玻璃知识思维导图

这是一个关于玻璃相关知识的思维导图，从玻璃的定义、原料、生产过程、反应原理、基本特性等方面全面阐述了玻璃的生产制造过程和用途。

玻璃

定义

狭义：熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质。 广义：具有 Tg （玻璃化转变温度）的非晶态材料。

原料：纯碱、石灰石和石英

生产过程：原料粉碎，玻璃窑中强热，成型冷却

反应原理：复杂的物理、化学变化主要反应 CaCO3 + SiO2=高温=CaSiO3 + CO2↑ Na2CO3 + SiO2=高温=Na2SiO3 + CO2↑ 主要成分： Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或者Na2O·CaO·6SiO2等

主要设备：玻璃窑

玻璃的通性

无固定的熔点、各向同性、内能高（介稳性）、物理化学性 质的渐变性、没有晶界、无固定形态、性能可设计性等。

玻璃的基本特性

强度 玻璃是一种脆性材料，其强度一般用抗压，抗张强度等来表示。玻璃的抗张强度较低，由于玻璃的脆性和玻璃表面的瑚裂纹所引起的。玻璃的抗压强度约为抗张强度的14-15倍。

硬度 玻璃的硬度较大，硬度仅次子金刚石、炭化硅等材料，它比一般金属硬，不能用普通刀和锯进行切割；可根据玻璃 的硬度选择磨料、磨具和加工方法，如雕刻、抛光、研磨和切割等。

光学性 玻璃是一种高度透明的物质，具有一定的光学常数、光谱特性，具有吸收或透过紫外线和红外线、感光、光变色、光储存和显示等重要光学性能．通常光线透过愈多，玻璃质越好。

电学性能 常温下玻璃是电的不良导体。温度升高时，玻璃的导电性迅速提高，熔融状态时则变为良导体。

热性质 玻璃的导热性很差，一般经受不了温度的急剧变化。制品越厚，承受温度急剧变化的能力越差。

化学稳定性 玻璃的化学性质较稳定。大多数工业用玻璃都能抵抗除氢氟酸以外酸的腐蚀．玻璃耐碱腐蚀性较差。 一些光学玻璃仪器易受周围介质（如潮湿空气）等作用，表面形成白色斑点或雾膜，破坏玻璃的透光性，所以在使用和保存中应加以注意。

玻璃的形成

形成玻璃的物质：形成玻璃的物质非常广泛，有人认为所有物质都能借助特定条件形成玻璃。

形成玻璃的方法

熔体冷却法： 包括常规的熔体冷却和极端骤冷。用于制作传统硅酸盐玻璃和金属玻璃。

气相冷却技术： 将一种或几种组分在气相中沉积到基体上获得非晶态固体的技术。 分为非反应沉积、反应（气相化学反应）沉积。通常包括蒸发冷却、溅射和反应 沉积等几种方法。用于玻璃制备中的光电薄膜材料。

固态方法 通过固态方法从晶体得到非晶态固体。如高能粒子辐照、爆炸冲击波、机械及扩散等。

溶胶﹣凝胶法： 其玻璃网络结构是通过低温下适当化合物的液相化学聚合反应而形成的。首先通过液体原料的 混合反应形成溶胶，然后通过凝胶化使溶胶变为凝胶，最后除去凝胶中的水分及有机物等液相 并烧结除去残留物得玻璃。

形成玻璃的条件

热力学条件： 热力学观点表明，玻璃处于介稳状态，有转变为稳定晶态的趋势。一般同组成的玻璃体和晶体的内能差别越大，则在不稳定过冷状态下，晶化倾向越大，形成玻璃的倾向小。

动力学条件 ： 熔体能否结品取决于熔体过冷后能否形成新相品核以及品核能否长大成品体。成核和品体生长都需要时间，如果要从熔体冷却获得玻璃，必须要在熔点以下迅速冷却使之来不及析晶。玻璃的形成可以通过控制品核生成速率 N 和晶体生长速率 C 来实现。

玻璃形成的结晶化学条件： a ．熔体中质点的聚合程度 b ．键强 c ．键型

生物玻璃

生物玻璃

定义 生物玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃

分类

非活性生物玻璃

c 人工齿冠用生物微晶玻璃

b 治疗用生物玻璃

a 人工骨用生物玻璃

活性生物玻璃

a Na2O-CaO-SiO2-P2O5 系统生物玻璃

b Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5系统生物微晶玻璃

c MgO-CaO-SiO2-P2O5系统生物微晶玻璃

d Na2O-K2O-MgO-CaO-Al2O3-SiO2-P2O5 系统金云母生物微晶玻璃

生物玻璃结构特征

从玻璃生成角度看，生物玻璃大多属于磷酸盐有关的玻璃以及磷酸盐的复合材料，或者 是含磷的硅酸盐玻璃以及一些氟铝硅酸盐玻璃。

从玻璃组成分析来看，这些玻璃中大多含有双键氧和硅氧键及铝氟键。因此，在某些网络形成体里所占比例较少的生物玻璃中，网络基团为众多的网络外体分开。 在某些网络形成体里所占比例较少的生物玻璃结构中，虽然大部分已被晶体占有，但尚有小部分是仍维持较高的化学稳定性的玻璃相，因而不易发生降解反应。

对于生物玻璃材料的研究和当前技术上需要解决的总目标是使制得的玻璃具有既与生物体相适应而又容易发生降解的特性。 对于生物玻璃一些主要组成则要求其能参与生物体的代谢而不至于对反应产生阻抑作用及甚至呈现出毒性

生物玻璃的制备

通常，作为生物玻璃的原料，要求其纯度有保证，不能含有超过限量或未知的对生物体有害的成分。

高碱和含磷较高的生物玻璃的熔制温度最高，约在1300~1350℃，

熔制的玻璃视使用要求的不同，可水淬或浇注成型。

当玻璃需要微晶化热处理时，一般在600℃左右保温核化，然后在更高些温度（如700℃）范围内使之晶化

生物玻璃的研究进展

用于治疗癌症的生物玻璃

a 放射疗法用玻璃

b 热疗用玻璃

生物玻璃人工骨

HCA 层

骨再生

骨生长

微晶玻璃

将加有成核剂的特定组成的基础玻璃在一定温度下进行热处理时，可变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的材料，此为微晶玻璃。

微晶玻璃的分类

从外观看，有透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃

按微晶化原理分为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃

按照性能分为耐高温、耐热冲击、高强度、耐磨、 易机械加工、易化学蚀刻、耐腐蚀、低膨胀、零膨胀、 低介电损失、强介电性、强磁性和生物相容等种类

按照用途分为，餐具微晶玻璃、航天微晶玻璃、建筑微晶玻璃和生物微晶玻璃等

按基础玻璃组成一般可分为硅酸盐系统、铝硅酸盐系统、硼硅酸盐系统、硼酸盐系统及磷酸盐系统等五大类

按所用材料，微晶玻璃则分为技术微晶玻璃和矿渣微晶玻璃两类

微晶玻璃的性质

力学性质

机械强度

硬度及耐磨性

弹性模量

热学性质

热膨胀系数

热稳定性

软化温度

化学稳定性

光学性质

电学性质

微晶玻璃的微晶化包括以下几个过程： (1）玻璃结构发生微调； (2）晶核的形成； (3）基本晶相的形成及生长； (4）介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。

第一阶段是玻璃结构微调及晶核的形成； 第二阶段为均匀结晶，即核化处理及晶化处理。

基本原理 加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中，均匀地溶解于玻璃熔融体中。当玻璃处在析晶温度区时，成核剂能降低晶核生成所需要克服的势垒，从而核化可以在较低的温度下进行。

成核剂可分为贵金属及氧化物两大类

特点 是核化与晶化在整个玻璃体内均匀地进行，新晶相在成核剂上附析长大成为细小的晶体。

微晶玻璃基本生产过程

配合料制备 →玻璃熔融 →成型 →加工 →微晶化处理 →再加工

热处理是微晶玻璃生产的关键工序。因为微晶玻璃的结构取决于热处理的温度条件。

过程 分相→晶核生成 →晶体生长→二 次结晶生长

热处理温度条件

阶梯型温度处理

等温型温度处理

影响微晶玻璃综合性能的三大因素

①原始组成的成份

②微晶体的尺寸和数量

③残余玻璃相的性质和数量。

微晶玻璃制备工艺

压延法

烧结法

复相微晶玻璃

定义 从广义上讲，复相微晶玻璃是指微晶功能相同玻璃相之间通过相的复合，从而获得具有一系列特殊性能的新型功能材料。

功能相 分类

(1）金属单质复相微晶玻璃

(2）氧化物半导体复相微晶玻璃

(3）化合物半导体复相微晶玻璃

(4）铁电复相微晶玻璃

(5）铁磁复相微晶玻璃

应用

1）微晶玻璃装饰板材

2）微晶玻璃墙体材料

3）微晶玻璃屋面与地面材料

4）其他材料

玻璃及加工工艺

工艺过程

原料

主要原料

•硅砂：是玻璃生产中的主要原料，约占70％以上。 •长石：提高玻璃的化学稳定性。 •纯碱：作用在于降低玻璃熔体的黏度，有助于玻璃的熔化。 •石灰石：提供了氧化钙，能在玻璃中起到稳定剂的作用。 •硼砂：作用是提高玻璃的化学稳定性，降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的折光率，使之具有良好的光泽。 •碳酸钡、硫酸钡：可吸收射线，常用于防辐射玻璃。 •含铅化合物：降低玻璃熔体的黏度，降低玻璃的熔制温度，提高玻璃的折光率，使玻璃具有特殊的光泽。 •碎玻璃：降低能耗。

辅助原料

1．澄滴剂：向玻璃配合料或玻璃溶液中加入一种高温时本身能气化或分解放出气体，以促进排除玻璃中气泡的添加物称为澄滴剂． 2．着色剂：使玻璃制品着色的添加剂你为着色剂，通常使用锰，钻、镍、铜、金、硫、硒等金属和非金属化合物，其作用是使玻璃对光线产生选择性吸收，从而显出一定的颜色 3．脱色剂；为了提高无色玻璃的透明度，常在玻璃熔制时，向配合料中加入脱色剂，以去除玻璃原料中含有的铁，铬、钛、帆等化合物和有机物的有害杂质。 4．乳浊剂：使玻璃制品对光线产生不透明的乳浊状态的添加物祢为乳浊剂． 5．助熔剂：能促使玻璃熔制过程加速的添加物称为助熔剂或加速剂。

玻璃的熔制

定义 玻璃的熔制是指将配合料经过高温熔融，形成均匀无气泡并符合成形要求的玻璃液的过程

从工艺角度而论 大致可以分为硅酸盐的形成、玻璃的形成、迢漓、均化和冷却五个阶段。

玻璃的成型

压制成型

吹制成型

拉制成型

压延成型

玻璃的热处理

退火

淬火

玻璃制品的二次加工

冷加工

热加工

表面处理

玻璃的分类和品种

对于生物玻璃材料的研究和当前技术上需要解决的总目标是使制得的玻璃具有既与生物体相适应而又容易发生降解的特性。 对于生物玻璃一些主要组成则要求其能参与生物体的代谢而不至于对反应产生阻抑作用及甚至呈现出毒性

近代研究证实，只要冷却速度快到足以使熔体的无定形结构状态被继承下来，就可以形成玻璃或者非晶态材料；晶态固体借助于剪切应力或放射线照射也可形成非晶态结构。