美國 Mo-Sci 玻璃微球 Glass 101: 玻璃加工溫度

Molten glass pouring out of a furnace

玻璃是一種無長程有序結構的非晶態固體。這種無序性使玻璃不同于晶體固體。例如,當二氧化硅緩慢冷卻并通過結晶溫度時,晶體得以形成,使得固體在整個材料中具有幾何結構。而當二氧化硅被加熱后快速冷卻時,其有序的晶體結構無法重新形成,因而變為無定形固體(玻璃)。[1]

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玻璃在熔化過程中會經歷不同的轉變。玻璃轉變溫度、軟化點和結晶溫度都是玻璃成型過程的一部分。仔細操作這些步驟對形成無應力的玻璃產品至關重要。

**玻璃轉變溫度**
玻璃轉變溫度(Tg)表示無定形材料從硬脆狀態過渡到隨著溫度升高變為粘性狀態的溫度范圍。[2] 在Tg以上,固體開始表現出粘彈性特性。當無序分子低于Tg時,它們的能量較少,施加應力時分子無法移動到新的位置。而在Tg以上,分子擁有更多的動能,可以移動以緩解施加的應力。[3] 退火溫度是根據玻璃轉變溫度選擇的,以便在玻璃完全冷卻之前釋放任何應力。

**Littleton軟化點**
玻璃的Littleton軟化點(Ts)是指玻璃在自身重量下開始流動的溫度。隨著玻璃加熱,玻璃更容易流動。流動阻力被稱為粘度。在軟化點處,玻璃的粘度為107.6泊。[4] 這個點通常用來定義玻璃的工作范圍。當玻璃達到軟化點時,它是可塑的,但并沒有完全熔化。

**結晶溫度**
結晶溫度(Tx)表示結晶的開始。結晶是形成固體的過程,分子高度有序地排列成一種稱為晶體的幾何結構。這一過程分為兩個步驟。第一步是成核,即“種子”形成。成核可以受到基體內次相形成或引入外部物質(如坩堝中的顆粒)的影響。第二步是晶體生長,即圍繞最初的成核點分層生長。[5] 結晶使熔體降至較低的能量狀態。如果熔體結晶,它就不會成為玻璃,因為玻璃是一種無序固體。通過快速淬火穿過玻璃轉變區域可以避免結晶。

**熱膨脹系數**
熱膨脹系數(CTE)描述了材料在溫度變化時形狀、面積和體積的變化。[6] 熱是一種動能。當材料受熱時,其動能增加,導致分子以更高的頻率振動。分子因此占據比平時更多的空間。相反,當材料冷卻時,分子的動能減少,收縮并占據更少的空間。在將不同部件粘合在一起時,CTE非常重要。使用玻璃密封不同固體時,必須匹配CTE。兩種不同的材料和密封玻璃應具有相同或相似的CTE,以防止密封破裂。

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