硅酸盐类非金属材料——玻璃

玻璃是非晶态无机非金属材料，一般是用多种无机矿物，如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等为主要原料，另外加入少量辅助原料制成的。它的主要成分为二氧化硅和其他氧化物。

普通玻璃的化学组成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是硅酸盐复盐，属于混合物，是一种无规则结构的非晶态固体。

一、发展历史

世界最早的玻璃制造者为古埃及人。

3000多年前，一艘欧洲腓尼基人的商船，满载着晶体矿物“天然苏打”，航行在地中海沿岸的贝鲁斯河上。由于海水落潮，商船搁浅了，于是船员们纷纷登上沙滩。有的船员还抬来大锅，搬来木柴，并用几块“天然苏打”作为大锅的支架，在沙滩上做起饭来。

船员们吃完饭，潮水开始上涨了。他们正准备收拾一下登船继续航行时，突然有人高喊：“大家快来看啊，锅下面的沙地上有一些晶莹明亮、闪闪发光的东西!”

船员们把这些闪烁光芒的东西，带到船上仔细研究起来。他们发现，这些亮晶晶的东西上粘有一些石英砂和融化的天然苏打。

原来，这些闪光的东西，是他们做饭时用来做锅的支架的天然苏打，在火焰的作用下，与沙滩上的石英砂发生化学反应而产生的物质，这就是最早的玻璃。

大约在4世纪，古罗马人开始把玻璃应用在门窗上，到1291年，意大利的玻璃制造技术已经非常发达。

公元12世纪，出现了商品玻璃，并开始成为工业材料。

1688年，一名叫纳夫的人发明了制作大块玻璃的工艺，从此，玻璃成了普通的物品。

18世纪，为适应制望远镜的需要，制出光学玻璃。1874年，比利时首先制出平板玻璃。1906年，美国制出平板玻璃引上机，此后，随着玻璃生产的工业化和规模化，各种用途和各种性能的玻璃相继问世。

现代，玻璃已成为日常生活、生产和科学技术领域的重要材料。

几百年来，人们一直认为玻璃是绿色的，是无法改变的。后来发现绿色来自原料中少量的铁，二价铁的化合物使得玻璃显绿色。在加入二氧化锰以后，原来的二价铁变成三价铁显黄色，而四价锰被还原成三价锰呈紫色。光学上，黄色和紫色在一定程度上可以互补，混合在一起成为白光，玻璃就不偏色了。不过若干年后，三价锰被空气继续氧化，黄色会逐渐增强，所以那些古老房屋的窗玻璃会略微带点黄色。

二、玻璃的生产工艺

硅酸盐玻璃通常以石英砂、纯碱、长石及石灰石等为原料，经混和、高温熔融、匀化后，加工成形，再经退火而得。主要包括:

⒈原料预加工。将块状原料(石英砂、纯碱、石灰石、长石等)粉碎，使潮湿原料干燥，将含铁原料进行除铁处理，以保证玻璃质量。

⒉配合料制备。

⒊熔制。玻璃配合料在池窑或坩埚窑内进行高温(1550-1600℃)加热，使之形成均匀、无气泡，并符合成型要求的液态玻璃。

⒋成型。将液态玻璃加工成所要求形状的制品，如平板、各种器皿等。

⒌热处理。通过退火、淬火等工艺，消除或产生玻璃内部的应力、分相或晶化，以及改变玻璃的结构状态。

三、玻璃的物态

玻璃并不完全是固体。玻璃既不是晶态，也不是非晶态，也不是多晶态，也不是混合态。理论名称叫玻璃态。

从微观上看，玻璃也是一种液体，其分子不像晶体那样在空间具有长程有序的排列，而近似于液体那样具有短程有序。玻璃像固体一样保持特定的外形，不像液体那样随重力作用而流动。

玻璃态在常温下的特点是：

短程有序，即在数个或数十个原子范围内，原子有序排列，呈现晶体特征；

长程无序，即再增加原子数量后，便成为一种无序的排列状态，其混乱程度类似于液体。

在宏观上，玻璃又是一种固态的物质。

玻璃就是这样一种物质。造成玻璃这种结构的原因是：玻璃的粘度随温度的变化速度太快，而结晶速度又太慢。当温度下降，结晶刚刚开始的时候，粘度就已经变得非常大，原子的移动被限制住，造成了这种结果。所以，玻璃态类似于固态的液体，物质中的原子永远都是处于结晶的过程中。

因此，玻璃中的原子位置看似固定，但是原子间依然有作用力促使它具备重新排列的趋势。并不是一个稳定的状态，这和石蜡中的原子状态不同。所以，同样不是晶体，常温下，石蜡完全是固体，而玻璃却可以被看作是粘度极大的液体。

四、玻璃的特性

㈠玻璃态物质的特性

⒈各向同性

玻璃的分子排列是无规则的，其分子在空间中具有统计上的均匀性。在理想状态下，均质玻璃的物理、化学性质，如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热率、电导率等在各方向都是相同的。

⒉无固定熔点

因为玻璃是混合物，非晶体。玻璃由固体转变为液体是在一定温度区域(即软化温度范围)内进行的，它与结晶物质不同，没有固定的熔点。

⒊亚稳性

玻璃态物质一般是由熔融体快速冷却而得到，从熔融态向玻璃态转变时，冷却过程中黏度急剧增大，质点来不及做有规则排列而形成晶体，没有释出结晶潜热，因此，玻璃态物质比结晶态物质含有较高的内能，其能量介于熔融态和结晶态之间，属于亚稳状态。从力学观点看，玻璃是一种不稳定的高能状态，比如存在低能量状态转化的趋势，即有析晶倾向，所以，玻璃是一种亚稳态固体材料。

⒋渐变性可逆性

玻璃态物质从熔融态到固体状态的过程是渐变的，其物理、化学性质的变化也是连续的和渐变的。这与熔体的结晶过程明显不同，结晶过程必然出现新相，在结晶温度点附近，许多性质会发生突变。而玻璃态物质从熔融状态到固体状态是在较宽温度范围内完成的，随着温度逐渐降低，玻璃熔体黏度逐渐增大，最后形成固态玻璃，但是过程中没有新相形成。相反玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的。

㈡玻璃的特性

根据种类不同，玻璃有不同的特性。

⒈良好的透视、透光性能(3mm、5mm厚的镜片玻璃的可见光透射比分别为87%和84%)。对太阳光中近红外热射线的透过率较高，但对可见光折射至室内墙顶地面和家具、织物而反射产生的远红外长波热射线却有效阻挡，故可产生明显的“暖房效应”。净片玻璃对太阳光中紫外线的透过率较低。

⒉隔声、有一定的保温性能。

⒊抗拉强度远小于抗压强度，是典型的脆性材料。

⒋有较高的化学稳定性，通常情况下，对酸碱盐及化学试剂和气体都有较强的抵抗能力，但长期遭受侵蚀性介质的作用也能导致变质和破坏，如玻璃的风化和发霉都会导致外观破坏和透光性能降低。

⒌热稳定性较差，极冷极热易发生炸裂。

四、普通平板玻璃

平板玻璃有不同的厚度，通常将厚度多少mm称为多少厘或者个。我们所说的3厘(个)玻璃，就是指厚度3mm的玻璃。

⒈3-4厘玻璃，这种玻璃主要用于画框表面。

⒉5-6厘玻璃，主要用于外墙窗户、门扇等小面积透光造型等等。

⒊7-9厘玻璃，主要用于室内屏风等较大面积但又有框架保护的造型之中。

⒋9-10厘玻璃，可用于室内大面积隔断、栏杆等装修项目。

⒌11-12厘玻璃，可用于地弹簧玻璃门和一些活动人流较大的隔断。

⒍15厘以上玻璃，主要用于较大面积的地弹簧玻璃门和外墙整块玻璃墙面。

五、玻璃的应用

玻璃广泛用于建筑、日用、艺术、医疗、化学、电子、仪表、核工程等领域。

⒈彩色平板玻璃：有耐腐蚀抗冲刷、易清洗等特点。

⒉釉面玻璃：具有良好的化学稳定性和装饰性。

⒊压花玻璃、喷花玻璃、乳花玻璃、刻花玻璃、冰花玻璃：根据各自制作花纹的工艺不同，有各种色彩、观感、光泽效果，富有装饰性。

⒋着色玻璃：有效吸收太阳辐射热，达到蔽热节能效果；吸收较多可见光，使透过的光线柔和；较强吸收紫外线，防止紫外线对室内影响；色泽艳丽耐久，增加建筑物外形美观。

⒌镀膜玻璃：保温隔热效果较好，易对外面环境产生光污染。

⒍中空玻璃：光学性能良好、保温隔热性能好、防结露、具有良好的隔声性能。

⒎钢化玻璃：机械强度高、弹性好、热稳定性好、碎后不易伤人、不易发生自爆。

⒏夹丝玻璃：受冲击或温度骤变后碎片不会飞散；可短时防止火焰蔓延；有一定的防盗、防抢作用。

⒐夹层玻璃：透明度好、抗冲击性能高、夹层PVB胶片粘合作用保护碎片不散落伤人，耐久、耐热、耐湿、耐寒性高。

六、玻璃的擦拭及注意事项

㈠玻璃的擦拭

⒈擦拭玻璃：先用毛巾将玻璃框擦干净，再用玻璃刮沾稀释后的玻璃水溶液，均匀的从上到下涂抹玻璃，用玻璃刮从上到下刮干净，用干毛巾擦净框上留下的水痕，玻璃上的水痕一定要用玻璃刮擦干净，否则将会在玻璃上留下一道道痕迹。

⒉日常清洁时，用湿毛巾或报纸擦拭即可，如遇污迹可用毛巾蘸啤酒或温热的食醋擦除，将醋和水按1:2的比例调和，放入喷雾中，喷在玻璃上再擦抹，就可擦得非常干净。另外也可以使用市场上出售的玻璃清洗剂，忌用酸碱性较强的溶液清洁。冬天玻璃表面易结霜，可用布蘸浓盐水或白酒来擦拭，效果很好。

⒊在水盆中加入5%的阿摩尼亚溶液或汽油，用其清洗玻璃，待玻璃稍干再用干布擦抹干净，玻璃即可一尘不染，光亮透明。在擦玻璃的时候，可选用不同的型号擦窗器，看清是擦双层玻璃的还是单层玻璃的。

⒋如玻璃表面有发霉现象，可将氢氟酸(HF)与水1:8的比例调和(注意：超过1:8，会对手部造成损伤)，拭擦玻璃。

注意：一定要做好腐蚀防护工作，皮肤不可接触HF，否则会严重腐蚀！拭擦完玻璃后，用清水再拭擦一遍，最后将玻璃擦干。

⒌ 有花纹的毛玻璃一旦脏了，可用蘸有清洁剂的牙刷，顺着图样擦拭即可去除。此外，也可以在玻璃上滴点煤油或用粉笔灰和石膏粉蘸水涂在玻璃上晾干，再用干净布或棉花擦，这样玻璃既干净又明亮。

⒍ 使用保鲜膜和喷有洗涤剂的湿布也可以让沾满油污的玻璃“重获新生”。首先，将玻璃全面喷上清洁剂，再贴上保鲜膜，使凝固的油渍软化，过十分钟后，撕去保鲜膜，再以湿布擦拭即可。要想保持玻璃光洁明亮，必须经常动手清洁，玻璃上若有笔迹，可用橡皮浸水摩擦，然后再用湿布擦拭；玻璃上若有油漆，可用棉花蘸热醋擦洗；用清洁干布蘸酒精擦拭玻璃，可使其亮如水晶。

㈡注意事项

⒈在运输过程中为了避免不必要的损失，一定要注意固定和加软护垫。一般建议采用竖立的方法运输。车辆也应该注意保持稳定、慢速。

⒉玻璃安装的另一面是封闭的话，要注意在安装前清洁好表面。最好使用专用的玻璃清洁剂，并且要待其干透后证实没有污痕后方可安装，安装时最好使用干净的建筑手套。

⒊玻璃的安装，要使用硅酮密封胶进行固定，在窗户等安装中，还需要与橡胶密封条等配合使用。

⒋在施工完毕后，要注意加贴防撞警告标志，一般可以用不干贴、彩色电工胶布等予以提示。

⒌平时不要用力碰撞玻璃面，为防玻璃面被刮花，最好铺上台布。在玻璃家具上搁放东西时，要轻拿轻放，切忌碰撞。

⒍ 玻璃家具最好安放在一个较固定的地方，不要随意地来回移动；要平稳放置物件，沉重物件应放置玻璃家具底部，防止家具重心不稳造成翻倒。另外，要避免潮湿，远离炉灶，要与酸、碱等化工试剂隔绝，防止腐蚀变质。

⒎ 勿用尖锐物品碰撞。