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玻璃性能对玻璃成形的作用
发布时间:2018年04月23日    点击次数:    作者:石英仪器
  玻璃的成形是指熔融的玻璃液转变为具有固定几个形状的玻璃制品的过程。玻璃液必须在一定的温度范围内才能成形,成形时,玻璃液不仅作机械运动,而且还与周围介质发生热传递。玻璃制品的成形过程分为成形和定形两个阶段。第一阶段使制品具有一定的几何形状;第二阶段是指制品的形状固定下来。玻璃的成形和定形是一个连续的过程,定型是成形的延续,但定形所需的时间较成形长。

  玻璃的成形方法有吹制法(空心玻璃等)、压制法(烟缸等)、压延法(压花玻璃等)、浇铸法(光学玻璃等)、拉制法(窗用玻璃等)、离心法(玻璃棉等)、烧结法(泡沫玻璃等)、喷吹法(玻璃珠等)、焊接法(仪器玻璃等)、浮法(平板玻璃等)以及上述几种方法的组合,如压-吹法等。

  决定成形阶段的因素是玻璃的流变性,即黏度、表面张力、可塑性、弹性以及这些性质随温度变化的特性。而决定定形阶段的因素是玻璃的热性质和玻璃的硬化速度。

  1、  玻璃制品的成形过程中,黏度起着非常重要的作用。这是因为黏度随温度下降而增大的特性是玻璃制品成形和定形的基础。在高温范围内钠-钙硅酸盐玻璃的黏度-温度梯度较小;而在1000——900℃之间,黏度增加很快,即黏度-温度梯度(Δη/ΔT)突然增大,曲线变弯。在相同的温度区间内两种玻璃相比较,黏度-温度梯度较大的称为短性玻璃;反之,称为长性玻璃,如图。玻璃的成形温度范围选择在接近黏度-温度曲线的弯曲处,以保证玻璃具有自动定形的速度。

  玻璃制品成形开始和终了时的黏度变化随玻璃的组成、成形方法、制品尺寸大小和重量等是不相同的。成形开始时的黏度约为101.5——104Pa•s,如玻璃纤维开始成形的黏度为101.5——102 Pa•s,平板玻璃为101.5——103 Pa•s,玻璃瓶罐为101.75——104 Pa•s(小型轻量瓶为101.75 Pa•s,大型重瓶为102.25 Pa•s),拉管及人工成形为103——105 Pa•s。成形终了时的黏度为105——107 Pa•s。但是,概括来说,可以认为一般玻璃的成形范围为102——106 Pa•s。

  玻璃的黏度愈小,流变性就愈大。因此,可以通过控制温度使玻璃的黏度发生改变,从而改变玻璃的流变性,以达到成形和定形的目的。

  玻璃的黏度-温度曲线,只能定性地说明玻璃硬化速度的快慢,也就是只能说明成形的快慢,而没有把时间因素考虑在内。为了把玻璃的黏度与成形机器的动作联系起来,玻璃的硬化采用黏度-时间曲线,即用黏度的时间梯度(Δη/Δt)来定量地表示。

  利用玻璃黏度的可塑性,可以在成形过程中多次加热玻璃,使之反复达到所需的成形黏度,以制造复杂的制品。

  玻璃的黏度是玻璃组成的函数,改变组成就可以改变玻璃的黏度及黏度-温度梯度,使之适应成形的温度制度的要求。但是玻璃组成的改变影响到玻璃的其他性质发生变化,应当十分注意。

  2、表面张力是由于熔融玻璃表面层的质点受到内部质点的作用而趋向于熔体内部,使表面有收缩的趋势,它是温度和组成的函数。表面张力使自由的玻璃液滴成为球形,对于人工挑料或吹小以及滴料供料机料滴形状的控制,也是基于表面张力的作用。

  3、玻璃在高温下为粘滞性液体,而在室温下则为弹性固体。玻璃从高温冷却至室温时,黏度先是成倍地增长,然后开始称为弹性材料,但此时依然存在着黏性流动。随着冷却的继续,黏度逐渐增大到不能测量,从流动的观点来说,黏度已经没有意义。玻璃由液体变为弹性材料的范围,称为黏-弹性范围。

  对于瓶罐玻璃来说,黏度在106 Pa•s以上时为黏滞性液体;黏度为106——1014 Pa•s之间为黏弹性材料;黏度为1015 Pa•s以上时为弹性固体。所以黏度为105——106 Pa•s时,已经存在弹性作用了。在成形过程中,处于粘滞性状态的玻璃液,无论采用何种调节方法使玻璃液流动,都不会使玻璃产生缺陷(如微裂纹等)。

  在成形操作中,弹性及消除弹性影响所需的时间是很重要的,此外,成形的低温阶段,缺陷的产生与弹性有直接的关系。

  4、其他性能对成形的作用:主要包括比热容、热导率、热膨胀、表面辐射强度和透热性对成形的作用。

  玻璃的比热容决定这玻璃成形过程中需要放出的热量。高温时,瓶罐玻璃的比热容不论是长性玻璃或短性玻璃,不随其组成发生明显的变化。玻璃的热导率表示单位时间内的传热量。表面辐射强度用辐射系数来表示。透热性极为红外线和可见光的透过能力。玻璃的热导率、表面辐射强度和透热性愈大,冷却速度就愈快,成形速度也就愈快。

  玻璃的热膨胀或热收缩,用热膨胀系数表示。玻璃中应力的产生和制品尺寸公差的产生都与它有关系。液体玻璃的热膨胀比其在弹性范围内要大2——4倍。瓶罐玻璃在室温下其线膨胀系数为9*10-7/℃左右。在液态范围内则为(200——300)*10-7/℃。成形时,玻璃与模壁表面接触因冷却而发生收缩。若玻璃仍处于滞黏性状态,则通过质点流动,应力将会立即消除。但当玻璃部分地处于弹性固体状态,就在成形的制品上产生残余应力,导致表面表面裂纹。同时,玻璃制品的收缩和铸铁模型受热的膨胀约有1%——2%的差值,也造成上述缺陷。因此在成形中应考虑应力的消除。

  此外,玻璃成形时产生的收缩,应当注意制品所允许公差及模型尺寸。对于生产电真空玻璃或成形套料制品,以及玻璃封接过程中,都要求玻璃与玻璃的热膨胀系数也要匹配,否则会出现应力而破裂。

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