第六章玻璃成分设计
③符合绿色制造概念 尽量不用或少用对环境有害的成分，如 Pb、Hg、F等，但目前还很难做到理想。 ④符合熔制、成形、退火等工艺要求 ⑤原料质量的稳定和供应 原料易得，成本低，玻璃价格低。
具体地 •首先：根据玻璃制品的物理-化学性能和工艺 性能，选择合适的氧化物系统，确定３-４种总量达 ９０％左右的主要氧化物含量。利用相图或玻璃形 成区图选择组成点时，组成点接近低共熔点或相界 线，远离析晶区，以降低玻璃的析晶倾向。 •此外：还加入一些赋予玻璃必要性质而不使 玻璃主要性质变差的氧化物，使其组成氧化物在５６种以上。这里须结合各种氧化物的作用，以及双 碱效应、硼反常、铝反常等知识。 •最后：还应当考虑加入适当的辅助原料如澄 清剂、助熔剂等。
④原子分数（原子百分数） 如Ge22As20Se58、Ge20Sb15Se65 •主要用于特种玻璃组成的表示。 ⑤阳离子相对分数：每种阳离子与氧离子的原子比
f Me
Me的 原 子 数 量 O的 原 Байду номын сангаас 数 量
⑥硅酸盐摩尔分数：玻璃中硅酸盐所占的摩尔分数
如：摩尔比为Na2O • CaO • 3SiO2的玻璃成分，可形成 Na2Si2O5和CaSiO3的硅酸盐，则其硅酸盐摩尔分数 为0.5Na2Si2O5 • 0.5CaSiO3的 •只适用于硅酸盐，且简单的成分系统，故不常用。
2．玻璃成分设计
（1）玻璃成分设计原则
①设计的玻璃性能达到要求 根据组成、性质和结构的关系 ②玻璃成分体系稳定可靠 •设计的组成能形成玻璃而析晶倾向小。 •以玻璃形成图为依据时，透明玻璃成分要在玻璃形 成区内。 •以相图为依据时，玻璃成分应位于相图中相交界线 和低共熔点附近。 还要考虑玻璃是否容易分相和析晶的问题， 微晶玻璃应获得要求的晶相和形貌
叶 巧 明 教 授
玻 璃 工 艺 学
第六章 玻璃成分设计
(一)玻璃成分概述 １．玻璃成分表示方法
①质量分数
最常用方法
mi wi 100 mi
式中：wi——玻璃成分i的质量分数，%； mi——玻璃成分i的质量； Σmi——玻璃中所有成分质量的总和。 •质量分数表示法与玻璃性质间不存在线性关系。
3
②摩尔分数：玻璃组成中每种成分的摩尔含量
ni xi 100 ni
式中：xi——玻璃成分i的摩尔物质量分数，%； ni——玻璃成分i的物质的量； Σni——玻璃中所有成分物质的量的总和。 •在研究玻璃成分与性质关系时，常采用摩尔分数。 ③摩尔比 先将玻璃成分中各成分的量换算成物质的量，再 列出相互之间物质的量的比例 如：Na2O • CaO • 3SiO2 优点：可预测玻璃的性质 •在探讨不同成分对玻璃性质影响时，常用摩尔比法。
②玻璃成分计算机辅助设计（自学） •计算机模拟设计 全面试验法： 按照用途提出性能要求→根据经验选择成分数 目和大致范围→根据成分—性质数学模型计算→选 出适合要求的成分 正交试验法： 根据正交试验表，选择选择计算次数。其他 与全面试相同。 此法可以减少计算工作量。 •玻璃成分计算机优化设计 •利用数据库进行玻璃成分设计 （3）玻璃性能计算（自学）
（2）玻璃成分设计方法
经验设计、计算机辅助设计 ①玻璃成分经验设计 •提出设计玻璃的性能要求 根据玻璃制品使用要求，列出以下主要性能 要求： 膨胀系数、软化点、热稳性、化稳性、机械强度 、电学性质、光学性质等以及如熔制温度、成形温 度、退火温度等工艺性能。
•拟定玻璃的组成
一般有两类情况： 对于玻璃新成分的确定： 有关相图 选择玻璃组成点，拟定玻璃组成； 玻璃形成区图 对于已有成分作局部调整： 首先：根据性能要求，参考已有成分，结合生 产条件，调整玻璃中各氧化物的比例，拟定出原始 组成； 然后：按照有关性质计算公式算出主要性质， 并与预期要求对照，不符和要求时，反复调整组成 ，最终拟定玻璃的组成。 •实验、测试、确定组成 经反复试验、性能测试后确定合理的玻璃组成。
玻璃制备的课程设计
玻璃制备的课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解玻璃的组成、性质及制备原理，掌握玻璃制备的基本流程。
2. 学生能了解玻璃在不同领域的应用，认识到玻璃在科技、生活中的重要性。
3. 学生掌握玻璃制备过程中的关键参数及其影响，能够分析并优化制备工艺。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，独立完成玻璃制备的实验操作，提高实验技能。
2. 学生能够通过实验数据分析，解决制备过程中出现的问题，培养解决问题的能力。
3. 学生能够通过小组合作，进行实验设计和改进，提高团队协作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对玻璃制备产生兴趣，培养探究精神和创新意识。
2. 学生在实验过程中，学会尊重事实，遵循科学规律，树立正确的科学态度。
3. 学生认识到玻璃制备在环境保护、资源利用等方面的重要性，培养社会责任感和环保意识。
课程性质：本课程为化学学科实验课，结合理论知识和实践操作，旨在帮助学生深入理解玻璃制备过程，提高实验技能和科学素养。
学生特点：本课程针对初中年级学生，他们对实验充满好奇，具有一定的动手能力，但理论知识相对薄弱。
教学要求：结合学生特点，课程注重理论与实践相结合，以实验为主线，引导学生主动探究，培养其科学思维和实验技能。
通过具体的学习成果分解，使学生在课程结束后能够达到上述课程目标。
二、教学内容1. 玻璃的基本知识：包括玻璃的组成、性质、分类及制备原理，对应教材第三章第一节。
- 玻璃的组成和性质：硅酸盐、氧化物等成分对玻璃性质的影响。
- 玻璃的分类：钠钙玻璃、硼硅玻璃等不同类型的玻璃及其应用。
2. 玻璃制备工艺：包括熔融法、溶胶-凝胶法等制备方法，对应教材第三章第二节。
- 熔融法：介绍熔融法制备玻璃的原理、设备及操作步骤。
- 溶胶-凝胶法：介绍溶胶-凝胶法制备玻璃的原理、特点及实验操作。
3. 玻璃制备实验：设计实验，让学生亲自动手操作，体验玻璃制备过程，对应教材第三章实验部分。
- 实验一：熔融法制备玻璃实验。
玻璃工艺学复习资料
玻璃⼯艺学复习资料第⼀章玻璃的定义与结构1、解释转变温度、桥氧、硼反常现象和混合碱效应。
转变温度：使⾮晶态材料发⽣明显结构变化，导致热膨胀系数、⽐热容等性质发⽣突变的温度范围。
⾮桥氧：仅与⼀个成⽹离⼦相键连，⽽不被两个成⽹多⾯体所共的氧离⼦则为⾮桥氧。
桥氧：玻璃⽹络中作为两个成⽹多⾯体所共有顶⾓的氧离⼦，即起“桥梁”作⽤的氧离⼦。
硼反常性：在钠硅酸盐玻璃中加⼊氧化硼时，往往在性质变化曲线中产⽣极⼤值和极⼩值，这现象也称为硼反常性。
混合碱效应：在⼆元碱玻璃中，当玻璃中碱⾦属氧化物的总含量不变，⽤⼀种碱⾦属氧化物逐步取代另⼀种时，玻璃的性质不是呈直线变化，⽽是出现明显的极值。
这⼀效应叫做混合碱效应。
2、玻璃的通性有哪些？各向同性；⽆固定熔点；介稳性；渐变性和可逆性；①.各向同性玻璃态物质的质点总的来说都是⽆规则的，是统计均匀的，因此，它的物理化学性质在任何⽅向都是相同的。
这⼀点与液体类似，液体内部质点排列也是⽆序的，不会在某⼀⽅向上发现与其它⽅向不同的性质。
从这个⾓度来说，玻璃可以近似地看作过冷液。
②.⽆固定熔点玻璃态物质由熔体转变成固体是在⼀定温度区域（软化温度范围）内进⾏的，（从固态到熔融态的转变常常需要经历⼏百度的温度范围），它与结晶态物质不同，没有固定的熔点。
③.介稳性玻璃态物质⼀般是由熔融体过冷⽽得到。
在冷却过程中粘度过急剧增⼤，质点来不及作有规则排列⽽形成晶体，因⽽系统内能尚未处于最低值⽽⽐相应的结晶态物质含有较⾼的能量。
还有⾃发放热转化为内能较低的晶体的倾向。
④.性质变化的渐变性和可逆性玻璃态物质从熔融状态到固体状态的过程是渐变的，其物理、化学性质变化是连续的和可逆的，其中有⼀段温度区域呈塑性，称“转变”或“反常”区域。
3、分别阐述玻璃结构的晶⼦学说和⽆规则⽹络学说内容。
答：（1）玻璃的晶⼦学说揭⽰了玻璃中存在有规则排列区域，即有⼀定的有序区域，这对于玻璃的分相、晶化等本质的理解有重要价值，但初期的晶⼦学说机械地把这些有序区域当作微⼩晶体，并未指出相互之间的联系，因⽽对玻璃结构的理解是初级和不完善的。
玻璃配方组成设计与管理
玻璃配方组成设计与管理何旭远(五粮液集团环球有限公司,宜宾644007)摘要:玻璃配方组成对产品的理化性质、生产成本和工艺控制均会产生重大的影响,组成设计不当,不但会造成产品质量下降、废品增加、成本提高,而且会给熔制、成形、退火等工艺控制带来严重后果,甚至无法生产,企业的经济效益和信誉将受到极大的损害。
文章主要介绍了配方组成优化设计的原理、计算机模拟设计方法、配方的计算、组成的监控与调整。
关键词:玻璃配方;新品开发;组成设计与管理Design of Glass Formula Composition and ManagementHE X u-yuan(T echnology R&D Center of G lobal Gr oup Co,L td.Wuliang ye Group,Y ibin644007,China)Abstract:Glass formula co mposition has significant impact on physical and chemical properties,production cost and pro-cess control.If composition desig n is not adequate,it shall result in low product quality,reject incr ease and cost rise,and also shall bring ser ious consequence to process control,such as melting,forming,annealing,etc,and even product ion stop,caus-ing serious damage to enterpr ise economic benefit and credit.T his article introduces the pr inciple of formula composition opt-i mizing design,metho d of computer simulation design,calculation of formula,monitoring and adjustment of composition. Key words:glass formula;new product development;composition design and manag ement根据经验、配方,凭直觉建立经验规则的经验性配方设计将使得企业面临2个致命的问题:一是无法将顾客对产品的要求转化为玻璃的性质要求,进而根据性质设计出合理的配方来满足顾客要求。
玻璃成分设计与调整(二)
维普资讯
玻 璃成 分 设 计 与 调 整 二 ） （
王承遇 ， 陶 瑛
大连 １６０ ｔ０ １
（ 大连轻工业学院玻璃及无机新材 料研究所 ， 辽宁
文章 编号 ：０ ０ ８ １２０ ） ２ ０ ５ ０ １０ —２ ７ （０ ２ ０ — ０ ９— ５
玻璃成分的设计与调整很难明确区别， 按照“ 辞海” 的定义 ， 设计是根据一 定 的目的和要求 ， ・ 预先指定方 案、 图样等； 而调整是指重新调配和安排， 使适合新 的情况和要求 。根据上述定 义， 找们可 以理解成设刮是从 无到有 ， 而调整则是在现有基础上重耘安排 。但实际中 ， 玻璃成分的设计常常在前人或设计者拥有的现成成
ｔ
收稿 日期 ：０ １ ２０ 一加 一∞
玻 璃 与搪 瓷
２０ 年 ０２
３ ０卷 ２期
・５ ９
维普资讯
品种 、 同色泽 的玻 璃产 品对 透明度 的要 求 是不相 同的 ， 不 而玻 璃成分 中铁 含 量与透 明度之 间有 如 下关 系 ：
Ｃ＝Ｄ ｅ ／ｌ （ ２一１ ）
分 的基础 上加 以局 部变 化 ， 以两者很 难区分 清楚 。 所
２ 玻璃 成 分 的 设 计 方法
玻璃成分设计方法可分为传统设计方法 、 计算机辅助设汁法和计算机优化设 计法 。
２ １ 传 统玻璃 成 分设 计
第六章玻璃成分设计
3
②摩尔分数：玻璃组成中每种成分的摩尔含量
ni xi 100 ni
式中：xi——玻璃成分i的摩尔物质量分数，%； ni——玻璃成分i的物质的量； Σni——玻璃中所有成分物质的量的总和。 •在研究玻璃成分与性质关系时，常采用摩尔分数。 ③摩尔比 先将玻璃成分中各成分的量换算成物质的量，再 列出相互之间物质的量的比例 如：Na2O • CaO • 3SiO2 优点：可预测玻璃的性质 •在探讨不同成分对玻璃性质影响时，常用摩尔比法。
2．玻璃成分设计
（1）玻璃成分设计原则
①设计的玻璃性能达到要求 根据组成、性质和结构的关系 ②玻璃成分体系稳定可靠 •设计的组成能形成玻璃而析晶倾向小。 •以玻璃形成图为依据时，透明玻璃成分要在玻璃形 成区内。 •以相图为依据时，玻璃成分应位于相图中相交界线 和低共熔点附近。 还要考虑玻璃是否容易分相和析晶的问题， 微晶玻璃应获得要求的晶相和形貌
（2）玻璃成分设计方法
经验设计、计算机辅助设计 ①玻璃成分经验设计 •提出设计玻璃的性能要求 根据玻璃制品使用要求，列出以下主要性能 要求： 膨胀系数、软化点、热稳性、化稳性、机械强度 、电学性质、光学性质等以及如熔制温度、成形温 度、退火温度等工艺性能。
•拟定玻璃的组成
一般有两类情况： 对于玻璃新成分的确定： 有关相图 选择玻璃组成点，拟定玻璃组成； 玻璃形成区图 对于已有成分作局部调整： 首先：根据性能要求，参考已有成分，结合生 产条件，调整玻璃中各氧化物的比例，拟定出原始 组成； 然后：按照有关性质计算公式算出主要性质， 并与预期要求对照，不符和要求时，反复调整组成 ，最终拟定玻璃的组成。 •实验、测试、确定组成 经反复试验、性能测试后确定合理的玻璃组成。
③符合绿色制造概念 尽量不用或少用对环境有害的成分，如 Pb、Hg、F等，但目前还很难做到理想。 ④符合熔制、成形、退火等工艺要求 ⑤原料质量的稳定和供应 原料易得，成本低，玻璃价格低。
玻璃工艺学复习材料
玻璃工艺学复习重点第一章绪论狭义的玻璃定义为：玻璃是一种熔融物冷却、凝固的非结晶（在特定条件下也能成为晶体）无机物质，是过冷的液体。
广义的玻璃定义是：结构上完全表现为长程无序的、性能上具有玻璃转变特性的非晶态固体。
玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体。
玻璃具有如下的特性：1、各向同性；2、无固定熔点；3、亚稳性（介稳性）4、变化的可逆性；5、可变化性。
晶子学说是由门捷列夫于1921年提出的。
晶子学说的成功之处在于它解开了玻璃是我微观结构不均匀性和近程有序的结构特性。
无规则网络学说：其排列是无序的，缺乏对称性和周期性重复，因而其内能大于晶体。
无规则网络学说宏观上强调了玻璃中多面体相互排列的连续性，统计均匀性和无序性。
晶子学说以玻璃结构的近程有序为出发点，而无规则网络学说则强调了玻璃结构的连续性、统计均匀性和无序性。
准晶是具有准周期平移格子构造的固体，其中的原子常呈定向有序排列，但不做周期性平移重复，其对称要素包含与晶体空间格子不相容的对称（如5次对称轴）。
液晶：在一定温度范围出现液晶相，在较低温度为正常传晶的物质。
从宏观物理性质看：液晶既有液体的可流动性、粘滞性，又具有晶体的各向异性。
从微观结构上看，晶体具有一定的长程有序性，即分子按某一从优方向排列，这是其物理性质各向异性的主要原因。
然而，液晶又是平移无序或部分平移无序的，因而也具有某些类似液体的性质。
网络形成体（玻璃形成体）氧化物能单独形成玻璃。
网络外体（玻璃整体）氧化物不能单独形成玻璃。
网络中间体（玻璃中间体）氧化物一般不能单独生成玻璃。
第二章玻璃的主要性质粘度是度量流体粘性大小的物理量。
粘度的物理意义是指面积为A的两平行液层，以一定的速度梯度dv/dx移动时需要克服的摩擦力。
石英颗粒的溶解、扩散速度加快，有利于玻璃的快速形成。
在璃的澄清过程中，气泡在玻璃液中的上升速度与玻璃液的粘度成反比。
在玻璃的均化过程中，不均质体的扩散速度也与玻璃的粘度成反比关系，因此玻璃粘度的降低，可加速不均物质和气泡的扩散，加快玻璃液的均化过程。
无机非金属工艺学玻璃组成设计与配料计算
b、调整体 (或网络外体)
凡不能单独生成玻璃，一般不进入网络而是处于网络之外 的氧化物，称为玻璃的网络外体。
作用：调整玻璃一些性质。常见的有Li2O、Na2O、K2O、 MgO、CaO、SrO和BaO等。
II、无规则网络学说
查氏把离子结晶化学原则和晶体结构知识推演到 玻璃态物质，描述了离子—共价键的化合物，如熔融 石英、硅酸盐和硼酸盐玻璃。
核心观点： 查氏提出[SiO4]为硅酸盐玻璃的最小结构单元。玻
璃中的这种结构单元或者说键状态与晶体类似，构成连 续的三度空间网络，只是[SiO4]四面体不像在结晶化合 物中那样相互对称均匀地排列，缺乏对称性和周期性的 重复。
I、晶子学说
1930年兰德尔提出。
依据：微晶无序，即一些玻璃的衍射花样与同成分的晶体 相似，认为玻璃由微晶与无定形物质两部分组成。
证实：列别捷夫发现，硅酸盐光学玻璃的退火时玻璃折射 率随温度的变化曲线上在520℃附近的发生突变，他认为这 是石英微晶在520℃的同质异变。玻璃中存在石英“晶子”。
(a)硅氧四面体结构
玻璃调整体的一般特点：
M-O键是离子键；
阳离子给氧能力强，在玻璃结构中，往往起断网作用； 阳离子场强越小、则给氧能力越大，反之，给氧能力越 小； 阳离子(特别是高电价、小半径的阳离子)的场强较大时， 可对非桥氧起积聚作用，使结构变得较为紧密而在一定程度 上改善玻璃的性质，但对玻璃的析晶也有一定的促进作用，
三、设计玻璃组成应注意的原则
1、根据组成，结构和性质的关系，使设计的玻璃能满足 预定的性能要求。
玻璃成分设计与调整(一)
ｌ 玻 璃成分设 计 的原 理
１ １ 玻璃成分设计的重要性 ．
玻璃成分对玻璃材料或产品的功能 、 性质和成本均产生重大 的影 响， 如特硬质 仪器玻璃根据使用 条件 ， 要求玻璃线膨胀系数为（ ２ ３ ） １ ～， ３ — ３ × ０ 此时必需设计低碱高 硅的玻璃 成分， 以达 到玻 璃制品的性质和功能
的 要求 。
玻璃成分不仅决定 了玻璃制品的性质和功能 ， 而且很大程度上还决定 了成本。如特 种玻璃成分 中按照 性质要求 ， 需引人稀土元素 成分， 价格昂贵 ， 在设计成分时选用性质相近的其他成分代替稀土元素 ， 则可降低 成本 。所 以成 分设计不 当， 会造成产 品质量下降 ， 品增加 ， 废 成本 提高。 玻璃成分与生产工艺也有密切关系 ， 通常根据设计的成分来选择生产工 艺， 但对 于已确定 的生产 工艺 ， 则需根据生产工艺来选择相应的玻璃成分。玻璃成分设计不合适 ， 会使熔制 、 形困难 ， 成 退火不 良， 严重 时无 法进行生产 。例如用池窑连续生产矿渣微晶玻璃板材 时， 玻璃成 分设计不妥 ， 池窑的某 些部位 可能产生整 在 体析 晶， 此时只得停止生产 。其 他玻 璃品种也有 因析晶而影响生产的， 不过不象 矿渣微晶玻璃那 样严 重。至 于玻璃成分设计不 当， 造成熔 化困难 ， 熔制时发生结 石、 条纹 、 泡等缺陷 ， 际生产 中时有发生 。所 以一般 气 实 情况下根据设计 的玻璃成分来制定生产工艺， 但对于生产工艺已确定的工厂 ， 则根据生产工艺来 选择与其相
一
． 卜、、
Ｏ
Ｉ
图１ —１ 玻璃形成物 、 调整物在周期表上位置
组成 图中用曲线画出形成玻璃区域 ， 图不同于相 此 图， 仅指 出了能形成玻璃 的区域 ， 未指 出结 晶相及结晶温度 ， 并 由于实验方法不 同， 所得结果也 稍有差异 ， 但 主要的形成 区域不同学者 研究 是相 同的。 图 １ 为 Ｎ Ｏ—ＥＯ— ｉ 玻璃形成范 围， 为玻 —２ ａ Ｓ １ 璃形成范围线 ， 以上 成分可成 玻璃 ， 为 玻璃制 造范 线 ２ 围 ， 为古代玻璃 成分范 围， ３ ４为低共熔物 。由此可知 ， 钠钙玻璃实用 成分 范围为 ｓ ６ ％ 一８ ％， ａ ％ 一 ｉ ０ ０ ＣＯ ５
玻璃成分设计
其实上面三点是共同制约的，玻璃的料性同粘度、表面张力、机械强度是相互关系的，所以需合理配制。
玻璃配料
一、 玻璃成分设计（钠钙硅、钙铝硅[耐热]、硼硅酸盐[仪表]、铅晶玻璃等）
玻璃成分是决定玻璃物理、化学性质的主要因素，玻璃成分设计要考虑的主要方面
为：
1、成分和性质与结度、弹性、机械强度及化学稳定性。
2、所设计的玻璃成分必须形成玻璃，不能有析晶倾向，选择的成分要尽可能接近的共熔点，尽量满足低熔、低析晶倾向的要求。
华师大版八年级上册科学第六章第5节固态物质(课件25)
可制作：各种切割工具、钻探用的钻头等， 掺杂质的金刚石还是半导体，宝石级的金刚石称为钻石。
金刚石钻头
牙医钻头
钻石
金刚石和石墨比较
石墨和金刚石都是由碳元素组成的单质。 它们的物理性质相差很大，但化学性质相同。
是什么原因造成它们的 物理性质相差这么大？
三、石墨与金刚石性质差异的原因
颜色 熔点（℃） 沸点（℃）
金黄色
1064
2807
紫红色
1083
2567
银灰色
1535
2750
无色
˃3500
4827
黑色 3652（升华） 4827
白色 900（分解）
-
银白色
-39
357
无色
0
100
无色
-117.3
78.5
无色
-56.2
-78.44
无色
-218.4
-182.9
无色
-259.1
-252.8
三、石墨与金刚石
石墨是由碳元素组成的晶体单质。
石墨（C）
石墨黑灰色的不透明的晶体。 质软、滑腻，轻轻摩擦便留下痕迹。 石墨的导电性能良好。化学性质非常稳定。
可制作：铅笔芯、电极、电刷、润滑剂等。
笔芯
石墨电极
三、石墨与金刚石
金刚石也是由碳元素组成的晶体单质。
金刚石（C）
金刚石是无色或略带颜色的晶体。 金刚石是自然界中最硬的物质，导热性很好。点燃Biblioteka C+O2CO2
提升理解：化学性质取决于内部微粒种类。
注意：上述几种碳单质实际还是不同的物质，虽 然都是由碳原子构成，但是化学性质也并不完全 相同，而是非常类似。