探讨玻璃成品的物理性能检测

玻璃在中国古代亦称琉璃，是一种透明、强度及硬度颇高，不透气的物料。而最初的玻璃是由火山喷出的酸性岩凝固而得。约公元前3700年前，古埃及人已制出玻璃装饰品和简单玻璃器皿，当时只有有色玻璃，约公元前1000 年前，中国制造出无色玻璃。公元12世纪，出现了商品玻璃，并开始成为工业材料。18世纪，为适应研制望远镜的需要，制出光学玻璃。1873年，比利时首先制出平板玻璃。1906年，美国制出平板玻璃引上机。此后，随着玻璃生产的工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。在现代，玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。玻璃制品被广泛用于建筑、交通、轻工、医药、化工、电子等各个领域。而在玻璃的日常生产实践中，玻璃物理性能的 检测 是一项必不可少的检测项目，它直接反映玻璃质量的好坏。在工作中接触的玻璃成品物理性能的检测项目有玻璃的密度检测，玻璃析晶性能的检测，玻璃热稳定性的测定，透光率的测定等等。

　　1 玻璃密度的测定

　　玻璃的密度是玻璃的一个重要物理性能。物质单位体积的质量称为密度。玻璃的密度表示玻璃单位体积的质量。

　　1.1影响因素

　　玻璃密度主要取决于构成玻璃的原子质量，与原子堆积紧密程度以及配位数有关，它与分子体积成反比，是表征玻璃结构的一个标志。玻璃的密度除与玻璃的化学组成关系最为密切外，温度和压力的变化也会对玻璃密度有一定影响。在生产中，玻璃的组成会由于配合料称量不准、料方计算错误、错用他种原料、原料成分改变、温度制度波动等因素引起波动，玻璃的密度随其组分的变化而变化，二者之间呈一定的关系。如果能精确测出玻璃的密度值，就能比较灵敏地发现玻璃组分波动，从而起到监督控制生产的作用。由于测定玻璃密度的方法比较简便，测定的精度可达1×10-4g/cm3。因此，我国各玻璃厂已广泛采用测定玻璃密度来掌握玻璃成分的波动情况，以便及时查找原因，采取措施，达到稳定产品质量的目的。玻璃的密度测定可采用阿基米德法、比重瓶法、浮降法。本实验采用浮降法。

　　1.2实验原理

　　用浮降法测定玻璃的密度是基于与已知密度值的固体在密度值随温度而变化的混合液中由于密度相等产生浮沉而比较测定的。

　　根据液体相对于玻璃随温度变化其密度变动较大。因此可将两种适当密度的液体混合，盛放在试管内，在一定温度时，使配成的混合液体能使玻璃试样上浮，然后以一定升温速度加热，液体（重液）的密度相对于玻璃试样来说，下降较快。当升至一定温度时，试样开始下沉，根据试样达到固定高度时的温度（即下沉温度），可确定出未知试样的下沉温度和标准试样的下沉温度

　　1.3实验 仪器 及用品

　　测定设备主要包括恒温水浴、水银接触温度计，水银温度计，调压器，试管。

　　1.4实验过程

　　1.4.1试样制备

　　取直径约3mm、长约10mm的玻璃棒，应没有气泡、条纹、结石和析晶等缺陷，并在应力仪上观察退火情况，要求没有应力存在。然后放在酒精或蒸馏水中洗净，用清洁的毛巾擦干，以备试验用。

　　1.4.2标准试样的选择

　　标准试样一般选择准确成分的均匀玻璃，标准试样与被测试样的密度最好差0.001～0.002g/mL（0.6～1.2℃）左右。通常为了区别于普通试样，我们总把标准试样截短一些。标准试样的密度可用排水法测定。

　　1.4.3重液的选择和准备

　　选择：应选择密度不同的两种液体来配制混合液，其中一种液体的密度应小于玻璃的密度，而另一种液体的密度则应大于玻璃的密度，并且两种液体可以相互溶解。在浮降法中选用α-溴代荼（C10H7Br，D20/41.482-1.512）和四溴乙炔（CHBr2-CHBr2，D20/42.962-2.968）混合成重液。由于它对光、水蒸气、空气都很稳定，和玻璃不起作用所以比较适用。

准备：先把四溴乙炔放在三角瓶内（或直接加到试管中）投入一小块试样飘浮其上，然后由滴管慢慢加入α-溴代荼，如果认为下沉温度低了，就再加四溴乙炔，直到完全适合为止，一般在略高于室温的温度下，使试样飘浮在重液的上面，升温至30～35℃左右时，试样下沉，这样便于读数。

　　1.4.4实验步骤

　　1.欲测的一组玻璃试样（一般为三个和相应的标准试样）放入已准备好的重液中，紧试管塞。

　　2.电加热恒温槽，电流为1.2A，通过搅拌器，使槽内温度均匀。在玻璃被测试样（或标准试样）下沉温度约2℃时，使恒温槽保温20～30min，这时以大约1A电流加热，这样的升温速度大约是0.1℃/min。 [p]

　　3.升温过程中，不时晃动试管，以免液面的表面张力影响试样自由下沉。

　　4.试样开始缓缓下沉后，注意观察，将每个样品上任一点到达试管上刻线时的温度逐一记录下来。取平均值（Tx ），同样也仔细记录标准试样下沉时的温度，取平均值（TS），由水银接触温度计和普通水银温度计配合读数，准确至1/100℃。

　　1.5注意事项

　　1.当环境条件不符合要求时，必须开启空调以使环境条件符合要求。

　　2.在选择制备混合液的液体时，应选择挥发性尽可能小，对人体无毒害的液体。

　　3.在操作过程中，用镊子夹取试样，勿用手取，以免沾污试样影响测定结果

　　2 玻璃析晶性能的测定

　　在玻璃的熔体中出现结晶的现象称之为析晶。实际上，玻璃的析晶现象是一种相变过程;即以均匀的玻璃相转变为晶相的过程。在平板玻璃的生产中析晶事玻璃的一种缺陷，它能使玻璃的一系列性能（如机械性能，热稳定性，光学均匀性等）变坏，故是不允许的。还必须指出，有时为了是玻璃具备一些优良的性能，如高机械强度，低电导率等，人为地对玻璃进行有控制的析晶或诱导析晶制造的微晶玻璃（由晶相和残余玻璃相组成的质地致密，无孔，均匀的混合体）。而微晶玻璃的性能取决于晶体种类和数量，以及剩余玻璃相的组成和性能。

　　在胶体着色玻璃、乳浊玻璃和微晶玻璃等的生产中，却要使玻璃体内部结晶，而且要控制晶体的生成，使晶体数量和晶体颗粒的大小达到一定的要求才能满足制品质量的要求。

　　2.1影响因素

　　一般玻璃析晶，是在粘度为10～105Pa·s左右的温度范围（该玻璃系统液相线温度以下）内进行的。析晶主要决定于晶核形成速率、晶核生长速度以及熔体的粘度，同时与玻璃液在该温度下的保温时日有关。晶核形成速率是指在一定温度下在单位时间内单位容积中所形成的晶核数目（个数/分钟）。晶体生长速度是指在单位时间内晶体增长的直线长度（um/min）。晶核形成的最大速率和晶核长大的最大速度分别在两个不同的温度范围里出现，只有在两者都有较大速度的温度下最易析晶。测定玻璃析晶性能就是指测定玻璃的析晶温度范围的上限和下限以及在该温度范围内玻璃的析晶程度。即玻璃析晶是发生在最大晶核形成速度和最大晶体生长速度之间两速度曲线重叠部分所对应的温度范围内，也就是通常所说的玻璃折晶温度范围。

　　2.2实验原理

　　测定玻璃析晶性能的方法除梯温法外还有淬冷法、 热分析 法等。热分析法包括差热分析仪法和高温 显微镜 法两种。本实验利用梯温炉来测定玻璃的析晶温度。梯温炉法又称强制结晶法，它操作简便。测试精度可以满足科研和生产的一般需要，因此得到广泛应用。在梯温炉中，由于炉中心部分的温度最高，两边的温度有规律地降低，因此总有一个温度范围是玻璃的结晶化合物的结晶温度。当试样在炉内恒温一定时间后，晶相和玻璃相之间就可能建立热平衡而出现析晶，这时将试样取出并迅速冷却。用眼睛或在显微镜下观察析晶程度。就可确定玻璃表面出现结晶化合物的临界温度。即析晶上、下限温度。根据所测玻璃析晶温度范围，可制定合理的成型与热加工制度，就可以避免产生析晶，得到透明理想的玻璃。或者通过控制结晶，得到符合要求的微晶玻璃。

2.3实验 仪器 及用品

　　1.梯温析晶测定仪一台;

　　2.金相 显微镜 或偏光显微镜;

　　3.电位差计一台;

　　4.铂铑热电偶二只;

　　5.瓷舟（或铂金舟）若干;

　　6.玻璃条或淬火后的玻璃碎块。

　　2.4试样要求与制备

　　1.用来测定析晶能力的玻璃应无缺陷（如气泡、砂子等）。

　　2.对于板状或棒状的待测玻璃，可把试样截成长190mm，宽5mm的条。如为块状或球状样品，可淬火后敲成小块。

　　3.把试样洗净、烘干，把瓷舟内表面刷净烘干。

　　2.5实验步骤

　　1.先接好线路，再检查一遍接好的线路，通电升温，待炉管中心温度达到（1150±2）℃，保持稳定。

　　2.将试样均匀地放在瓷舟中，然后把装有试样的瓷舟慢慢地从炉口推入中心（即最高温度处），使瓷舟的端头正好处于测温热电偶的下方。

　　3.同时在炉管中心放入长度为50cm的铂铑—铂热电偶，使热端放在炉心最高温度处，等温度稳定时，先测出炉管中心的最高点的温度，然后将热电偶向外移动1cm，停留一定时间等温度稳定后读数，再每隔1cm测温一次。测得炉中央至炉口各点的温度后，将测得的各点温度值在直角坐标纸上，（比例为1：1）画出“温度——炉长”曲线，即梯温曲线。

　　4.试样在炉中保温—定时间（3～6h）后，将瓷舟迅速取出，当瓷舟内的玻璃表面呈微红色时，迅速观察玻璃表面的结晶情况。在高温段，晶体消失处为析晶上限;在低温段，晶体不生长处为析晶下限。观察时，用铅笔在瓷舟边做出析晶上、下限的标记。或者将瓷舟冷却至室温，在金相显微镜或偏光显微镜下观察玻璃表面的结晶情况。

　　5.将瓷舟与梯温曲线相对照，根据在瓷舟做出的析晶上、下限标记的位置，查出所对应的温度值，即为玻璃的折晶上、下限温度。 [p]

　　2.6数据记录及数据处理

　　1.数据记录

　　（1） 试样牌号、试样成分、试样来源、取样日期等;

　　（2） 梯温炉中心的温度、保温时间、测定日期和时间、操作者姓名等。

　　2.数据处理

　　（1） 根据炉中温度分布情况绘制梯温曲线;

　　（2） 定出析晶上、下限温度;

（3） 在同一炉中，用同一种玻璃试样重复试验的两次析晶温度测试值，要求相差难确度在10℃以内。否则再取一组试样重做。最后，由两次或两次以上的测试值算出平均折晶温度。

　　2.7注意事项

　　1.测定析晶能力的玻璃无缺陷，以免影响测定结果。

　　2.试样与瓷舟要清洗干净并烘干，以免影响结果的准确性。

　　3 玻璃热稳定性的测定

　　玻璃的热稳定性又称耐急冷急热性，也称耐热温差等，是玻璃承受剧烈温度变化而不被破坏的性能，抵抗冷热急变的能力，它在玻璃的热加工方面和日常使用中特别重要。

　　3.1影响因素

　　决定玻璃热稳定性的基本因素是玻璃的热膨胀系数，热膨胀系数大的玻璃热稳定性差;膨胀系数小的玻璃，热稳定性好。而玻璃的膨胀系数，主要取决于它的化学组成。其次，玻璃的退火质量，亦将影响耐急冷急热性。另外玻璃表面的擦伤或裂纹以及各种缺陷，都能使其热稳定性降低。玻璃的导热性能很低，由于热胀冷缩，在温度突然发生变化的过程中，玻璃中产生分布不均匀的应力，如果应力超过了它的抗张强度，玻璃即行破裂。

　　因为应力值随温差的大小而变化，故可以用温差来表示热稳定性。我们把玻璃不开裂所能承受的最低温度差，称为耐热温差。测定玻璃热稳定性的基本方法是骤冷法。可以用试样加热骤冷，也可以用制品加热骤冷。用制品直接作为试样具有实际的代表意义。而在实验室中，通常采用试样加热骤冷。

　　3.2实验原理

　　骤冷法测定玻璃热稳定性的原理是：当玻璃被加热到一定温度后，如予以急冷，则表面温度很快降低，产生强烈的收缩，但此时内部温度仍较高，处于相对膨胀状态，阻碍了表面层的收缩，使表面产生较大的张应力，如张应力超过其极限强度时，制品即破坏。

　　骤冷法需把玻璃制成一定大小的试样，加热使试样内外的温度均匀，然后使之骤冷，观察它是否碎裂。但是同样的玻璃，由于各种原因，其质量也往往是不完全相同的。因而所能承受的不开裂温差也不相同，所以要测定一种玻璃的热稳定性。必须取若干块样品，将它们加热到一定温度后，进行骤冷，观察并记录其中碎裂的样品的块数，把碎裂的样品拣出后，将剩余未碎裂的样品继续加热至较高的温度，待样品热至均匀后，重复进行第二次骤冷，按同样步骤拣出碎裂的样品，记下碎裂的块数，重复以上步骤，直至加入的样品全部碎裂为止。

　　3.3实验 仪器 及用品

　　立式管状电炉（1kw）;电流表（5～10A）;调压器（2kV·A）;温度计（250℃，50℃各一支）;放大镜（10倍）;烧杯（500mL）;酒精灯。

　　3.4实验步骤

　　1.将直径为3～5mm无缺陷的玻璃棒，长度为20～25mm的玻璃小段，每小段的两端在喷灯上烧圆。

　　2.放在电炉中退火，经应力仪检查没有应力，待试验用。

　　3.将滑架悬挂在支架上，调整水银温度计位置，使水银球正处在小篓中。

　　4.下滑架，将准备好的试样十根装入小篓，再将滑架挂在支架顶上。接通电源作第一次测定。以3～5℃/min的升温速度，将炉温升高到低于预估耐热温度约40～50℃，保温10min。

　　5.测量并记录冷水温度。开启炉底活门，使试样与小篓落入冷水中。30s后取出试样，擦干，用放大镜检查，记录已破裂试样数。

　　6.将未破裂试样重新放入小篓中，作第二次测定，炉温比前一次升高10℃，继续实验直至试样全部破裂为止。计算样的耐热温度平均值。

　　3.5注意事项

　　1.测定热稳定性的玻璃无缺陷并且无应力，以免影响测定结果

　　2.在调整水银温度计时，要使水银球正好处在小娄中，以免造成记录误差，影响结果。