零膨脹玻璃

零膨脹玻璃是指熱膨脹係數較小的玻璃。玻璃與晶體的不同之處在於原子和離子的空間排列是不規則的。因此,其熱物性從理論上不能預測,表現出各種異常現象。例如玻璃的熱膨脹係數隨溫度降低而變小,但從SiO2網路形成物成分來看,玻璃在低溫時有時也變為負的熱膨脹。

窗玻璃和瓶罐玻璃等為普通的鈉鈣矽玻璃,膨脹係數為(900~100)×10K。而派萊克斯玻璃膨脹係數為(30~35)X 10K,約是鈉鈣矽玻璃的1/3。

簡介

只有SiO的石英玻璃是最具代表性的低膨脹材料。它是在較易製造的物品中膨脹係數最小的材料,其室溫附近膨脹係數約為5X10K,在低溫下將更小,約在-80℃時膨脹係數為零,溫度更低時成為負的膨脹。石英玻璃的轉變溫度高達1100℃,高溫下不產生軟化變形。SiO玻璃的密度為2.2 X 10kg·m,比其他玻璃小,玻璃構造中空隙較多。在這種SiO中加入其他成分,例如鹼金屬氧化物,將有許多氧離子配位修飾離子填充於玻璃構造的空隙中,且產生非橋氧,形成弱的離子結合,使膨脹係數增大。

製備

只含這種SiO為主成分網路形成成分的低膨脹玻璃密度小,結構中空隙較多,可透過氦氣和氫氣,而且這種玻璃主要以共價鍵結合,結合能非常大。因而製造較困難,需在2000℃高溫下熔融,熔液黏度又非常大,不易成形。這種玻璃也可採用化學氣相蒸鍍法的一種氣煉熱分解法製造。

製備工藝為:將純度高的SiCl或TiCl混合液體以霧化狀態噴入1600~1700℃高溫爐中,用氫氧焰加熱,氣相條件產生氧化反應形成SiO或SiO一TiO系玻璃微粒,然後將這些微粒沉降集中於接收皿中,最後在1800℃高溫下加熱燒結,形成透明的塊狀玻璃。其他方法如常用的溶膠一凝膠法,是利用矽及鈦的烷氧基,經加水分解、聚合成形,比較適合製備纖維和塗覆薄膜,但不易製備複雜形狀的塊玻璃。

用途

低膨脹玻璃的特點之一是耐熱衝擊性強,即耐急冷急熱。派萊克斯玻璃組成是以SiO為主成分,其化學耐久性長,熱膨脹係數是普通玻璃的1/3。因此成為耐熱玻璃,用於燒杯等理化器皿、餐具、廚具、咖啡保溫壺等。派萊克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急熱,但一般不能承受200℃以上的熱衝擊。

石英玻璃與上述玻璃相比,熱膨脹係數更小,玻璃轉變溫度也高,因此將其紅熱的製品放入冷水中也不會炸裂。即使加熱至1100℃高溫也幾乎不變形。因具有這些優良的耐熱性能,石英玻璃在許多方面具有多種用途。如在高溫下使用的理化器皿和精密的測量儀器,以及水銀燈等特殊電光源玻璃都使用石英玻璃。在高溫下進行精密測量要求熱膨脹係數儘量接近於零,需要耐熱性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等熱分析儀器必須使用石英玻璃。由於石英玻璃具有優良的熱特性、包括其他優良的功能特性,因此它成為最具代表性的功能玻璃。

影響因素

影響玻璃熱膨脹的因素,不僅有化學結合,而且與結合角度的變化有關,呈現複雜的關係。例如化學組成均為二氧化矽的石英玻璃,α一石英、β一石英的熱膨脹反應有顯著的差異。在573℃轉變點的低溫側為α型,高溫側為β型。α一石英的膨脹係數值較大,接近轉變點時更大。到轉變點以上成為β一石英,此時進一步升高溫度,體積反而減小,即呈現負膨脹。負膨脹是指溫度升高時體積收縮,溫度降低,體積反而膨脹。水在0~4攝氏度之間也具有負膨脹係數。、β一石英與其他SiO相比是密度小、空隙多的晶體構造。

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