玻璃理論熒光燈PPT學習教案

1、會計學1玻璃理論熒光燈玻璃理論熒光燈目錄目錄1、玻璃及其結(jié)構(gòu)2、粘度3、成分4、熱的傳導性5、電的傳導性6、機械強度7、熱膨脹和應力8、表面張力9、分類第1頁/共36頁1、玻璃及其結(jié)構(gòu)、玻璃及其結(jié)構(gòu)玻璃是幾千年以前在自然界中發(fā)現(xiàn)的一種材料。這種材料非常堅硬，可以用于制作刀、箭以及類似的東西。當這種材料可以人工合成時，玻璃就有多種用途，制燈就是其中之一。大多數(shù)普通玻璃的基礎(chǔ)成分是沙子（SiO2），其基本的分子結(jié)構(gòu)是四面體，其他的材料可能有另一種結(jié)構(gòu)，如鹽（NaCl）的基本結(jié)構(gòu)就是立方體。Si4+ O2 - Cl - Na+ Fig.1Fig.2第2頁/共36頁和液體相比，從“熔融”狀態(tài)開始，這四

2、面體沒有相互聯(lián)結(jié)，通過緩慢的冷卻，可以達到一個規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，其中所有的結(jié)合力是相等的。普通鹽晶體理想的SiO2晶體（二維示意圖）通常情況下，當結(jié)晶速率大于冷卻速率時，就會形成“理想的”晶體結(jié)構(gòu)。Fig.3第3頁/共36頁在某些情況下，如果液體迅速冷卻，就會變得非常粘滯，不同的離子的流動性將很低，就不能形成規(guī)則形態(tài)（晶體）。這就是玻璃，具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)。當然，玻璃要比相應的晶體結(jié)構(gòu)具有更高的能量狀態(tài)，因為比容較大。因此，玻璃始終具有晶化的趨勢。在溫度的作用下離子的流動性增加或降低，而這種趨勢與之相對應。（見粘度-溫度曲線）不規(guī)則結(jié)構(gòu)Fig.4第4頁/共36頁這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)有何作用？非晶體結(jié)構(gòu)說

3、明，玻璃沒有固定的熔點，但是，逐漸地從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，反之亦然。這是因為在熔化過程中，由于加熱激發(fā)，使聯(lián)結(jié)松動，也就是說，在某個平衡點周圍的成分振動一定的時間后，成為游離狀態(tài)，如同在液體中一樣，在物體內(nèi)移動。由于結(jié)合力不等，最弱的地方首先開始斷裂，而后較強的斷裂（7環(huán)第一，6環(huán)第二，接著5環(huán)，等等）467463晶體非晶體和非晶體的逐漸斷開相比較，結(jié)晶體材料的所有結(jié)合力是相等的，其變化是急劇突然的。Fig.5第5頁/共36頁這樣逐漸轉(zhuǎn)變的特性可以讓我們用不同于其他材料（如金屬）的加工方法來處理玻璃。這種狀態(tài)用粘度來描述，另外，熱傳導性能和表面張力，三者是有關(guān)玻璃加工的最重要的特性。2、粘度、粘度

4、粘度即流動的阻力，用“泊”表示。粘度與流動性相對立，即溫度越高，粘度越小，反之亦然。例如：水的粘度（20 時）：0.1 POISE；糖漿的粘度（ 20 時）：300 POISE； 蠟的粘度（ 20 時）：1010 POISE；軟玻璃的粘度（ 20 時）：1020 POISE；（ 600 時）：1010 POISE；（1200 時）：103 POISE；為了描述玻璃特征和比較不同的玻璃，美國測試材料協(xié)會在粘度-溫度曲線上定義了一些非常重要的點，這些點與典型的玻璃特性相關(guān)。第6頁/共36頁應力點 在此粘度點上，應力在幾小時內(nèi)可以消失退火點 在此粘度點上，應力在幾分鐘內(nèi)可以消失美國軟化點 在此粘度點

5、上，玻璃由于自身的表面張力和重力 的作用而變形，并且玻璃開始粘滯工作點 在此粘度點上，玻璃可以用經(jīng)濟的設(shè)備進行加工PHILIPS 為了玻璃加工的目的，提出了另一點，即 PHILIPS 軟化點。PHILIPS 軟化點 玻璃在外力的作用下變形，并且內(nèi)部應力在 幾秒之內(nèi)消失熔化點 玻璃沒有熔化點而只有熔化范圍，熔化點被人為地定 義為粘度= 102第7頁/共36頁粘度-溫度曲線粘度泊應力點退火點飛利浦軟化點美國軟化點工作點熔化點脆性 粘性 液態(tài)102104107.41012.410131014.5退火范圍工作范圍Fig.6設(shè)定點過渡點第8頁/共36頁一些玻璃的名義粘度-溫度數(shù)據(jù)第9頁/共36頁3、玻璃

6、成分、玻璃成分玻璃的最普通的成分是 SiO2 ，但還有更多的具有相同特性的成分，被稱為玻璃構(gòu)成。如氧化硼 B2O3 和 氧化磷 P2O5 。純 SiO2 的不規(guī)則結(jié)構(gòu)（如Fig.4所示）可以被其他成分所影響。Fig.7為所謂的多成分玻璃。另外的成分，在玻璃的網(wǎng)絡(luò)中扮演著調(diào)節(jié)劑的角色，可以在一種特性中起積極的影響，但對另一種特性起消極影響。Fig.7氧硅調(diào)節(jié)劑M1調(diào)節(jié)劑M2中間體M3例如，Na2O能破壞網(wǎng)絡(luò)橋架從而降低粘度，使玻璃變軟可以在較溫度下加工，但也會增加導電率和降低化學穩(wěn)定性，這是在制燈時不希望產(chǎn)生的。因此可以根據(jù)不同用途來改變玻璃成分以達到用戶要求。第10頁/共36頁4、熱的傳導性、

7、熱的傳導性材料的導熱率表示：驅(qū)動溫度變化 1 度時，單位體積內(nèi)相對兩面的熱流速度。在物體內(nèi)熱量傳遞有 3 種基本形式：1、傳導：某個原子比臨近的原子振動更大時（有較高的溫度）將會撞擊臨近的原子，這個原子因此振動變大（溫度增加了）。2、輻射：每個原子都發(fā)射和接收很小的能量束。當一個原子比其相鄰原子具有較高溫度時，發(fā)射的能量比接收的能量要多。它將因此損失能量（= 冷卻），同時臨近原子獲得能量（= 升溫）直至達到均衡。3、對流：當一個劇烈振動的原子能夠移動時，它將載著全部能量到另一處。當它到達某點時，它將使周圍的原子產(chǎn)生更大的振動（溫度更高）。第11頁/共36頁總的來說，在較低溫度時（如軟玻璃 80

8、0）,輻射 和對流最重要。這樣就可以理解玻璃液態(tài)程度越大，對流作用越大。導熱率溫度Fig.8很顯然，玻璃的這種性質(zhì)對于玻璃加工是非常重要的。在較低溫度時，熱量能夠正好對準需要加熱、相對狹窄的區(qū)域，而其他區(qū)域不會變形。隨著溫度的升高，熱量傳遞迅速增加，待加工的區(qū)域可以在合理的時間內(nèi)加熱到工作溫度。 優(yōu)點另一方面，由于導熱率低，貫穿玻璃體的溫度差異（加熱和冷卻所致）將引起應力。 缺點第12頁/共36頁玻璃的導熱率只是金屬的一小部分。這是因為金屬有規(guī)則的、晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)合力非常強大，碰撞（傳導）發(fā)生很快很激烈。結(jié)合力越大（即溫度低）這種現(xiàn)象越容易發(fā)生。所以，在室溫下，金屬的熱傳遞要遠遠大于玻璃，同樣

9、，當溫度降低時，金屬的熱導率增加。材料名稱銅鑄鐵硬橡膠Sodalimeglass20Sodalimeglass1000Sodalimeglass1200導熱系數(shù)J/ms 370750.0350.83060第13頁/共36頁總結(jié)冷玻璃 不良導熱體優(yōu)點：1、可以定點加熱。2、可以用手處理。缺點：可能產(chǎn)生應力。（0 450 區(qū)域）熱玻璃 良好導熱體優(yōu)點：熱流可以利用但必須控制它。第14頁/共36頁5、電的傳導性、電的傳導性金屬導電是在電子基礎(chǔ)上的，而玻璃的導電是由于離子的移動，特別是 Na 離子。在低溫條件下，由于粘度，離子運動很困難，但在高溫時卻容易進行。因此，在室溫下，可以認為玻璃是絕緣體，而在

10、高溫時，玻璃是導體。導電率對于燈管內(nèi)的裝架件而言十分重要。例如 Fig.9Fig.9Na+Na+ e+Na+ e+ e+ e+DCAC第15頁/共36頁當兩端電極加上直流電時，相對較小的 Na 離子就逐漸地從正極向負極移動。意味著正極附近的Na 離子減少而積聚在負極。這意味著兩端的玻璃成分發(fā)生了變化，引起膨脹系數(shù)的改變，應力也由此產(chǎn)生。應力炸裂漏氣。這種現(xiàn)象稱之為“電解”當兩端電極加上交流電時， Na 離子不能在電極之間移動。但電解仍然發(fā)生。在真空燈管內(nèi)，發(fā)熱的鎢絲將電子發(fā)射到相對較冷的芯柱夾扁上，夾扁的表面成為負電荷， Na 離子就從電極向表面移動。由于玻璃成分的逐漸變化，膨脹系數(shù)變化，引起

11、炸裂。溫度越高，電解發(fā)生得越快。由于導電率也將隨著Na含量的增加而增加，顯然的解決方案是降低Na含量。然而，這將導致軟化點溫度提高，會對制程產(chǎn)生負面影響。其他成分如 Pb 和 Ba 是“大”原子，阻礙Na 離子移動和電解。這也就是鉛玻璃用來做芯柱的原因。無鉛玻璃（360）Ba 代替了Pb，具有同樣的作用。第16頁/共36頁以上可以看出，玻璃類型不同導電率或電阻率也不同。見Fig.1014121086422004006008001000溫度Log p （ohm。Cm）Fig.10Soda limeLead silicate and Barium silicateAlumino silicateF

12、used silica第17頁/共36頁6、機械強度、機械強度理論上，玻璃強度很大，在真空條件下可以承受很大的應力（壓應力/張應力）真空室鋼絲1 mm251 kg玻璃絲1 mm2200 kg張應力斷裂重量玻璃絲可承受壓應力300 kg/mm2Fig.11第18頁/共36頁然而，一旦其表面出現(xiàn)不規(guī)則性，張力強度急劇下降，即所謂“刻痕效應”。如Fig.12，在玻璃上施加一張力F，裂痕尖端的局部應力可達到200倍，而這取決于裂痕的長度?？毯跢F也就是說，即使 F 很小，在裂痕處的應力也會很快超過其最大強度，玻璃將斷裂。此力= a*F，a 是放大系數(shù)，200 左右，取決于刻痕長度/銳度玻璃理論強度 減

13、小玻璃張力原因10000 N/mm2 玻璃纖維 玻璃結(jié)構(gòu)破壞1000 N/mm2 純新玻璃 大量表面瑕疵100 N/mm2 普通玻璃 大量表面瑕疵10 N/mm2 玻璃產(chǎn)品強度 第19頁/共36頁7、熱膨脹和應力、熱膨脹和應力熱膨脹玻璃的熱膨脹是非常重要的性質(zhì)，有兩個主要相關(guān)范圍：1、封口（兩種材料有效的封接）2、熱振阻力（承受熱振的能力）和其他材料一樣，玻璃遇熱膨脹，冷卻收縮。線性膨脹系數(shù)為：溫度變化1度時，材料在單位長度的長度變化。即L/LFig.13 中，可以區(qū)分3種不同的范圍。溫度L/LPQR第20頁/共36頁范圍 R Q粘度很低，四面體很容易移動，四面體的晶化速度與冷卻速度相當，玻璃

14、表現(xiàn)為粘稠的可塑的材料。膨脹系數(shù)比低溫時高，玻璃可以自由變形，兩種封接的玻璃的膨脹差異可以由粘稠的流動得到補償，沒有應力產(chǎn)生，直到飛利浦軟化點并從這里開始內(nèi)在應力產(chǎn)生。范圍 Q P粘度較高，越來越阻礙元素的運動。盡管理論上玻璃還是粘稠的，但四面體在結(jié)構(gòu)內(nèi)移動的時間越來越長，一直到設(shè)置溫度即玻璃實際可用的“固態(tài)點”，玻璃表現(xiàn)為不是完全的粘稠材料但也不是固體的，彈性的材料。介于這兩者之間，所謂“過渡范圍”。膨脹系數(shù)減低但不是和溫度成線性關(guān)系。封接兩種玻璃時，只要這兩種玻璃能緊跟可能的收縮差異，就不會產(chǎn)生應力，一直到設(shè)置溫度（= 應力點+5）范圍 P 0粘度非常大，四面體不可能在結(jié)構(gòu)內(nèi)移動，玻璃表現(xiàn)

15、為彈性的，固體的材料。從設(shè)置溫度往前，（實用而言從應力點開始）膨脹和溫度成比例。兩種封接的玻璃，由于膨脹系數(shù)不同而不能相互屈從，因此產(chǎn)生了應力。第21頁/共36頁應力1、由熱力引起的臨時應力 由于較低的熱導率，加熱或冷卻“固體的”玻璃 (飛利浦軟化點)從一側(cè)開始冷卻，由于導熱率低，造成兩側(cè)的溫度差異，最終產(chǎn)生應力，見Fig.15。冷卻速度越快，兩側(cè)溫度差異越大，應力越大。但將玻璃加熱到軟化溫度時（ T飛利浦軟化點)，應力可以消除，然后將其緩慢冷卻（溫差很?。@就是退火（見Fig.17）。有時快速冷卻產(chǎn)生應力（回火或增強）Fig.16a，利用此性質(zhì)可使純新玻璃在張應力作用下有更高的強度。如汽車

16、擋風玻璃和制燈中喇叭的增強工藝。見Fig.16b 第22頁/共36頁延長線 T1延長線 T2延長線T room溫 度 分 布T1T 2應 力 類 型張 應 力壓 應 力Fig.14加熱第23頁/共36頁室溫飛利浦軟化點 A1 B1軟 軟 A2 B2硬 軟 A3 B3硬 硬 A4 B4如果自由 A4 B4最終狀態(tài)Fig.15冷卻應力類型C T第24頁/共36頁快速冷卻快速冷卻應力點飛利浦軟化點工作溫度固態(tài)/軟化時間永久應力軟化：無應力內(nèi)側(cè)外側(cè)Fig.16a 回火和增強T和t第25頁/共36頁冷卻冷卻C0TC T CCCTFig.16b 回火和增強第26頁/共36頁固態(tài)：只有臨時應力快速冷卻室溫應

17、力點飛利浦軟化點工作溫度無應力時間快速冷卻臨時應力緩慢冷卻內(nèi)側(cè)外側(cè)固態(tài) 軟化軟化：無應力無TTFig.17 退火曲線第27頁/共36頁B，不可消除的應力將兩種具有不同膨脹系數(shù)的材料封接在一起時，很顯然，在冷卻之后應力產(chǎn)生了，這是由于聯(lián)結(jié)在一起后，一種材料還要進一步收縮而另一種不收縮造成的。這種應力不能消除，因為膨脹系數(shù)是材料的特性，不能改變。如：封口，芯柱導絲，鉬與石英玻璃等。冷卻飛利浦軟化點膨脹差異最終結(jié)果1 2T CT C工作點溫度Fig.18 不同材料的應力形成第28頁/共36頁3、由機械引起的應力機械的方法也能產(chǎn)生應力。例如，彎曲一根玻管或推壓一塊玻璃。此時，只要外力作用，應力就一直存

18、在。如燈頭很緊，燈管頂端受到壓應力。外力外力外力張力壓力Fig.19 機械引起的應力第29頁/共36頁8、表面張力、表面張力液體內(nèi)的分子通過內(nèi)聚力相互吸引。一個分子完全由其他分子環(huán)繞，不同方向具有相同的力，而其合力為零。但是，處在表面的分子受到的力并不均勻，其合力將分子向里“拽”。結(jié)果就是表面積/體積的比率盡可能的小，就是球體。合力球體Fig.20第30頁/共36頁帶動一個分子到表面需要一定的能量，也就是說，增加表面積需要用同樣的數(shù)量。這意味著，增加表面積，需要一定的能量 dW，那么，dW 與表面積增加 dS 之間的關(guān)系是表面張力A。A = dW/dS （J/m2）例：水， 20： 73 汞，

19、 20： 436 鈉玻璃，工作點溫度： 336 鉛玻璃，工作點溫度： 249 無鉛玻璃，工作點溫度：335玻璃的表面總是趨于收縮成球體，一旦玻璃的粘度允許，表面張力就起作用。這在玻璃加工中有許多應用，如燒口、提高芯柱水線、落料式封口等等。第31頁/共36頁9、分類、分類要將玻璃加工成型，必須將玻璃加熱到高溫，由于玻璃內(nèi)溫度的差異而引起應力。應力的大小取決于熱膨脹系數(shù)，飛利浦根據(jù)值，將玻璃分成四類。軟玻璃特性： = 90 100 10-7 / ；最大應用溫度：300 A，soda-lime 玻璃：成分：71% SiO2，17% Na2O，5% CaO主要應用：室內(nèi)照明（GLS，TL）主要種類：203 歐洲之外的工廠（GLS+TL），290 歐洲TL，241 歐洲GLS，320 全天候特種玻璃。B，Lead G