[拼音]：boli

[外文]：glass

由于熔融物的過(guò)冷卻，粘度增加所得到的具有機(jī)械固體性質(zhì)的非晶態(tài)固體。玻璃包括無(wú)機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃和金屬玻璃3大類，通常僅指無(wú)機(jī)玻璃。

沿革

玻璃最初由火山噴出的酸性巖凝固而得。5000年前，人們就利用天然玻璃黑曜巖制成工具和器皿。公元前2500年，埃及人和美索不達(dá)米亞人把玻璃制成熔塊，鑿制成串珠和小容器。1000多年后，埃及開始將熔化的成分為鈉鈣硅酸鹽的玻璃覆蓋在一定形狀的砂芯上，進(jìn)行固化成型，并在玻璃器表面覆上有色玻璃熔體進(jìn)行裝飾。中國(guó)西周時(shí)期已制造了不透明的成分為鉛鋇硅酸鹽的玻璃珠等裝飾品。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，采用模壓澆注法制造了乳白色、深黃色、藍(lán)紫色、紅色、紅褐色的玻璃壁、玻璃耳??、玻璃珠等裝飾品。漢代出現(xiàn)鉀硅酸鹽玻璃，玻璃器經(jīng)朝鮮半島傳入日本。公元前200年，美索不達(dá)米亞地區(qū)首先使用玻璃吹管。后來(lái)有了較好材質(zhì)的坩堝，可將玻璃加熱到較高溫度進(jìn)行吹制，形成了玻璃器皿的吹制工藝。

1635年，歐洲人用燧石作為原料，引入氧化鉛和氧化鉀制成折射率高、色散大的鉛鉀火石玻璃。18世紀(jì)，采用吹球法、澆注法制作平板玻璃，并開始作為窗玻璃。1837年，采用高熱量逐層熔化石英晶體的方法制成石英玻璃。1880年，德國(guó)科學(xué)家O.肖特和E.阿貝研究玻璃成分與性質(zhì)關(guān)系，引入鋇、硼、鋅、鉛等一系列新的化學(xué)成分，從而出現(xiàn)一批德國(guó)耶那(Jena)玻璃品種。1914年，美國(guó)人E.C.沙利文和W.C.泰勒研究成功派萊克斯 (Pyrex)低膨脹硼硅酸鹽玻璃。1938年，美國(guó)人M.E.諾貝格和H.P.胡德研究成功并制得高硅氧玻璃。1939年，德國(guó)人E.科德斯研究磷酸鹽玻璃性質(zhì)，逐步發(fā)展了一批低折射率、低色散的氟磷酸鹽光學(xué)玻璃。1942年，美國(guó)人G.W.莫里把稀土和稀有氧化物加入硼酸鹽玻璃得到一系列高折射率、低色散光學(xué)玻璃。1947年，美國(guó)人S.D.斯圖基發(fā)明經(jīng)紫外線照射后呈現(xiàn)顏色的感光玻璃；1957年，斯圖基又發(fā)明在特定玻璃成分中加晶核劑，經(jīng)熱處理使析出晶核繼而誘析主晶相，形成微晶玻璃。1964年，美國(guó)人W.H.阿米斯特德和斯圖基研究成功隨光照強(qiáng)度發(fā)生明暗變化的含鹵化銀的光色互變玻璃。

現(xiàn)在玻璃已成為日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中極為重要的材料。

基本概念

任何固態(tài)物質(zhì)都可能以兩種不同的形式存在，即結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)。由熔融的液態(tài)冷卻形成的無(wú)定形態(tài)稱玻璃態(tài)。玻璃即是一種玻璃態(tài)物質(zhì)。

玻璃態(tài)

玻璃態(tài)與結(jié)昌態(tài)不同，它的質(zhì)點(diǎn)的排列僅在短距離內(nèi)呈規(guī)則性，超過(guò)一定距離，排列的規(guī)則性便逐漸消失而成為無(wú)規(guī)則性，即各向同性。因此，玻璃態(tài)在不同方向上具有相同的性質(zhì)。且玻璃態(tài)具有較高的內(nèi)能，是一種介穩(wěn)狀態(tài)，在一定條件下可自動(dòng)析出結(jié)晶。結(jié)晶過(guò)程總是放熱的。從熔融體冷卻時(shí)的體積-溫度(V–T)曲線（圖1）可明顯看出玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)的差別。熔體從A點(diǎn)冷卻時(shí)，體積逐漸減小(A-M線)。當(dāng)溫度降到熔點(diǎn)T_m時(shí)，如發(fā)生析晶，則體積急劇縮小，而溫度不變（M-C線），物質(zhì)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w；再進(jìn)一步冷卻，體積緩慢收縮（C-C′線），按AMCC′線凝固成結(jié)晶態(tài)。如熔體冷卻速度過(guò)快，到M點(diǎn)時(shí)不析出晶體，而沿M-G連續(xù)變化，成為過(guò)冷液體;溫度降至轉(zhuǎn)變溫度TT_g時(shí)，由于粘度已經(jīng)很大(10¹²)～10¹³Pa?s)，阻止了質(zhì)點(diǎn)的重排析晶，而按AMGG′凝固成玻璃態(tài)。玻璃從熔融狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂泽w的過(guò)程是連續(xù)可逆的。

粘度特征

玻璃熔體冷卻成固體的過(guò)程中，其粘度連續(xù)變化并急劇增大（圖2），完全不同于液體結(jié)晶或晶體熔化時(shí)的粘度突變。玻璃的粘度特征決定了玻璃從典型的液體狀態(tài)冷卻成剛性體狀態(tài)時(shí)有一個(gè)粘度范圍。不同種類玻璃的這個(gè)溫度范圍所對(duì)應(yīng)溫度的高低可由它們?cè)谕嘶瘘c(diǎn)和軟化點(diǎn)時(shí)的溫度判定。如高硅氧玻璃溫度范圍大，轉(zhuǎn)變溫度高；鉛鉀玻璃溫度范圍小，轉(zhuǎn)變溫度低。玻璃的質(zhì)點(diǎn)粘滯移動(dòng)使其結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能與溫度的關(guān)系出現(xiàn)非線性的復(fù)雜變化。不同的元素對(duì)玻璃物理化學(xué)性質(zhì)包括粘度有不同影響。硅－氧鍵結(jié)合力很強(qiáng)，粘度很大；鈉、鈣、硼、磷等與氧的鍵結(jié)合力較弱，摻入玻璃中會(huì)降低粘度。

基本性質(zhì)

玻璃的物理和化學(xué)性質(zhì)在很大程度上決定于玻璃的化學(xué)組成，隨成分的改變而改變，且其性質(zhì)的改變基本上是連續(xù)的。

力學(xué)性質(zhì)

常溫下玻璃是剛性體，硬度高。微晶玻璃硬度特別高，普通玻璃中，石英玻璃和硼硅酸鹽玻璃的硬度最大，含堿性氧化物的玻璃硬度較小，高鉛硅酸鹽玻璃硬度最小。玻璃具有脆性，耐壓強(qiáng)度高而抗張強(qiáng)度低。玻璃被加熱至變形溫度以上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)塑性變形，溫度更高時(shí)即呈粘滯流動(dòng)狀態(tài)。

化學(xué)性質(zhì)

玻璃有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。一般鈉鈣硅酸鹽玻璃耐水、耐酸而不耐堿，在潮濕大氣中會(huì)被緩慢地侵蝕。大氣中水分子以O(shè)H^–離子基團(tuán)覆蓋玻璃表面，并吸附CO₂、SO₂等，玻璃成分中堿性元素較多時(shí)，析出形成堿金屬氫氧化物溶液而破壞玻璃表面。一般玻璃都易被氫氟酸和磷酸腐蝕。

光學(xué)性質(zhì)

包括玻璃的折射、反射和透光等性質(zhì)。無(wú)色玻璃高度透明且很少反射。入射光中不同波長(zhǎng)光在玻璃中的折射率不同，稱這種現(xiàn)象為色散。折射率和色散系數(shù)是玻璃的重要光學(xué)常數(shù)。與其他材料相比，玻璃的光學(xué)性質(zhì)是非常均勻的，而且可以通過(guò)改變玻璃的組成制造規(guī)定光學(xué)常數(shù)的玻璃。玻璃的光學(xué)常數(shù)不因時(shí)間而改變，溫度系數(shù)很小。某些玻璃因?qū)梢姽庵胁煌ㄩL(zhǎng)光有不同程度的選擇性吸收，可以使透過(guò)的光帶有視覺(jué)顏色。一般玻璃對(duì)紫外區(qū)和紅外區(qū)光線的透過(guò)性較差。

熱學(xué)性質(zhì)

以熱容、熱膨脹、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性等表征。玻璃的熱容隨溫度上升而增加。在轉(zhuǎn)變溫度(T_g)以下，熱容的增加不顯著；溫度升至T_g以上，熱容量迅速增加；熔融態(tài)玻璃的熱容隨著溫度的上升而急劇增加。玻璃的熱膨脹系數(shù)主要由玻璃的化學(xué)組成決定。Na₂O和K₂O顯著地提高熱膨脹系數(shù);增加SiO₂的含量可獲得低熱膨脹系數(shù)的玻璃；石英玻璃的熱膨脹系數(shù)最小。玻璃是熱的不良導(dǎo)體。當(dāng)玻璃突然遇冷時(shí)，常常因收縮差異引起的體積效應(yīng)造成局部或表面張應(yīng)力，致使玻璃破裂。能經(jīng)受急劇的溫度變化而不破裂的性能稱為玻璃的熱穩(wěn)定性。它主要取決于玻璃的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和強(qiáng)度。鈉鈣玻璃熱膨脹系數(shù)大，耐急冷急熱能力差；硼硅酸鹽玻璃熱膨脹系數(shù)小，耐急冷急熱能力強(qiáng)，稱為耐熱玻璃；熱膨脹系數(shù)最低的石英玻璃，熱穩(wěn)定性最好。

電學(xué)性質(zhì)

主要是玻璃的導(dǎo)電能力，用電導(dǎo)率衡量。玻璃的溫度和化學(xué)組成是決定其電導(dǎo)率的主要因素。常溫下玻璃的電導(dǎo)率很小，是電的絕緣體。玻璃的電導(dǎo)率隨溫度的升高而急劇上升，至熔融狀態(tài)一般成為導(dǎo)電體。石英玻璃的絕緣性能最好，玻璃中堿金屬氧化物會(huì)使電導(dǎo)率顯著增加。

種類

玻璃沒(méi)有特有的固定組成，通常按主要成分分成氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩大類。非氧化物玻璃的品種及數(shù)量均很少，主要有硫系玻璃和鹵化物玻璃。氧化物玻璃有硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等。硅酸鹽玻璃指基本成分為SiO₂的玻璃，是品種最多、用途最廣的一類玻璃。按玻璃中SiO₂含量和所含堿金屬和堿土金屬氧化物的不同，它可分為石英玻璃、高硅氧玻璃、鈉鈣硅酸鹽玻璃、鉛硅酸鹽玻璃和鋁硅酸鹽玻璃等。

石英玻璃即SiO₂含量大于99.5％的玻璃。石英玻璃熱膨脹系數(shù)極低，耐高溫，化學(xué)穩(wěn)定性好，透紫外線和紅外線?？捎糜诎雽?dǎo)體、電光源、光導(dǎo)通信、激光技術(shù)和光學(xué)儀器中。其熔煉溫度很高而且粘度很大，因此熔煉和成型的難度較大。高硅氧玻璃即SiO₂含量約96％的玻璃。它的性質(zhì)與石英玻璃類似。制高硅氧玻璃是先將易于熔煉和成型的硼硅酸鹽玻璃制作成制品，然后進(jìn)行熱處理使其分成兩相，并用酸溶解其中的鈉硼相，得到高SiO₂含量的玻璃。鈉鈣硅酸鹽玻璃，簡(jiǎn)稱鈉鈣玻璃，指以SiO₂為主，并含15％的Na₂O和16％的CaO的玻璃。原料豐富，適宜大規(guī)模熔煉和機(jī)械化成型，成本低廉，用以生產(chǎn)玻璃瓶罐、平板玻璃、器皿、燈泡和日常應(yīng)用的制品，產(chǎn)量占整個(gè)實(shí)用玻璃的90％。鉛硅酸鹽玻璃主要成分為SiO₂和PbO。具有獨(dú)特的高折射率和高體積電阻，與金屬有良好的浸潤(rùn)性，可用來(lái)制造燈泡和真空管的芯柱，做成晶質(zhì)玻璃器皿、火石光學(xué)玻璃等。含有大量鉛的玻璃能阻擋X和γ射線。鋁硅酸鹽玻璃以SiO₂和Al₂O₃為主要成分。軟化變形溫度很高，用于制作放電燈泡、鹵鎢燈泡、高溫玻璃溫度計(jì)、化學(xué)燃燒管和玻璃纖維等。硼硅酸鹽玻璃以SiO₂和B₂O₃為主要成分。具有良好的耐熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和燈工性能，用以制作烹飪器具、實(shí)驗(yàn)室儀器、金屬焊封玻璃等。硼酸鹽玻璃以B₂O₃為主要成分。熔融溫度低，可以抵抗鈉蒸氣腐蝕。含有稀土元素的硼酸鹽玻璃折射率高、色散低，成為新品種光學(xué)玻璃。磷酸鹽玻璃以P₂O₅為主要成分。折射率低、色散低，用于光學(xué)儀器等。

硫系玻璃是非氧化物玻璃，其陰離子多為硫、硒、碲等，可截止短波長(zhǎng)光線而通過(guò)黃、紅光以及近、遠(yuǎn)紅外光，電阻低，具有開關(guān)與記憶特性。鹵化物玻璃折射率低，色散低，是新品種光學(xué)玻璃。

制造方法

分熔融法和非熔融法兩種。

熔融法

傳統(tǒng)的玻璃制造方法。生產(chǎn)過(guò)程為：原料預(yù)加工，配合料制備，熔制，成型，再經(jīng)退火和后加工，即得成品。工業(yè)化生產(chǎn)普通玻璃多用熔融法（見玻璃制造）。

非熔融法

分為凝膠法、氣相沉積法和沖擊波法等。

（1）凝膠法：又稱液相合成法。將玻璃組成的醇化物加入有機(jī)溶劑，混合成均勻溶液，經(jīng)分解、蒸發(fā)制成凝膠，再將凝膠燒結(jié)成玻璃。此法可用于石英玻璃和硼酸鹽等玻璃的制造。

（2）氣相沉積法：使氣態(tài)物質(zhì)在一固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)沉積物即為玻璃。此法不會(huì)因熔制設(shè)備的雜質(zhì)污染玻璃，因此可以得到雜質(zhì)很低的高純度玻璃，用于拉制光導(dǎo)纖維。但局限于用在制造含有能成氣態(tài)的組成的玻璃。

（3）沖擊波法：用高能量的沖擊波作用于晶體，使其產(chǎn)生大量缺陷，晶格極度變形而非晶態(tài)化，從而形成玻璃。此法還處于試驗(yàn)階段。

玻璃制品

玻璃經(jīng)過(guò)吹、拉、壓、軋、鑄等成型方法和熱處理、冷加工后得到玻璃制品。由于玻璃透明、堅(jiān)硬，具有良好的耐蝕、耐熱性和特有的光學(xué)、電學(xué)特性，玻璃制品已成為當(dāng)代不可缺少的用品（見表）。1986年，世界玻璃總產(chǎn)量為77Mt。

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標(biāo)簽：玻璃

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