明显。例如,同时含两种碱金属氧化物玻璃的电阻率可以比只含一种碱 金属铒化物玻璃的电阻率大几千倍。而玻璃的介电损耗率和化学稳定性则数值减小,性能改善。

玻璃分相的结构类型对第一类性能也有重要的作用.

玻璃的光吸收性能尚未包括在上述两类性能中。光吸收主要是由于电子在离子内部不同轨道间的跃迁(在可见光区引起吸收),在不同离子间的电荷迁移(引起紫外吸收),以及原 子或原子基团振动(引起红外吸收)的结果,吸收波长的位置受配位体中阳离子的电子层结 构、价态原子量的大小及其周围配位体等的影响。

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