4-玻璃的力学性能及热学性能解析
高分子材料的力学状态
弹性体：拉伸——放热
回缩——吸热
2.2 高分子材料的力学性能
高弹性的本质
熵弹性 高弹性由熵变引起
拉伸弹性体时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小 体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态 热力学第一定 律 热力学第二定 律
2.2 高分子材料的力学性能
粘弹性
聚合物最重要的力学性能 之一
晶区起交联点作用。温度，非晶区进入高弹态， 整个材料具有韧性和强度。
结晶度>40%
晶区互相衔接，贯穿成连续相。观察不到明显的
非晶区玻璃化转变现象。
2.1 高分子材料的力学状态
结晶聚合物能否观察到高弹态，取决于聚合物的摩
尔平均质量。
不呈现高弹态
呈现高弹态
图2.2 高结晶度聚合物的热机械曲线
Y N A D B
Breaking point 断裂点
B Y A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
D A E D A
O
A y
B
图2.4 非晶态聚合物的应力-应变曲线（玻璃态）
2.2 高分子材料的力学性能
2.2 高分子材料的力学性能
2+3
1 2 3
1
图2-6 线形非晶态聚合物 的蠕变及回复曲线
运动单元：分子链 形变特点：不可逆形变
2.2 高分子材料的力学性能
蠕变大小反映了材料尺寸的稳定性和长期负载能力。 提高材料抗蠕变性能的途径:
a. 聚合物玻璃化温度高于室温；
b. 聚合物分子链含有苯环等刚性链； c.交联:可以防止分子间的相对滑移。
玻璃的力学性能及热学性能
1.4.1 玻璃密度与成分的关系 • 不同组成玻璃密度差别很大。
• 一般单组分玻璃的密度最小，添加网络外体密度增大。
• 玻璃中引入R2O和RO氧化物，随离子半径的增大，玻璃密度
增加。
• 同一氧化物配位状态改变，对密度也产生影响。
• B2O3从[BO3]到[BO4]密度增加；
• 中间体从网络内四面体[RO4]转变为网络外八面体[RO6]密度增加；
• 随温度升高比热逐渐增大，在转变温度区域内增长较快。
• 熔融状态下，比热随温度升高逐渐增大。
• 比热与组成的关系
• SiO2、Al2O3 、B2O3 、MgO、Na2O特别是Li2O 能提高玻璃 的比热，含有大量PbO或BaO 的玻璃比热较低，其余氧化 物影响不大。
2.3 玻璃的导热性
• 导热性：物质依靠质点的振动将热能传递至较低温
玻璃的力学性能及热学性能
• 1 玻璃的力学性能
• 1.1玻璃的机械强度 • 1.2 玻璃的弹性 • 1.3 玻璃的硬度和脆性
• 1.4 玻璃的密度
• 2玻璃的热学性能
• 2.1 玻璃的热膨胀系数 • 2.2 玻璃的比热 • 2.3 玻璃的导热性 • 2.4 玻璃的热稳定性
1.1 玻璃的机械强度
1.1.1理论强度与实际强度 • 所谓材料的理论强度，就是从不同理论角度来分析 材料所能承受的最大应力或分离原子（离子或分子 等）所需的最小应力。取决于原子间的相互作用及 热运动。
2.1 玻璃的热膨胀系数
2.1.1玻璃的热膨胀 • 线膨胀系数α 和体膨胀系数β
• α 和β 之间存在近似关系：β =3α • α 的测定比β 简便而精确，通常采用α 讨论玻璃的 热膨胀性质。 • 不同组成玻璃的热膨胀系数在8~150×10-7/℃范围内 变化，非氧化物玻璃甚至超过200×10-7 /℃，微晶玻 璃则可获得零膨胀或负膨胀。 • 硬质玻璃和软质玻璃
(完整版)玻璃物理化学性能计算
二、玻璃的组成对粘度的作用
玻璃成分与玻璃粘度之间存在卓复杂的关系，一般可以从硅氧比、离子的极化、键强、结构对称性以及配位数等方面来说明。现分述于如：
2.1氧硅比
当氧硅比增大（例如熔体中碱含量增大），使大型四面体群分成为小型四面体群，自由体空间随之增大，导致熔体粘度下降，
一些钠钙硅酸盐在1400℃的粘度
在碱硅二元玻璃中，当O/Si比很低时，对粘度其主要作用的是硅氧四面体[SiO4]间的键力。极化力最大的Li+是减弱Si-O-Si键的作用最大，故粘度按Li2O-Na2O-K2O顺序递增。
2.4结构的对称性
在一定的条件下，结构的对称性对粘度有着重要的作用。如果结构不对称就可能在结构中存在缺陷和弱点，因此使粘度下降。
于10%—12%时增加粘度。
（4）PbO、CdO、BiO、SnO2等降低玻璃粘度。
此外，Li2O、ZnO、B2O3等都有增加低温粘度，降低高温粘度的作用。
3、玻璃粘度参考点
在玻璃生产上常用的粘度参考点如下：
（1）应变点：应力能在几小时内消除的温度，大致相当于粘度为 1013.6Pa.s,时的温度。
（2）转变点：相当一粘度为, 1012.4Pa.s时的温度，通常用T表示。
氰化物如Na2SiF6、Na3AlF6，硫酸盐如芒硝，氯化物如NaCl等都能显著地降低玻璃的表面张力，因此，这些化合物的加入，均有利于玻璃的澄清和均化。
表面张力随着温度的升高而降低，二者几乎成直线关系，实际上可认为，当温度提高100℃时表面张力减少1%，然而在表面活性组分及一些游离的氧化物存在的情况下，表面张力能随温度升高而稍微增加。
例如，硅氧键和硼氧键的键强属于同一数量级的，然而石英玻璃的粘度却比硼氧玻璃大的多，这正是由于二者结构的对称程度不同所致。又如磷氧键和硅氧键键强也属于同一数量级的，但是磷氧玻璃的粘度比石英玻璃的小的多。主要磷氧玻璃四面体中又一带双键氧、结构不对称的缘故。
玻璃等效厚度计算公式
玻璃等效厚度计算公式玻璃的等效厚度在很多领域都有着重要的应用，比如建筑设计、汽车制造等等。
那什么是玻璃的等效厚度呢？简单来说，就是把玻璃的复杂结构或者性能用一个等效的单一厚度来表示，方便我们进行计算和设计。
要搞清楚玻璃等效厚度的计算公式，咱们先得了解一下玻璃的特性。
玻璃这东西，看起来挺简单，就是透明的、硬邦邦的，但实际上它的物理性质可不简单。
比如说，它的强度、导热性、隔音效果等等，都和厚度有关系。
我记得有一次去一个建筑工地，看到工人们正在安装玻璃幕墙。
那一块块巨大的玻璃在阳光下闪闪发光，特别好看。
我就好奇地问其中一个师傅，这玻璃的厚度怎么选啊？师傅笑着说，这可大有讲究，不仅要看建筑的高度、风压，还得考虑隔热、隔音的要求。
这让我更加意识到，玻璃的厚度可不是随便定的，得经过精心计算。
那玻璃等效厚度的计算公式到底是啥呢？一般来说，它是基于玻璃的力学性能、热学性能或者声学性能来确定的。
对于力学性能，比如说抗压强度，等效厚度可以通过下面这个公式来计算：Te = (K * t^n) / f ，这里的 Te 就是等效厚度，K 是一个与玻璃材料相关的常数，t 是实际的玻璃厚度，n 是一个指数，f 是所要求的强度值。
再来说说热学性能。
在考虑玻璃的隔热效果时，等效厚度可能会用这样的公式：Te = (λ1 * t1 + λ2 * t2) / λe ，其中λ1、λ2 是不同玻璃层的热导率，t1、t2 是对应的厚度，λe 是等效热导率。
声学性能方面呢，等效厚度的计算可能就更复杂一些啦。
但大致的思路也是类似的，要考虑玻璃的隔音系数、声波频率等等因素。
比如说，在汽车车窗的设计中，为了降低车内噪音，就得精确计算玻璃的等效厚度，以达到最佳的隔音效果。
要是算错了，那开车的时候可就吵得要命啦！总之，玻璃等效厚度的计算公式虽然看起来有点复杂，但只要我们理解了其中的原理，再结合实际的需求，就能准确地算出合适的厚度，让玻璃在各种应用中发挥出最好的性能。
材料物理性能
材料物理性能
测试弹性模数的必要性
材料物理性能
几种材料在常温下的弹性模数
材料物理性能
比弹性模数
定义：指材料的弹性模数与其单位体积质 量的比值。
陶瓷的比弹性模数一般都比金属材料的大。 在金属材料中，大多数金属的比弹性模数 相差不大。
材料物理性能
材料物理性能
2.3 影响弹性模数的因素
材料的弹性模数是构成材料的离子或分子 之间键合强度的主要标志。
材料物理性能
④ 微观结构
金属材料，在合金成分不变的情况下，显 微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小 对弹性模数无影响。
冷加工可以降低金属及合金的弹性模数 （5%以下），只有形成强的织构才有明显 的影响，并出现弹性各项异性。 作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一 个组织不敏感的力学性能指标。
材料物理性能
材料物理性能
真应力—真应变曲线
工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据. 在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义.
材料物理性能
第二节 弹性变形及其性能指标
2.1 弹性变形的本质
材料产生弹性变形的本质，概括来说，都是构成 材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆 位置的反映。
材料物理性能
第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
1.1 力—伸长曲线
材料物理性能
应力： P
FN
FN A
----胡克定律
Fl FN l l EA EA
其中：E----弹性模量，单位为Pa;
EA----杆的抗拉（压）刚度。 可得胡克定律 的另一种形式
l 规定线应变 l
玻璃与金属阳极键合界面结构及力学性能
01 摘要
03 实验方法
目录
02 引言 04 参考内容
摘要
摘要
玻璃与金属阳极键合是一种广泛应用于电子、通信、能源等领域的关键技术。 界面结构与力学性能是影响键合质量和稳定性的重要因素。本次演示研究了玻璃 与金属阳极键合界面结构及力学性能，通过实验方法分析了界面结构特征和力学 性能参数及其影响因素。结果表明，优化工艺参数和选择合适的材料可以改善界 面结构和力学性能。本次演示对进一步深入研究玻璃与金属阳极键合技术具有一 定的参考价值。
内容摘要
超声键合界面金属学的基本原理是超声波的传播和振动在金属材料表面产生 相互作用，引发表面层材料的塑性变形、晶格振动、热效应等现象，从而导致材 料表面的结合和键合。其中，超声波的频率、振幅、波形、作用时间等参数对于 超声键合的效果有着重要的影响。
内容摘要
在理论分析方面，本次演示将主要从超声波的传播和振动特征、金属材料的 表面特性和声学参数、超声键合的能量机制等方面进行探讨。首先，超声波的传 播和振动特征包括其波形、频率、振幅等参数，这些参数的变化将直接影响到超 声键合的效果。其次，金属材料的表面特性和声学参数也是影响超声键合的重要 因素，包括表面的粗糙度、氧化程度、硬度等。
内容摘要
在未来的研究中，我们将进一步深入研究不同金属材料之间超声键合的差异 和特点，以及超声波与其他物理场（如磁场、电场）的相互作用和复合效应等问 题，为实际应用提供更为丰富和深入的理论依据和技术支持。
参考内容二
一、超声引线键合点形态
一、超声引线键合点形态
超声引线键合点是指通过超声波振动将金属导线与芯片或基板连接起来的连 接点。超声引线键合点的形态包括圆形、椭圆形、扁平形等，其中圆形是最常见 的形态。
《无机材料物理性能》课后习题答案解析
课后习题《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=A A l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1-11一圆柱形Al 2O 3晶体受轴向拉力F ，若其临界抗剪强度τf 为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值，并求滑移面的法向应力。
解：1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：).1()()(0)0()1)(()1()(10//0----==∞=-∞=-=e EEe e Et t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：./)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为0123450.00.20.40.60.81.0σ(t )/σ(0)t/τ应力松弛曲线0123450.00.20.40.60.81.0ε(t )/ε(∞)t/τ应变蠕变曲线)(112)(1012.160cos /0015.060cos 1017.3)(1017.360cos 53cos 0015.060cos 0015.053cos 82332min 2MPa Pa N F F f =⨯=︒︒⨯⨯=⨯=︒⨯︒⨯=⇒︒⨯︒=πσπτπτ：此拉力下的法向应力为为：系统的剪切强度可表示由题意得图示方向滑移以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
各种玻璃配方知识
字体大小：大| 中| 小2007-08-02 14:02 - 阅读：734 - 评论：0第一节概述1．物质的玻璃态自然界中，物质存在着三种聚集状态，即气态，液态和固态。
固态物质又有两种不同的形式存在，即晶体和非晶体（无定形态）。
玻璃态属于无定形态，其机械性质类似于固体，是具有一定透明度的脆性材料，破碎时往往有贝壳状断面。
但从微观结构看，玻璃态物质中的质点呈近程有序，远程无序，因而又有些象液体。
从状态的角度理解，玻璃是一种介于固体和液体之间的聚集状态。
对于“玻璃”的定义，二十世纪四十年代以来曾有过几种不同的表述。
1945年，美国材料试验学会将玻璃定义为“熔化后，冷却到固化状态而没有析晶的无机产物”。
也有将玻璃定义扩展为“物质（包括有机物，无机物）经过熔融，在降温冷却过程中因粘度增加而形成的具有固体机械性质的无定形物体”。
我国的技术词典中把“玻璃态”定义为；从熔体冷却，在室温下还保持熔体结构的固体物质状态。
其实，在上世纪八十年代，有人提出上述定义‘是多余的限制’。
因为，无机物可以形成玻璃，有机物也可以形成玻璃，显然早期的表述并不合适。
另外，经过熔融可以形成玻璃，不经过熔融也可以形成玻璃，例如，经过气相沉积，溅射可得到非晶态材料，采用溶胶-凝胶法也可以得到非晶态材料，可见后期的表述也并不妥当。
现代科学技术的发展已使玻璃的含义有了很大的扩展。
因此，有人把具有下述四个通性的物质不论其化学性质如，均称为玻璃。
这四个通性是；（1）各相同性。
玻璃的物理性质，如热膨胀系数，导热系数，导电性，折射率等在各个向都是一致的。
表明物质部质点的随机分布和宏观的均匀状态。
（2）介稳性。
熔体冷却成玻璃体时并没有处于能量最低的状态，仍然有自发转变为晶体的倾向，因而，从热力学的观点看，处于介稳状态。
但常温下玻璃的粘度非常大，自发转变为晶体的速度非常慢，所以，从动力学的观点看，它又是非常稳定的。
（3）固态和熔融态间转化的渐变性和可逆性。
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《无机非金属材料》-玻璃工艺学“玻璃的力学性能及热学性能”
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玻璃的弹性模量可用加和法则进行近似计算。
3 弹性模量与热处理的关系 退火玻璃的弹性模量大于淬火玻璃（因退火玻璃 的密度大，结构牢固）。 4 弹性模量与温度的关系 大多数硅酸盐玻璃的弹性模量随温度的上升而 下降（因离子间距增大，相互作用力降低；高 温时质点热运动动能增大）。
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常见的氧化物对弹性模量的提高顺序是： CaO > MgO > BaO>Fe2O3>Al2O3>BaO>ZnO>PbO 同一氧化物处于高配位时，其弹性模量要比低配位 时大。玻璃中引入离子半径小的极化能力强的离子 （Li+，Be2+，Mg2+，Al3＋等）则提高弹性模量。 在钠硼硅玻璃中，有硼反常现象。铝硼硅酸盐 玻璃中，有硼铝反常现象。 Na2O或K2O↓弹性模量，PbO不起作用。
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裂纹扩展速度
0.4
0.6
E
弹性模量
密度
3 影响强度的主要因素（掌握） 1）化学键与化学组成 玻璃的键强包括各种键的强度及数目。 键强大，机械强度好。 结构网络紧密，强度好。
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th 10
原因
10
1.5 10 Pa
10
玻璃的脆性、玻璃表面微裂纹、玻璃内 部不均匀区及缺陷造成应力集中。 表面微裂纹急剧扩展。
据测定1mm2玻璃表面上约有300个微裂纹，深约5 微米，宽0.01～0.02微米，光学显微镜分不出来。
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2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）
裂纹源形成：玻璃由于内部缺陷、表面反应、表面损 伤等影响，在其内部和表面形成了各种 缺陷 裂纹源。
裂纹扩展
在裂纹的尖端处存在着应力集中 裂纹扩展的动stry & Materials Science
1 理论强度与实际强度（掌握） 2 玻璃材料的缺陷及其裂纹的扩展（熟悉）
3 影响强度的主要因素（掌握） 耐压 抗折 抗张 抗冲击
玻璃的机械强度
玻璃的机械强度特点：硬度高、耐压、抗折 抗张不高、脆性大。
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第4章 玻璃的力学性能及热学性能
4.1 玻璃的力学性质
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.1 玻璃的机械强度（掌握） 玻璃的弹性（熟悉） 玻璃的硬度和脆性（熟悉） 玻璃的机械强度（掌握）
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6）应力
玻璃的残余应力，在多数情况下分布不均匀， 将导致其强度大大下降。 4.1.2 玻璃的弹性（熟悉）
1
概念
弹性：材料在外力作用下发生变形，当外力去 掉后恢复原来形状的性质。
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塑性：材料在外力作用下发生变形，如外力去掉 后仍停留在完全或部分变形状态。
应力
玻璃的弹性 2
弹性模量E E
相对的纵 向变形
弹性模量与成分的关系 与组成、结构、键强之间的关系与强度类似。 结构紧密，弹性模量高。
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4）活性介质 作用 渗入裂纹，象楔子一样使裂纹扩展 起化学作用，使结构破坏 水、酸、碱、某些盐类 5）温度 低温时，温度升高，强度下降（裂纹端部分子的热 运动起伏现象增加，积聚能量使键断裂）200℃时， 强度为最低。 高温时，强度增加（产生塑性变性，抵消部分应力）
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一般情况下，CaO、BaO、B2O3(15%)、Al2O3、 ZnO能加强网络结构，对强度有提高作用。 MgO、Fe2O3对强度作用不大。 常见的氧化物对抗张强度的提高作用是： CaO > B2O3 > BaO > Al2O3 > PbO > K2O > Na2O > (MgO、Fe2O3) 常见的氧化物对耐压强度的提高作用是： Al2O3>SiO2,(MgO,ZnO)＞B2O3>Fe2O3 >(PbO,CaO )
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2）微不均匀性 玻璃中都存在着微相和微不均匀结构，相邻两 相间成分不同且结合力弱，膨胀系数不一样，易 产生应力，强度下降。 3）宏观和微观缺陷 缺陷处应力集中，导致裂纹产生与扩展。
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机械强度用玻璃所能承受的最大应力表示。 1 理论强度与实际强度（掌握） 理论强度：从不同理论角度来分析玻璃所能 承受的最大应力。
奥鲁凡（Orowan)假设
th xE
弹性模量
理论强度
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