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石英玻璃/微晶玻璃的弹性介绍

作者:奥固鸿已有:N多人关注
材料在外力的作用下发生变形,当外力去掉后能恢复原来的形状的性质称为弹性。在Tg温度一下,玻璃基本上是服从虎克定律的弹性体。
玻璃的弹性主要是包括弹性模量E(即杨氏模量)、剪切模量G、泊松比u和体积压缩模量K。它们之间有如下关系:

,E-K.=3(1−2u)
弹性模量是表征材料应力与应变关系的物理量,是表示材料对形变的抵抗力。在Tg温度以下,玻璃的弹性模量可用下式表示:

式中o---应力
E---相对的纵向变形。
一般玻璃的弹性模量为(441~882)*108Pa,而泊松比在0.11~0.30范围变化。各种玻璃的弹性模量见表

玻璃类型 E/(*108Pa) 泊松比u 玻璃类型 E/(*108Pa) 泊松比u
钠钙硅玻璃 676。2 0.24 高硅氧玻璃 676.2 0。19
钠铅玻璃 578。2 0.22 石英玻璃 705.6 0。16
铝硅酸盐玻璃 842.8 0.25 微晶玻璃 1204 0。25
硼硅酸盐玻璃 617.4 0.20      
玻璃的弹性模量与成分的关系  玻璃的弹性模量主要取决于内部质点间化学键的强度,同时也与结构有关。质点间化学键力越强,受力时的变形量越小,则弹性模量就越大。玻璃结构越坚实,弹性模量也越大。
质点间的键力大小与原子半径和价电子数有关,因此在常温下弹性模量是原子序数的周期函数。在同一族中的元素例如Be、Mg、Ca、Sr、及Ba,随原子序数的递增和原子半径的增大,弹性模量E则降低。E的大小几乎和这些离子与氧离子间吸引力2Z/a2成直线关系,同一氧化物当处于高配位时其弹性模量要比处于低配位时高。所以在玻璃中引入离子半径较大、电荷较低的Na+、K+、Sr2+、Ba2+等离子是不利于提高弹性模量的。相反,引入半径小、极化能力强的离子(如Li+、Be+、Mg2+、Al3+、Ti4+、Zr4+)则能提高玻璃的弹性模量。
石英玻璃中Si-O间的键强较大,为106KJ/mol,且具有三度空间的架状结构,应具有较高的弹性模量,但如上表所示,石英玻璃的弹性模量并不高,这是因为在石英玻璃结构中含有较多的空穴。另外,在高应变的情况下,石英玻璃纤维和一般那该硅玻璃纤维都偏离了虎克定律,石英玻璃纤维变得更“硬”了,而后者显得变“软”了。这充分说明,在负荷作用下,石英玻璃纤维中硅氧基团的空穴减少,Si-O键较强的键性显示了作用,而钠钙硅玻璃纤维因网络外离子的引入,使结构疏松,应变增大。
纯B2O3玻璃由于层状结构比较疏松,因此具有很低的弹性模量,仅为175*108Pa。但随着Na2O含量的增加,其弹性模量可增加到600*108Pa。这是由于硼离子由三配位转变为四配位,层状结构向三度空间结构变化,且Na+离子又填充了网络空间的结果。
在铝硼硅酸盐玻璃中,弹性模量同样出现(硼铝反常)现象。当摩尔比ψ【(Na2O-Al2O3)/B2O3】>1时,B3+和Al3+都能成为四面体,处于结构网络中,使结构链接紧密,弹性模量E增加。当1>ψ>0时,Al2O3代替SiO2后,由于Na2O不足,Al3+可以形成四面体进入结构网络,而B3+由四面体转变为三角体,因此弹性模量下降。当Na2O更少时(ψ<O),B3+全部处于【BO3】三角体的配位状态,而Al3+较高的配位状态【AlO6】填充于网络外空隙部分,使玻璃网络坚实,弹性模量再度上升。所以弹性模量的增减实质上反映了玻璃内部结构的变化。
各种氧化物对玻璃弹性模量的提高作用顺序是:CaO>MgO>B2O3>Fe2O3>Al2O3>BaO>ZnO>PbO。
弹性模量可用下式近似地计算:
E=E1P1+E2P2+…..+EnPn
式中E1、E2、….、En---玻璃中氧化物的弹性模量系数;
P1、P2、….、Pn---玻璃中氧化物的质量百分数。
计算玻璃弹性模量的各种氧化物系数如表

氧化物 弹性模量系数
硅酸盐玻璃 无铅硼硅酸盐玻璃 含铅硼硅酸盐玻璃
Na2O
K2O
MgO
CaO
ZnO
BaO
PbO
B2O3
Al2O3
SiO2
P2O5
As2O3
61
40
-
70
52
-
46
-
180
70
-
40
100
70
40
70
100
70
-
60
150
70
-
40
70
30
30
-
-
30
55
25
130
70
70
40
玻璃的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升高而降低,这是由于离子间距离增大,相互作用力降低所致。此外,高温时质点热运动的增加也是造成弹性模量E降低的原因之一。到变形温度以上,玻璃逐渐失去弹性,变形随着温度的上升而增大,并趋于软化。
弹性模量与温度的关系对某些玻璃却有正比关系,例如膨胀系数小的石英玻璃、高硅氧玻璃和派莱克斯玻璃,当温度升高时,其弹性模量反而增加,如图所示。这个反常现象与热膨胀系数和玻璃的组成有很大关系,当温度升高时,离子间距增大而造成相互作用力减弱,导致弹性模量E下降的原因已不复存在。相反由于温度升高,引起玻璃内部结构的重组,使较弱结合的结构基团转化为较强结合的结构基团这一因素其作用。对于硼硅酸盐玻璃的弹性模量E,不论是淬火的还是退火的,都随温度升高而增大,只有在接近Tg温度时。退火玻璃的弹性模量才与淬火玻璃的行径不同。
玻璃的弹性模量与热处理的关系  由于弹性模量随温度的升高而降低,淬火玻璃基本保持了高温状态的疏松结构,因此同组成的淬火玻璃的弹性模量较退火玻璃小,一般低2%~7%,具有降低的幅度与淬火的程度、玻璃的组成有关。同样,玻璃纤维的弹性模量要比同组成的退火玻璃的低,这是由于玻璃纤维是在几十分之一秒的瞬间内凝固而成。例如块状玻璃的弹性模量为803.6*108Pa,而同成分的玻璃纤维的弹性模量仅为774.2*108Pa,这可能是常温下玻璃纤维的结构在一定程度上保持了高温状态的结构。但玻璃纤维只要在300~350℃热处理若干时间后,再冷却到室温,其弹性模量就与块状玻璃的相同。
玻璃在微晶化后,弹性模量是增高的,对不同组成的Li2O-K2O-Al2O3-SiO2系统玻璃以Au为成核剂诱导析晶后,其弹性模量普遍增高。其增高值随组成不同可达10%左右,当Al2O3含量为7%时,出现最高值。微晶化后弹性模量的增高幅度主要取决于析出的主晶相的种类和性质。
除此之外,玻璃的弹性模量还与其测试制度和条件有关。目前用静态法和动态法进行测定。静态法是直接根据试样弯曲及扭转力矩后的变形大小来进行测定。动态法是根据弹性波在玻璃介质传输过程中,其振动频率与介质固有频率相同时发生共振而得到最大的振幅。

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