内容简介
《新编玻璃工艺学》基本特点:①在玻璃工艺原理方面进行了系统的补充和完善,加强了玻璃结构理论的阐述,补充了微晶玻璃系统、金属玻璃和制备方法,加强了玻璃结构研究方法的介绍;②加强了玻璃性能的阐述和测试方法的介绍,满足技术人员对性能测量原理的理解;③增加了玻璃成分设计,可以解决玻璃技术人员在玻璃成分设计方面的茫然,建立玻璃成分与性能的数学关系,更好地满足玻璃新产品的开发需要,涉及的玻璃性能参数达10多项;④补充了一些玻璃新品种的成形工艺与加工方法,为玻璃技术人员开阔视野和提供新思路;⑤在玻璃缺陷与控制方面,收集了更多缺陷图片,让读者对缺陷类型有更直观的认识;⑥在附录中收集和精选了国内外14大类玻璃品种的800多个玻璃化学组成和性能参数,相信这些资料会使读者在实践中受益。
《新编玻璃工艺学》以玻璃工艺原理及玻璃工艺过程为主线来阐述各个章节,力求理论结合实际,成分设计与产品性能相结合,生产技术与检测技术相结合,现代技术与传统工艺相结合;并依据科学发展观的要求,将玻璃工业的节能减排与环境保护相结合,将循环经济与玻璃利废相结合。《新编玻璃工艺学》内容丰富,文字简练,图表信息量大,实用性强,可以作为大专院校材料科学与工程专业、无机非金属材料专业的基础教材和教学参考书,也可供玻璃工业、建材工业、建筑工业、硅酸盐工业、化学工业、电真空工业等行业的科技人员、管理人员和技术工人使用。
内页插图
目录
第1章 玻璃的定义与结构
1.1 玻璃的定义
1.2 玻璃的通性
1.3 玻璃的结构
1.3.1 玻璃的结构理论
1.3.2 传统玻璃结构
1.3.3 重金属氧化玻璃的结构
1.3.4 非氧化物玻璃的结构
1.3.5 金属玻璃的结构
1.3.6 有机玻璃的结构
1.4 玻璃组成、结构、性能之间的关系
1.4.1 玻璃的阳离子分类
1.4.2 玻璃组成对结构的影响
1.4.3 结构因素对玻璃性质的影响
1.5 玻璃结构的研究方法
第2章 玻璃的形成与规律
2.1 玻璃形成物质
2.1.1 结晶化学理论
2.1.2 氧化物在玻璃中的作用
2.2 玻璃形成方法
2.2.1 熔体冷却法
2.2.2 气相制备技术
2.2.3 液相制备技术
2.2.4 固相制备技术
2.3 玻璃形成热力学
2.4 玻璃形成动力学
2.5 玻璃形成范围
2.5.1 一元系统玻璃
2.5.2 二元系统玻璃
2.5.3 三元系统玻璃
2.6 金属玻璃
2.6.1 金属玻璃的形成能力
2.6.2 金属玻璃的制备技术
2.6.3 金属玻璃的性能与应用
第3章 玻璃的分相与析晶
3.1 玻璃分相
3.1.1 两种分相结构及机理
3.1.2 二元系统玻璃分相
3.1.3 三元系统玻璃分相
3.1.4 玻璃分相原因
3.1.5 分相对玻璃性能的影响
3.2 玻璃析晶
3.2.1 成核过程
3.2.2 晶体生长
3.2.3 影响玻璃析晶的因素
3.3 玻璃的析晶缺陷
3.3.1 玻璃析晶缺陷产生的原因
3.3.2 影响玻璃析晶缺陷产生的因素
3.4 微晶玻璃
3.4.1 低膨胀锂铝硅微晶玻璃
3.4.2 CaO-A1203-SiOz系统微晶玻璃
3.4.3 MgO-A1203一Si02系统微晶玻璃
3.4.4 磷硅酸盐微晶玻璃
3.5 微晶玻璃的制备工艺方法
3.5.1 熔体析晶法
3.5.2 烧结法
3.5.3 溶胶一凝胶法
第4章 玻璃的性质
4.1 玻璃的密度
4.1.1 玻璃密度与成分的关系
4.1.2 玻璃密度与温度及热历史的关系
4.1.3 玻璃密度与压力的关系
4.1.4 玻璃密度的测量方法
4.2 玻璃的黏度
4.2.1 玻璃黏度与温度的关系
4.2.2 玻璃黏度与玻璃组成的关系
4.2.3 玻璃黏度与生产的关系
4.2.4 玻璃黏度的计算方法
4.2.5 玻璃黏度的测量方法
4.3 玻璃的表面张力
4.3.1 玻璃表面张力的物理含义及应用
4.3.2 玻璃表面张力的影响因素
4.3.3 玻璃表面润湿性及影响因素
4.4 玻璃的表面性质
4.4.1 玻璃表面结构和表面成分
4.4.2 玻璃表面的离子交换
4.4.3 玻璃的表面吸附
4.5 玻璃的力学性质
4.5.1 玻璃的力学基本概念
4.5.2 玻璃的机械强度
4.6 玻璃的热学性质
4.6.1 玻璃的热膨胀系数
4.6.2 玻璃的比热容
4.6.3 玻璃的导热系数
4.6.4 玻璃的热稳定性
4.7 玻璃的电学性质
4.7.1 玻璃的导电性
4.7.2 玻璃的介电性
4.7.3 玻璃电性能的测量方法
4.8 玻璃的光学性能
4.8.1 玻璃的折射率
4.8.2 玻璃的光学常数
4.8.3 玻璃的反射、吸收和透过
4.9 玻璃的化学稳定性
4.9.1 玻璃的侵蚀机理
4.9.2 影响玻璃化学稳定性的因素
4.9.3 玻璃化学稳定性的测量
第5章 玻璃着色与脱色
5.1 玻璃颜色概述
5.2 玻璃颜色的表征方法
5.2.1 颜色三要素
5.2.2 色度图与色坐标
5.2.3 孟塞尔色系
5.2.4 CIELab颜色空间与色差
5.3 玻璃着色机理
5.3.1 离子着色
5.3.2 金属胶体着色
5.3.3 硫、硒及化合物着色
5.3.4 玻璃其它着色方法
5.4 玻璃脱色
5.4.1 玻璃的脱色原理
5.4.2 硒钴脱色中的问题
第6章 玻璃成分设计
6.1 玻璃成分概述
6.1.1 玻璃成分的表示方法
6.1.2 玻璃的牌号与命名
6.2 玻璃成分设计
6.2.1 玻璃成分设计原则
6.2.2 玻璃成分设计方法
6.3 玻璃性能计算
6.3.1 玻璃密度的计算
6.3.2 玻璃热膨胀系数的计算
6.3.3 玻璃比热容的计算
6.3.4 玻璃热导率的计算
6.3.5 玻璃光学性质的计算
6.3.6 玻璃吸收X射线和y射线性质的计算
6.3.7 玻璃机械性质的计算
6.3.8 玻璃电学性质的计算
6.3.9 玻璃化学稳定性的计算
6.3.1 0玻璃黏度的计算
6.3.1 1玻璃表面张力的计算
6.3.1 2玻璃熔化温度的计算
6.3.1 3玻璃析晶性能的计算
第7章 玻璃用原料与配料
7.1 主要原料
7.1.1 SiO2原料
7.1.2 B2O3原料
7.1.3 Al2O3原料
7.1.4 P2O5原料
7.1.5 Na2O原料
7.1.6 K2O原料
7.1.7 Li2P原料
7.1.8 CaO原料
7.1.9 MgO原料
7.1.1 0BaO原料
7.1.1 1ZnO原料
7.1.1 2PbO原料
7.1.1 3BeO原料
7.1.1 4SrO原料
7.1.1 5CAO原料
7.1.1 6GeO2原料
7.1.1 7TiO2原料
7.1.1 8ZrO2原料
7.2 辅助原料
7.2.1 澄清剂
7.2.2 着色剂
7.3 脱色剂
7.3.1 化学脱色剂
7.3.2 物理脱色剂
7.4 乳浊剂
7.4.1 氟化合物
7.4.2 磷酸盐
……
第8章 玻璃的熔制与窑炉
第9章 玻璃的成形
第10章 玻璃的加工
第11章 玻璃的热处理
第12章 玻璃的缺陷与控制
第13章 玻璃工艺的节能与环保
参考文献
附录一 国内外平板玻璃化学组成及性能一览表
附录二 国内外瓶罐玻璃化学组成及性能一览表
附录三 国内外器皿玻璃化学组成及性能一览表
附录四 国内外仪器玻璃化学组成及性能一览表
附录五 国内外光学玻璃化学组成及性能一览表
附录六 国内外眼镜玻璃化学组成及性能一览表
附录七 国内外耐热器皿玻璃化学组成及性能一览表
附录八 国内外颜色玻璃化学组成及性能一览表
附录九 国内外电光源玻璃化学组成及性能一览表
附录十 国内外封接玻璃化学组成及性能一览表
附录十一 国内外低熔点玻璃化学组成及性能一览表
附录十二 国内外医药玻璃化学组成及性能一览表
附录十三 国内外显示玻璃化学组成及性能一览表
附录十四 国内外玻璃纤维化学组成及性能一览表
精彩书摘
第1章 玻璃的定义与结构
玻璃是具有悠久历史和优良特性的无机非金属材料,其用途十分广泛,几乎涉及国民经济建设的各个部门。玻璃的物理、化学性质不仅决定于其化学组成,而且还与玻璃的结构具有密切相关。只有充分认识和理解玻璃结构,掌握玻璃组成、结构、性能三者之间内在规律,才能通过改变其化学组成、制备工艺和热处理条件,制备出符合使用性能要求的玻璃材料。
1.1 玻璃的定义
玻璃分为狭义玻璃和广义玻璃。狭义玻璃是指熔融物在冷却过程中不发生结晶的无机物质,仅指无机玻璃,它包括氧化物玻璃、非氧化物玻璃、非晶半导体。
随着科学技术的进步,现代可以通过真空蒸镀、火焰喷射、溶胶凝胶、气相沉积、冲击波、中子辐照等方法来制备非晶态物质,显然,这些方法都不同于传统的熔融法。同时,除了无机玻璃外,也可用有机物或金属在特定条件下制备出玻璃。
广义玻璃是具有转变温度(Tg)的非晶态材料,非晶态材料是指其原子排列在近程有序而远程无序,原子排列不具有平移周期性关系;当温度连续升高(或降低)时,在某个温度范围内发生明显结构变化,导致热膨胀系数、比热容等性质发生突变,这个温度范围所对应的性质转折点就是转变温度Tg,如图1—1所示。非晶态材料包括无机玻璃、金属玻璃、有机玻璃等,其种类见表1-1。
前言/序言
玻璃的发现及生产制造已有5000年的悠久历史,它几乎伴随着人类文明发展的整个历程。至今,玻璃品种不断丰富,大规模工业生产也有100多年历史。玻璃具有广泛的用途,如窗玻璃、器皿玻璃、瓶罐玻璃、眼镜玻璃、光学镜头、激光器、针剂瓶、光伏电池基板、热水器集热管、液晶显示器基板玻璃、幕墙玻璃、汽车风挡等,不胜枚举。
近20年来,玻璃在信息、通讯、能源、航天、电子和生物医药等新领域也发挥着重要的作用。自20世纪90年代,中国已经是名副其实的玻璃生产大国,玻璃品种最多,产量最大,但是在生产质量、高端产品、研发技术与水平等方面与玻璃强国还有较大差距。
随着科学技术的迅速发展,人类对玻璃材料的认知在不断地完善,诞生了一系列研究成果,加深了人们对玻璃的组成、结构、性能三者之间关系的认识,随着玻璃学科与相关学科的交融,科研人员不断地探索玻璃新品种和新工艺,如金属玻璃和镀膜玻璃等,促进了玻璃科学及玻璃材料的发展。
为了更好地适应玻璃科学技术发展的需要,本编写组在编写本书时集合了国内的玻璃专家及学者,在原轻工版《玻璃工艺学》(1982)的基础上,广泛地参考了国内外有关资料,对玻璃的基本理论、基本知识、新工艺、玻璃品种等作了大量补充和完善。
本书基本特点:①在玻璃工艺原理方面进行了系统的补充和完善,加强了玻璃结构理论的阐述,补充了微晶玻璃系统、金属玻璃和制备方法,加强了玻璃结构研究方法的介绍;②加强了玻璃性能的阐述和测试方法的介绍,满足技术人员对性能测量原理的理解;③增加了玻璃成分设计,可以解决玻璃技术人员在玻璃成分设计方面的茫然,建立玻璃成分与性能的数学关系,更好地满足玻璃新产品的开发需要,涉及的玻璃性能参数达10多项;④补充了一些玻璃新品种的成形工艺与加工方法,为玻璃技术人员开阔视野和提供新思路;⑤在玻璃缺陷与控制方面,收集了更多缺陷图片,让读者对缺陷类型有更直观的认识;⑥在附录中收集和精选了国内外14大类玻璃品种的800多个玻璃化学组成和性能参数,相信这些资料会使读者在实践中受益。
本书以玻璃工艺原理及玻璃工艺过程为主线来阐述各个章节,力求理论结合实际,成分设计与产品性能相结合,生产技术与检测技术相结合,现代技术与传统工艺相结合;并依据科学发展观的要求,将玻璃工业的节能减排与环境保护相结合,将循环经济与玻璃利废相结合。本书内容丰富,文字简练,图表信息量大,实用性强,可以作为大专院校材料科学与工程专业、无机非金属材料专业的基础教材和教学参考书,也可供玻璃工业、建材工业、建筑工业、硅酸盐工业、化学工业、电真空工业等行业的科技人员、管理人员和技术工人使用。
本书编写过程中,得到了广大的玻璃界前辈及企事业单位的支持,得到了中国轻工业出版社李建华编辑的帮助,沈长治和王承遇两位老先生对本书的组稿和编写进行了系统的指导、修改和审阅,中国科学院上海光学精密机械研究所姜中宏院士对第2章进行审阅并提出修改意见,北京玻璃集团总工程师梅德馨审阅了本书大部分章节。
新编玻璃工艺学:跨越时代的技术之美与产业未来 一、 玻璃:流动的艺术,坚固的基石 玻璃,这个古老而又充满现代魅力的材料,早已渗透于我们生活的方方面面。从古埃及人手中吹出的晶莹器皿,到如今高耸入云的摩天大楼,再到精密仪器中的光学元件,玻璃以其独特的透明性、可塑性、化学稳定性和电气绝缘性,成为了人类文明发展不可或缺的组成部分。它既是承载历史记忆的艺术载体,也是驱动现代科技进步的创新引擎。 《新编玻璃工艺学》将带领读者深入探索玻璃世界的奥秘,从其最基本的组成元素、生成原理,到千姿百态的加工技术,再到其在各个领域应用的广阔天地。本书旨在为高等院校相关专业师生提供一套系统、深入、前沿的教学参考,同时,也为玻璃行业的从业者、研究者以及对玻璃材料充满好奇的爱好者,打开一扇认识和理解玻璃工艺学的窗口。 二、 玻璃的起源与演变:从天然到人造的智慧结晶 玻璃的历史,是一部人类不断探索自然、改造自然,并最终创造出全新材料的智慧史诗。本书将追溯玻璃的起源,从远古时期天然玻璃——黑曜石的应用,到早期人工玻璃的初步尝试。我们将了解古巴比伦、古埃及、古罗马等文明在玻璃制造技术上的贡献,认识到早期玻璃制造的艰辛与精湛。 随后,本书将聚焦玻璃制造技术在不同历史时期的演进。从手工吹制技艺的成熟,到平板玻璃制造的突破,再到现代大规模工业化生产的形成,每一个阶段都凝聚了无数工匠和科学家的智慧与汗水。我们将探讨技术革新如何推动玻璃的普及,使其从奢侈品走向大众,深刻影响建筑、日用、艺术等多个领域。 三、 玻璃的科学基础:物质的奇妙转变 理解玻璃,离不开对其内在科学原理的深入剖析。《新编编玻璃工艺学》将详细阐述玻璃的化学成分、结构与性能之间的关系。我们将了解常见的玻璃类型,如钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、石英玻璃等,以及它们的独特配方和由此带来的性能差异。 本书将深入探讨玻璃的形成过程,即熔融、冷却、凝固的物理化学机制。我们将解析玻璃的非晶态结构,理解其与晶体材料的本质区别,以及这种结构对其光学、力学、热学性能的影响。此外,本书还将介绍各种影响玻璃性能的因素,如氧化物、稀土元素、添加剂等,以及如何通过调整配方来优化玻璃的性能,以满足不同应用场景的需求。 四、 玻璃的制造工艺:从熔炉到成品的多重挑战 玻璃的制造过程是一个复杂而精密的系统工程,涉及多个关键环节。《新编玻璃工艺学》将系统介绍现代玻璃的主要制造工艺,并深入剖析其技术要领和发展趋势。 熔制工艺: 我们将详细介绍玻璃熔窑的类型、结构及其工作原理,包括蓄热式平炉、蓄热式罐炉等。我们将探讨熔化过程中的关键因素,如熔化温度、时间、气氛,以及如何通过优化熔制过程来提高玻璃的质量和生产效率。此外,本书还将涉及玻璃的澄清、均化等重要环节,确保玻璃的均匀性和无缺陷性。 成型工艺: 玻璃的成型是赋予其形态的关键步骤。本书将全面介绍各种主要的玻璃成型技术,包括: 吹制成型: 深入讲解手工吹制和机器吹制技术,包括吹制设备、模具设计以及吹制过程中的参数控制,特别是在艺术玻璃和特殊器皿制造中的应用。 压制成型: 阐述压制玻璃制品(如餐具、灯罩)的原理、模具结构以及压制工艺流程,强调其高效率和大规模生产的优势。 拉伸成型: 重点介绍平板玻璃的制造工艺,包括浮法玻璃、平拉法玻璃、滚压法玻璃等,深入解析各工艺的原理、设备以及影响玻璃质量的关键因素。 离心成型: 探讨离心力在玻璃制品成型中的应用,如玻璃管、玻璃瓶的制造。 浇注成型: 介绍玻璃浇注在制造大型玻璃构件、艺术品或特种玻璃中的应用。 纤维成型: 详细讲解玻璃纤维的制造工艺,包括拉丝、纺织等,以及其在绝缘、增强等领域的应用。 退火工艺: 玻璃在成型过程中会产生内应力,退火是消除这些应力,提高玻璃强度和稳定性的关键步骤。本书将详细介绍退火的原理、退火窑的类型、退火曲线的设计以及退火过程中应力监测与控制的技术。 后加工工艺: 玻璃制品在成型和退火后,还需要经过一系列的后加工才能达到最终的应用要求。我们将深入探讨以下工艺: 切割与研磨: 介绍各种玻璃切割和研磨工具、技术以及精度控制方法。 抛光: 讲解玻璃表面的抛光技术,以获得光滑、光亮的表面。 热弯与钢化: 详细阐述玻璃的热弯成型工艺,以及通过加热再快速冷却实现钢化玻璃的原理、工艺过程和性能提升。 表面处理: 介绍玻璃表面的涂层、镀膜、蚀刻等技术,以赋予玻璃特殊的性能或装饰效果。 粘接与密封: 探讨玻璃与其他材料的粘接技术,以及玻璃在密封应用中的重要性。 五、 特种玻璃与先进功能材料:面向未来的创新探索 随着科技的飞速发展,对玻璃材料提出了更高的性能要求,催生了各种特种玻璃和先进功能玻璃的涌现。《新编玻璃工艺学》将重点介绍这些面向未来的玻璃材料。 光学玻璃: 深入探讨用于精密光学仪器、相机镜头、显微镜、望远镜等的光学玻璃的种类、特性和制造工艺,包括低色散玻璃、高折射率玻璃、紫外透过玻璃、红外透过玻璃等。 电子玻璃: 介绍用于显示器(液晶屏、OLED屏)、触控面板、半导体封装的电子玻璃,包括低热膨胀玻璃、高电绝缘玻璃、导电玻璃等。 耐火与耐热玻璃: 讲解用于炉门、高温视窗、实验室器皿的耐火和耐热玻璃,如硼硅酸盐玻璃、微晶玻璃等。 生物医用玻璃: 介绍用于骨骼修复、药物缓释、组织工程的生物活性玻璃和生物惰性玻璃。 光纤玻璃: 重点介绍通信光纤、传感光纤等光纤玻璃的制造原理、高纯度要求以及制造工艺。 智能玻璃: 探讨电致变色玻璃、热致变色玻璃、光致变色玻璃等智能玻璃的原理、应用前景以及制造技术。 纳米玻璃: 介绍纳米结构玻璃在催化、过滤、光学材料等领域的潜在应用。 其他特种玻璃: 如防弹玻璃、电磁屏蔽玻璃、声学玻璃等。 本书将详细分析这些特种玻璃的性能特点、关键制造技术以及在航空航天、新能源、信息技术、医疗健康等前沿领域的应用案例,展示玻璃材料在科技创新中的巨大潜力。 六、 质量控制与安全生产:保障卓越品质与可持续发展 玻璃生产的每一个环节都必须严格执行质量控制标准,以确保产品的性能和可靠性。本书将重点介绍玻璃的质量检测方法和质量控制体系。 化学分析: 介绍分析玻璃成分的方法,如光谱分析、化学滴定等。 物理性能检测: 讲解玻璃的机械强度(抗弯、抗压、抗冲击)、热学性能(热膨胀系数、热导率)、光学性能(折射率、透光率)、电学性能(介电常数、电阻率)等检测方法。 无损检测: 介绍用于检测玻璃内部缺陷(如气泡、夹杂、微裂纹)的无损检测技术,如超声波检测、X射线检测等。 表面缺陷检测: 讲解用于检测玻璃表面划痕、麻点、夹杂等缺陷的检测方法。 同时,玻璃生产过程涉及高温、强腐蚀性物质等,安全生产至关重要。《新编玻璃工艺学》也将关注玻璃行业的安全生产规范、环境保护措施以及可持续发展理念,强调在追求技术进步的同时,必须保障人员安全和环境友好。 七、 玻璃工艺学的未来展望:创新驱动的无限可能 玻璃工艺学并非一成不变,它正随着科学技术的进步而不断演进。本书最后将展望玻璃工艺学的未来发展方向,包括: 智能化制造: 引入人工智能、大数据、物联网等技术,实现玻璃生产过程的智能化控制和优化。 新材料开发: 持续探索新型玻璃组成、结构和性能,开发具有更高强度、更好韧性、更优异光学或电学特性的玻璃材料。 绿色制造: 推动节能降耗、减少污染的环保型生产工艺,开发可回收、可降解的玻璃材料。 跨学科融合: 加强玻璃学与材料科学、物理学、化学、工程学、生物学等学科的交叉融合,催生新的应用领域和技术突破。 个性化与定制化: 满足日益增长的个性化需求,发展能够快速响应客户需求的柔性化生产模式。 《新编玻璃工艺学》不仅是一本教科书,更是一份对玻璃科学与技术的热忱探索。我们希望通过本书,能够激发读者对玻璃工艺学的浓厚兴趣,培养具备扎实理论基础和创新实践能力的专业人才,共同推动玻璃材料科学的蓬勃发展,为人类社会的美好未来贡献更多“玻璃之光”。