玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：在步驟⑴之前先對(duì)一個(gè)同類樣品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)形成體配位C1及玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg1的測(cè)試，然后再進(jìn)行以下的預(yù)測(cè)步驟；⑴玻璃結(jié)構(gòu)信息檢測(cè)；⑵結(jié)構(gòu)配位和網(wǎng)絡(luò)形成結(jié)構(gòu)鏈維度計(jì)算；⑶玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度預(yù)測(cè)的計(jì)算公式；⑷玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度預(yù)測(cè)的計(jì)算結(jié)果。本發(fā)明經(jīng)應(yīng)用實(shí)施證明：能夠精確預(yù)測(cè)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度，尤其表現(xiàn)對(duì)未知性能的玻璃組成上；能大幅降低被檢測(cè)玻璃樣品的損壞數(shù)量，提高玻璃性能的測(cè)試效率并降低成本、縮短檢測(cè)時(shí)間；操作簡(jiǎn)便，無(wú)需傳統(tǒng)方法需要的大量熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的參數(shù)就能對(duì)玻璃的性能進(jìn)行修正。
【專利說明】玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于玻璃材料性能表征測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的，涉及一種玻璃的轉(zhuǎn)變溫度 和硬度的預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 玻璃因其具有優(yōu)良的透光性、成型性及力學(xué)性能已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。 但是，因玻璃是高溫熔體經(jīng)快速冷卻而形成的，對(duì)其熱學(xué)性能的檢測(cè)通常需要花費(fèi)大量的 時(shí)間和能耗，并且檢測(cè)方法比較復(fù)雜。玻璃的轉(zhuǎn)變溫度是非常重要的熱學(xué)性能參數(shù)，該參數(shù) 對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)弛豫、減少內(nèi)部缺陷有著重要的指導(dǎo)作用。室溫下玻璃體相材料的硬度是決定 其使用價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)，但是，因?yàn)椴Ａ谴嘈圆牧?，其常?guī)測(cè)試方法是通過硬度計(jì)來檢測(cè) 硬度。但是，硬度測(cè)試對(duì)玻璃表面的光潔度也是有嚴(yán)苛的要求，會(huì)占用大量時(shí)間用于玻璃表 面拋光。并且，如果硬度計(jì)的壓頭壓力過大容易在玻璃表面留下裂紋，使得硬度測(cè)試的數(shù)據(jù) 發(fā)生失真。目前，對(duì)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度以及硬度尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。因此，提高對(duì)玻璃的轉(zhuǎn) 變溫度和硬度的檢測(cè)效率，檢測(cè)時(shí)對(duì)樣品形成的損傷盡可能小，能從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)正確評(píng) 價(jià)玻璃的宏觀性能，對(duì)玻璃的組成和設(shè)計(jì)能形成某種支持，是目前業(yè)界所普遍關(guān)注的。
[0003] 目前，測(cè)定玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度常用的方法有Vogel-Fulcher-Tammann法和 Avramov- Milchev法，它們都是通過與溫度所對(duì)應(yīng)的粘度來預(yù)測(cè)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度的。但是， 它們都存有不足，其中，Vogel- Fulcher-Tammann法在玻璃低溫致密態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)失效 的問題；而Avramov-Milchev法則在玻璃處于超冷液態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)預(yù)測(cè)失效?，F(xiàn)在還沒有一 種預(yù)測(cè)方法能同時(shí)有效地解決玻璃隨溫度變化在不同狀態(tài)下出現(xiàn)失真的問題。
[0004] 針對(duì)玻璃硬度的表征方法，現(xiàn)有的方法主要是直接測(cè)試法，有"奴氏硬度法"、"維 氏硬度法"等，它們都是以計(jì)算單位所產(chǎn)生的壓痕面積作為所能承受壓力的結(jié)果的，區(qū)別僅 在于壓頭的形狀和尺寸。顯然，這種單一的測(cè)試方法不適合用于大批量不同組分玻璃硬度 的檢測(cè)?，F(xiàn)在的研究發(fā)現(xiàn)：通過玻璃微觀配位結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)隨組分連續(xù)變化的性能評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn) 大規(guī)模的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)并能實(shí)現(xiàn)玻璃的無(wú)損檢測(cè)和快速預(yù)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決上述的不足，提供一種玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方 法，它能降低對(duì)大規(guī)模樣品的測(cè)試成本，減少時(shí)間上的浪費(fèi)和對(duì)樣品本身的破壞，能對(duì)玻璃 的轉(zhuǎn)變溫度和硬度給予精確預(yù)測(cè)，為玻璃成分及性能的設(shè)計(jì)提供重要的支持。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案。
[0007] 采用微觀結(jié)構(gòu)表征方法在室溫下獲得隨化學(xué)組成變化的各網(wǎng)絡(luò)形成體Xl、χ 2、 χ3......χη的配位情況，記錄與每種網(wǎng)絡(luò)形成體配位情況相對(duì)應(yīng)的含量f\、f2、&......f n，計(jì)算 玻璃單位網(wǎng)絡(luò)形成體配位C的表示為： 一種玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟： (1)玻璃結(jié)構(gòu)信息檢測(cè) 采用微觀結(jié)構(gòu)表征方法在室溫下獲得玻璃微觀結(jié)構(gòu)信息，即，隨化學(xué)組成變化的各網(wǎng) 絡(luò)形成體XpX2、X3......χη的配位情況，記錄與每種網(wǎng)絡(luò)形成體配位情況相對(duì)應(yīng)的含量f\、f 2、 f3......fn,計(jì)算玻璃單位網(wǎng)絡(luò)形成體配位C的公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 玻璃結(jié)構(gòu)信息檢測(cè) 采用微觀結(jié)構(gòu)表征方法在室溫下獲得玻璃微觀結(jié)構(gòu)信息，既，隨化學(xué)組成變化的各網(wǎng) 絡(luò)形成體XpX2、x3......Χη的配位情況，記錄與每種網(wǎng)絡(luò)形成體配位情況相對(duì)應(yīng)的含量f\、f 2、 f3......fn,計(jì)算玻璃單位網(wǎng)絡(luò)形成體配位C的公式為：
式中，4、Μ分別代表氧原子在玻璃原料中的含量和玻璃原子總數(shù)； (2) 結(jié)構(gòu)配位和網(wǎng)絡(luò)形成結(jié)構(gòu)鏈維度計(jì)算 基于玻璃粘度與溫度的變化關(guān)系，得到與玻璃的轉(zhuǎn)變溫度所對(duì)應(yīng)的粘度與步驟（1)獲 得玻璃微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg的理論計(jì)算模型，其計(jì)算公式為：
式中： Tgl表示已知樣品玻璃的轉(zhuǎn)變溫度， C表示單位網(wǎng)絡(luò)形成體配位， Q表示已知樣品網(wǎng)絡(luò)形成體配位； (3) 玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度預(yù)測(cè)的計(jì)算公式 采用硬度計(jì)測(cè)量玻璃樣品的硬度值氏、H2……Hn，得到硬度與步驟（1)獲得玻璃微觀結(jié) 構(gòu)相配位的線性變化值L，其計(jì)算公式為：
(4) 玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度預(yù)測(cè)的計(jì)算結(jié)果 根據(jù)玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)鏈的維度，結(jié)合步驟（3)計(jì)算的測(cè)試硬度值與玻璃微觀結(jié)構(gòu)配位的 線性變化關(guān)系，建立玻璃硬度Η的計(jì)算公式：
式中，Η表示玻璃硬度；L表示線性變化值；d表示玻璃單位網(wǎng)絡(luò)形成體結(jié)構(gòu)鏈維度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，在所述的 步驟（1)之前包含對(duì)一個(gè)同類樣品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)形成體配位Q及玻璃的轉(zhuǎn)變溫度T gl的測(cè)試步 驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟（1)所 述的微觀結(jié)構(gòu)表征方法包括核磁共振、拉曼光譜、紅外光譜、X射線光電子能譜、X射線吸收 精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟（2)還 包括：用玻璃單位網(wǎng)絡(luò)形成體配位來計(jì)算玻璃結(jié)構(gòu)中原子在三維空間的自由度F，其計(jì)算 公式為： F = 3-C (5)； 將所述玻璃結(jié)構(gòu)中原子在三維空間的自由度與玻璃結(jié)構(gòu)熵S相關(guān)聯(lián)，其計(jì)算公式為： S = FnBIn Ω (6)， 式中： η表示玻璃結(jié)構(gòu)中的原子數(shù)目， Β表示玻璃結(jié)構(gòu)的波爾茲曼常數(shù)， Ω表示玻璃結(jié)構(gòu)中的原子自由度構(gòu)型變化程度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，將玻璃結(jié) 構(gòu)的熵值用于表達(dá)玻璃的粘度Π ，其表達(dá)式為：
式中，V表示玻璃在溫度無(wú)限大時(shí)的粘度， μ表示玻璃在溫度無(wú)限大時(shí)的熱力學(xué)常數(shù)， Τ表示玻璃在溫度無(wú)限大時(shí)的溫度； 玻璃在溫度無(wú)限大時(shí)的粘度V為ΚΓ5 Pa · s，玻璃的粘度η可認(rèn)為是1012 Pa · s，將 之代入表達(dá)式（3)?表達(dá)式（6)，得到預(yù)測(cè)玻璃的轉(zhuǎn)變溫度的計(jì)算模型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃的轉(zhuǎn)變溫度和硬度的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述的步 驟（4)包括玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)鏈的維度d，其計(jì)算公式為：
式中，某網(wǎng)絡(luò)形成體配位xn > 4,則該項(xiàng)表示為3fn。
【文檔編號(hào)】G01N33/38GK104062422SQ201410255189
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】曾惠丹, 蔣奇, 劉釗, 李響, 季曉明 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)