第六节 玻璃的熔炼与凝固讲解
熔化与凝固课件
晶体熔化的条件：
1、温度达到熔点 2、继续吸热
非晶体：
熔化时没有固定的熔化温 度的固体叫非晶体。非晶 体没有熔点。
非晶体熔化特点：
继续吸收热量， 温度持续上升。
温度/℃
认识晶体熔化曲线：
时间/min
表示非晶体没有一个固定的熔化温度，整个过程是吸引热 量，温度持续上升。
自然界中的松香、沥青、玻璃等都是非晶体。
（摄氏度）
晶体熔化特点：
不断吸收热量， 温度保持不变。
温度/℃
D
认识晶体熔化曲线：
B
C
（1）AB段物质处
于固态，表示晶体
吸பைடு நூலகம்升温过程。 A
时间/min
（2）BC段物质处于固液共存态，表示晶体熔化过程，吸
收热量，温度不变。
（3）CD段物质处于液态，表示液体吸热升温过程。
（4）B点表示物质达到熔化温度，但没有开始熔化，物质 完全处于固态；C点表示晶体刚好完全熔化，物质处于液 态。
熔化和凝固
物质从固态变成液态的过程叫熔化。 例如：冰熔化为水、蜡烛熔化为烛滴等
物质从液态变成固态的过程叫凝固。 例如：水结冰、火山喷出的岩浆凝固成火山岩等
各组讨论： 不同物质熔化的规律一样吗？
提出问题：不同物质在由固态变成液态的熔 化过程中，温度的变化规律相同吗？
猜想假设：熔化过程中一定要加热，所以物 质一定要吸收热量。这时温度可能也是不断 上升的。
水浴加热法
优点:受热均匀 海波的颗粒越小越 好，可以和温度计 的玻璃泡充分接触
本实验还应添加 什么测量工具？
停表
1、晶体 有固定熔化温度的固体叫晶体
2、熔点 熔化时的固定温度就是 该晶体的熔点
熔化和凝固 课件
无 放热
举例
海波、冰、 萘和各种金 属
石蜡、玻 璃、橡胶、 塑料、松 香、沥青
记录数据
时间(min) 0
1
23456 Nhomakorabea7
8
9
10
…
温度(℃)
海 波 吸放热
状态
温度(℃)
蜡 吸放热
状态
记录数据
加热海波时的数据
加热石蜡时的数据
分析数据
海波熔化图像
温度
/℃ 55
D
50
B
C
45
40 A
02
46
8 10 12 14
时间/分
石蜡熔化的图像
温度 /℃
70
60
50
40 0 2 4 6 8 10 12 14
一、探究海波和石蜡的 熔化过程
提出问题：不同物质在由固态变成液态的熔化过程中， 温度的变化规律相同吗？ 猜想假设：熔化过程中一定要加热，所以物质一定要吸 收热量。这时温度可能也是不断上升的。
做一做
固体熔化实验装置
硫代硫酸钠 （或石蜡）
铁架台 铁夹 温度计 试管 烧杯 石棉网 铁圈
酒精灯
若不小心酒精洒在桌上燃烧起来，如何扑灭？
熔化和凝固
物态变化
• 物质状态分为固态、液态和气态三种。 • 固态、液态和气态在一定条件下的状态转
化叫物态变化。
火山爆发 熔化 —— 物质从固态变 成液态的过程叫做熔化。
冰山 凝固 —— 物质从液态变 成固态的过程叫做凝固。
各组讨论：
物质熔化和凝固需要什么条件？ 不同物质熔化和凝固的规律一样吗？
时间/分
实验结论：
海波的熔化特点： 海波的熔化条件： 在一定温度下熔化 熔化时吸热 熔化时温度变化情况： 不断吸热但温度不变
熔化和凝固课件
在日常生活中的应用
01 02
食品烹饪
许多食材在烹饪前需要先进行焯水或炒至半熟，这个过程涉及到物质的 熔化和凝固。如豆腐的制作，就是通过加热豆浆使其凝固成豆腐脑，再 压制成豆腐。
冰淇淋制作
冰淇淋的制作过程中，需要将原料加热至接近熔点，再通过快速冷却凝 固，形成口感细腻的冰淇淋。
03
制糖
制糖过程中，需要将甜菜或甘蔗汁加热蒸发浓缩，再结晶成砂糖。这个
熔化和凝固的应用
在工业生产中的应用
金属冶炼
熔化是将金属矿石、废金属等加 热至熔点，使其成为液态的过程。 通过熔化，可以提取出金属，如 钢铁、铜、铝等。
塑料加工
塑料的加工过程中，需要将塑料 颗粒加热至熔点，使其成为液态， 再进行注塑、挤出等成型操作。
玻璃制造
玻璃制造过程中，需要将原料加 热至高温熔融状态，再经过快速 冷却凝固，形成各种形状和用途 的玻璃制品。
凝固的物理过程
物质从液态向固态的转变
分子运动速度减慢
凝固是指物质从液态向固态的转变，需要 释放热量。
随着温度的降低，液态物质内部的分子或 原子的运动速度逐渐减慢。
分子间的平均距离变小
形成固态
随着分子运动速度的减慢，液态物质内部 的分子或原子之间的平均距离变小。
当分子或原子的运动速度减到一定程度时 ，液态物质转变为固态。
分析
通过实验观察到熔化和凝固现象，并记录了不同状态下的温 度数据。实验结果表明，熔化和凝固是物质状态变化的过程 ，需要特定的温度条件。
结论
熔化和凝固是物质状态变化的重要过程，对物质的变化和循 环具有重要意义。在实验过程中，我们了解了熔化和凝固现 象的特点和条件，为进一步研究物质状态变化奠定了基础。
玻璃熔制过程的五个阶段
玻璃的熔制过程通常分为以下五个主要阶段，每个阶段对最终玻璃质量起着至关重要的作用：
1. 原料准备
•玻璃熔制的原料主要包括硅砂（SiO2）、碱金属氧化物（如Na2O）和助熔剂（如CaO）。
原料需要经过筛分、混合、干燥等处理，确保原料均
匀并去除杂质。
通常还会加入碎玻璃（废玻璃），帮助提高熔化效率。
2. 熔化
•在熔窑中，混合好的原料在高温（1300-1500℃）下加热熔化，形成均匀的液态玻璃。
熔化过程需要较长时间，以确保所有成分充分反应，减少
气泡和夹杂物。
这一阶段至关重要，决定了玻璃的基本性质。
3. 澄清
•在熔化完成后，玻璃液需要经过澄清阶段。
此时，熔融玻璃中的气泡和未完全溶解的固体颗粒会逐渐上升并排出。
通常会通过提高温度或使用
澄清剂（如硝酸钾或硝酸钠）来加速气泡的消除。
4. 均化
•在气泡排除后，玻璃液需要均化，即通过搅拌或控制温度，使玻璃液中的各成分分布更加均匀，确保不同区域的化学成分和物理性质一致。
这
一过程能够防止玻璃内部出现成分不均或结构缺陷。
5. 成形与退火
•成形：玻璃液冷却至适当温度后，会进行成形，常见的成形方法包括浮法（用于生产平板玻璃）、吹制法（用于生产瓶子、玻璃器皿）等。
•退火：成形后的玻璃需要经过退火炉进行缓慢冷却。
退火过程可以缓解玻璃内部的应力，防止玻璃在冷却过程中因热应力而开裂。
这五个阶段共同作用，确保玻璃的结构完整性、透明度和机械性能。
材料工程基础课件-第一章(6节) 玻璃的熔炼与凝固
2.2 学说要点：
(1)形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的三维空间 网络。
(2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规 律的发展而构筑起来的。
(3)电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大的变性离 子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变价离子则有一定的 配位数。
❖ B.化学钢化玻璃
❖ 化学钢化玻璃采用离子交换法进行钢化，其方 法是将含碱金属离子钠 (Na＋)或钾 (K ＋)的硅 酸盐玻璃浸入熔融状态的锂(Li ＋)盐中，使钠 或钾离子在表面层发生离子交换，使表面层形 成锂离子的交换层。
❖ 当冷却到常温后，玻璃便处于内层受拉应力、 外层受压应力的状态，其效果与物理钢化相似， 因此提高了应用强度。
性
Tg ：玻璃形成温度，又称脆性温度。
质
它是玻璃出现脆性的最高温度，由于
在这个温度下可以消除玻璃制品因不
均匀冷却而产生的内应力，所以也称
退火温度上限。
Tf ：软化温度。它是玻璃开始出现
液体状态典型性质的温度。也是玻璃
Tg
Tf
温度
可拉成丝的最低温度。
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
(4)氧化物要形成玻璃必须具备四个条件：
A、每个O最多与两个网络形成离子相连。
B、多面体中阳离子的配位数≤4。
C、多面体共点而不共棱或共面。
D、多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。
2.3 评价
(1) 说明玻璃结构宏观上是均匀的。解释了结构上是远程无 序的， 揭示了玻璃各向同性等性质。
玻璃的熔化和淬火工艺
玻璃的熔化和淬火工艺玻璃是一种非晶态的无机材料，其具有高硬度、透明度高、耐高温等优点。
玻璃的熔化和淬火工艺是制备玻璃制品的重要过程，下面我将详细介绍玻璃的熔化和淬火工艺。
首先，我们来看一下玻璃的熔化工艺。
玻璃的原材料主要包括硅酸盐、碱金属氧化物、碱土金属氧化物等。
这些原材料按照一定比例混合后，放入大型电炉中进行熔化。
炉内的温度通常在1000以上，使原材料迅速熔化并混合均匀，形成玻璃熔液。
在熔化过程中，玻璃熔液需要经历一个退火过程，即将熔液加热到一定温度，然后缓慢冷却。
这是因为在熔化过程中，玻璃内部会产生一些微小的压力或应力，通过退火可以有效地消除这些内部应力，改善玻璃内部结构的稳定性。
玻璃的熔化温度通常很高，达到几百度甚至几千度，因此需要采用特殊的炉内材料和高温耐火材料来保证炉的正常运行。
同时，由于玻璃熔液是一种高粘度流体，容易粘附在炉内，因此熔化工艺中需要定期清理炉内的玻璃余渣，保持炉内环境的清洁。
熔化完成后，接下来是玻璃的淬火工艺。
淬火是指将玻璃制品迅速冷却，使其表面形成高压层，内部形成低温应力，从而使玻璃增加硬度和强度。
淬火可以有效地改善玻璃的物理性质，使其耐冲击性、耐磨性等得到提高。
淬火过程中，玻璃制品通常通过注入冷却介质或将其置于淬火槽中进行冷却。
常见的淬火介质包括冷水、冷油等。
选择合适的淬火介质主要根据制品的大小和形状来决定，以确保玻璃能够均匀冷却，并且不会产生应力集中。
淬火工艺需要严格控制冷却时间和温度，过快或过慢的冷却都会对玻璃的性能产生不良影响。
过快的冷却会导致玻璃内部应力过大，使其易碎；而过慢的冷却则会使玻璃保留部分受热时产生的高温应力，从而影响玻璃的表面质量和强度。
除了以上的熔化和淬火工艺，玻璃制品的生产还涉及其他工艺，如成型、抛光等。
成型工艺包括玻璃的注射成型、热成型、吹制等方式，这些成型方式能够按照不同的需求制作出各种形状的玻璃制品。
抛光则是通过机械或化学方法消除玻璃表面的细小瑕疵，提高其表面光洁度。
玻璃的熔制过程及玻璃的形成
玻璃的熔制过程及玻璃的形成玻璃的熔制过程及玻璃的形成一：玻璃的熔制过程。
在玻璃生产过程中，配和料经过加热形成玻璃的过程称为玻璃的熔制过程。
玻璃的熔制是玻璃生产过程中的重要阶段，熔制的质量和速度决定着产品的质量和产量。
玻璃的熔制过程大体分为以下五个阶段：1．硅酸盐的形成阶段；配合料约在800~1000度的温度作用下，发生一系列的物理化学变化，如水分的分解蒸发、盐类的分解、多晶转变，组分熔化及石英砂与其它组分之间进行固相反应，使配合料变成由硅酸盐和游离二氧化硅组成的不透明的烧结体物。
2．玻璃液的形成阶段；配合料加热到1200度时，形成各种归硅酸盐，出现一些熔融体还剩下一些未起变化的石英颗粒，继续升高温度时，硅酸盐和石英砂完全熔于熔融体中，成为可见大量气泡的在化学成分和温度上都不够均匀的透明玻璃。
3．玻璃的澄清阶段：在玻璃液形成阶段结束后，整个熔融体包含许多气泡，从玻璃液中除去肉眼可见的气体夹杂物，消除玻璃液中气孔组织的阶段称为澄清阶段，因为玻璃液的黏度随温度升高而降低，因此高温有利于玻璃的澄清，这个阶段玻璃液的温度约为1400度左右。
4．玻璃的均化阶段：玻璃液形成后，其化学成分和温度都不均匀，为消除不均匀性，需要进行均化，它与澄清过程在一起，没有明显的界限，可以看成是边澄清边均化，均化阶段的结束往往在澄清阶段之后，高温有利于玻璃的均匀均化。
5．玻璃液的冷却阶段：澄清均化后的玻璃液，温度高、粘度低，不适合玻璃成型，需要均匀冷却到成型温度，根据成型方法的不同，成型温度比澄清温度低200~300度。
二：玻璃的成型：是熔融的玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过程，玻璃必在一定的温度范围内才能成型，成型时，玻璃液除作机械运动之外，还同周围的介质进行连续的热传递，由冷却到硬化，玻璃液首先由粘性液态转变为可塑态，然后再转变为脆性固态玻璃。
玻璃的熔制过程
Na2SO4分解比较困难，所以必须在有碳或其它还原剂存在时，才能加速反应。 SiO2+Na2SO4+CaCO3+C配合料加热发生的反应过程如下：
硅酸盐形成和玻璃形成 4. 四组份配合料的硅酸盐和玻璃形成
SiO2+Na2SO4+CaCO3+MgCO3配合料
这种配合料的玻璃化学组成为：SiO2 72.59%，CaO 8.63%，MgO 3.55%， Na2O 15.23%。在加热过程中硅酸盐形成与玻璃形成的反应过程如下：
气泡的大小和玻璃液的粘度是气泡能否漂浮的决定因素.在等温等压下， 玻璃液中气泡变大有两种可能：
(a)多个小气泡集合为一个大气泡(在实际的澄清过程中不会发生)；
(b)玻璃液中溶解的气体渗入气泡，使之扩大，这种因素具有重要的实际意 义。
玻璃液的澄清和均化 1-1. 玻璃液的澄清——动力学过程
(2)使小气泡中的气体组份溶解于玻璃液中，气泡被吸收而消失
四、 玻璃液的冷却
冷却过程中要特别防止二次气泡的发生，二次气泡产生的原因可能有以下几种情况：
玻璃液的冷却是玻璃熔制的最后阶段，其目的是为了将玻璃液的粘度增 ⑴ 碳酸盐或硫酸盐的继续分解
⑵含钡玻璃在高温和降温时易生气泡。可能由于部分的BaO在高温下被氧化为BaO2，这个 反应是吸热的，当温度降低时，BaO2开始分解放出氧气即生成小气泡。另外，钡玻璃在降 玻璃液的性质及制品成形方法的不同，在冷却过程中玻璃液温度降低的 温时，由于玻璃液对耐火材料的侵蚀也可能会出现二次气泡。 程度也是不同的，通常降低约200~300℃。冷却的玻璃液温度要求均匀
据实验指出，将整个配合料经过最大限度地粉粹之后，玻璃形成速度大 大提高。 对熔制过程影响最大的是石英砂的颗粒度，其次是白云石、纯碱及芒硝 的颗粒度。但在实际生产中所使用的石英砂不宜太细(粉料飞扬和配合料 分层结块)，对于Na2O-CaO-SiO2系统玻璃来说，最适当的石英砂粒度一 般是在0.15~0.80mm范围内最合适。
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一、玻璃概述
1、玻璃态性质 • 晶体：质点在三维空间有规则排列近程远 程均有序。 • 非晶体：近程有序但远程无序，如：玻璃 、熔体、树脂、橡胶 • 玻璃是由熔体过冷却形成的，为无机非晶 态固体中最主要一族。 • 一般有：较高硬度，较大脆性，一定透明 度，具有物理通性（四个物理通性）
检测，晶子的含量、组成也无法得知。
（2）无规则网络学说 实验：说明： A、由于石英玻璃和方石英的特征谱线重合， 瓦伦认为石英玻璃和方石英中原子间距大致一 致。峰值的存在并不说明晶体的存在。 B、石英玻璃中没有象硅胶一样的小角度衍射， 从而说明是一种密实体，结构中没有不连续的 离子或空隙。 实验表明，玻璃物质主要部分不可能以方石 英晶体的形式存在，而每个原子的周围原子配 位对玻璃和方石英来说都是一样的。
由于转折点有差别，则玻璃形成温度Tg为 随冷却速度而变的温度范围，速度愈快， Tg也 愈大。 T<Tg 玻璃（固体） T>Tg 熔体
玻璃体无固定熔点，仅有一定范围Tg。
（4）熔融态向玻璃态转化时，化学性质连续变 化 （5）无固定熔点 玻璃态物质由熔体转变为固体是在一定温度 区间（转化温度范围内）进行的，它与结晶 态物质不同，没有固定熔点。
第一峰：是石英玻璃衍射的主峰与晶体石英 特征峰一致。 第二峰：是Na2O-SiO2玻璃的衍射主峰与偏 硅酸钠晶体的特征峰一致。
要点：玻璃由无数的“晶子”组成。所谓
“ 晶子”不同于一般微晶，而是带有晶格变
形的有序区域，它分散于无定形的介质中，
并且“ 晶子”到介质的过渡是逐渐完成的， 两者之间无明显界线。 •意义及评价：第一次揭示了玻璃的微不均匀 性，描述了玻璃 结构近程有序的特点。 •不足之处：晶子尺寸太小，无法用x－射线
（3）熔融态向玻璃态转变过程是可逆渐变的 A结晶过程 温度降至TM时，出现新相，内能与体积下 降，粘度则上升。 B玻璃化过程：折线ABKG，ABKFE所示 温度降至K、F点对应温度：溶体开始固化， 即形成玻璃体时，变化为KB所述 而KG，KFE则为形成的玻璃体，其内能与 体积随温度的变化曲线在F点转折。 K、F两点均为转折点。
硼硅酸盐玻璃的实际用途： (1) 在氧化硼玻璃中引入轻元素氧化物(BeO、Li2O)可 使快中子减慢，若引入CdO和其它稀土元素氧化物能 使中子吸收能力剧增。在核工业中有重要用途。 (2) 硼酐对于碱金属(Na、Cs)蒸汽稳定，所以含Na和 Cs的放电灯外壳用含20～55wt％B2O3的玻璃制造。放 电灯内表面还可覆盖一层含87wt％的B2O3玻璃。 (3) 特种硼酸盐玻璃的另一特性是x射线透过率高，以 B2O3为基础配方再加轻元素氧化物(BeO、Li2O、 MgO、Al2O3)所制得的玻璃，是制造x射线管小窗的最 适宜材料。 (4) 硼酸盐玻璃电绝缘性能好，而且易熔，常作为玻璃 焊剂或粘结剂。 (5)含硼的稀土金属玻璃在光学方面也有重要应用。
3、常见玻璃类型
通过桥氧形成网络结构玻璃称为氧化物 玻璃。 典型的玻璃形成的氧化物是SiO2、
B2O3、P2O5和GeO2，制取的玻璃，在实
际应用和理论研究上均很重要。
（1）硅酸盐玻璃 石英玻璃由硅氧四面体[SiO2]以顶角相连而组 成的三维网络。网络没有其晶体那样近程有 序，它是其它硅酸盐玻璃的基础。 （2）硼酸盐玻璃：B2O3是硼酸盐玻璃中的网 络形成体。层之间是分子力，是一种弱键， 所以B2O3玻璃软化温度低(450℃)，表面张力 小，化学稳定性差(易在空气中潮解) 。 一般说纯B2O3玻璃实用价值小。但B2O3是唯 一能用来制造有效吸收慢中子的氧化物玻璃， 而且是其它材料不可取代的。 B2O3与R2O、RO等配合才能制成稳定的有实 用价值的硼酸盐玻璃。
2、玻璃的结构
玻璃结构学说：晶子学说和无规则网络学说 （1）晶子学说（在前苏联较流行) 基本观点：玻璃由无数“晶子”组成，它们
分散于无定形介质中，并且“晶子”部分到无
定形部分过渡是逐步完成的，两者无明显界线，
是高分散晶子的集合体。
实验： • 1921年列别捷夫在研究硅酸盐玻璃时发现， 玻璃加热到573℃时其折射率发生急剧变化， 而石英正好在573℃发生αβ 型的转变。在 此基础上他提出玻璃是高分散的晶子的集合 体，后经瓦连柯夫等人逐步完善。 上述现象对不同玻璃，有一定普遍性。400600℃为玻璃的Tg、Tf温度。 •研究钠硅二元玻璃的 说明玻璃结构宏观上是均匀的。解释了结构上 是远程无序的， 揭示了玻璃各向同性等性质。 (2) 不足之处：对分相研究不利，不能完满解释玻 璃的微观不均 匀性和分相现象。 结论： 两种假说各具优缺点，两种观点正在逐步靠近。统 一的看法是玻璃是具有近程有序、远程无序结构特点 的无定形物质。 ①晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和有序性。 ②无规则网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、 均匀和统计性。 它们各自能解释玻璃的一些性质变化规律。
（1）各向同性 玻璃内部任何方向性质均是相同的，与液体 类似与晶体相反，与统计结果吻合，如折射率、 导电性、热膨胀系数等。 （2）介稳性 玻璃体是一种介稳态，即在低温下保留了高温 时的结构而不变化，包含有过剩内能，有析晶 可能。 热力学观点：玻璃为高能量状态必然自低能量 状态较变，即析晶。 功能学观点：室温下玻璃粘度大，较变为晶态 速率十分小，相对稳定
学说要点：
(1)形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的 三维空间网络。 (2)这种网络是由离子多面体通过桥氧相连，向三维 空间无规律的发展而构筑起来的。 (3)电荷高的网络形成离子位于多面体中心，半径大 的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变 价离子则有一定的配位数。 (4)氧化物要形成玻璃必须具备四个条件： A、每个O最多与两个网络形成离子相连。 B、多面体中阳离子的配位数≤4。 C、多面体共点而不共棱或共面。 D、多面体至少有3个角与其它相邻多面体共用。
玻璃分类 (两千余种)