玻璃是什么制造的?

玻璃是什么制造的?

普通玻璃主要是非晶的二氧化硅(SiO2)，亦即石英，或砂的化学成分。
纯正的硅土溶点为摄氏2000度。因此制造玻璃时一般会加入两种材料：碳酸钠 (Sodium Carbonate,Na2CO3 ，即苏打粉)及碳酸钾(Potash，钾碱)。这样硅土溶点将降至1000度左右。但是因为碳酸钠会令玻璃溶于水中，因此通常还要加入适量的氧化钙CaO，使玻璃不溶于水。
对可见光透明是玻璃最大的特点。一般的玻璃因为制造时加进了碳酸钠，所以对波长短于400纳米的紫外线并不透明。若果要让紫外线穿透，玻璃必须以纯正的二氧化硅制造。这种玻璃成本较高，一般被称为石英玻璃。纯玻璃对红外线亦是透明的，可以造成数公里长，作通讯用途的玻璃纤维。
常见的玻璃通常亦会加入其他成份。例如看起来十分闪烁曜眼的水晶玻璃（Lead glass)，是在玻璃内加入铅,令玻璃的折射指数增加，产生更为眩目的折射。至于派来克斯玻璃(Pyrex)，则是加入了硼，以改变玻璃的热及电性质。加入钡亦可增加折射指数。制造光学镜头的玻璃则是加入钍的氧化物来大幅增加折射指数。倘若要玻璃吸收红外线，可以加入铁。例如放映机内便有这种隔热的玻璃。玻璃加入铈则会吸收紫外线。
在玻璃中加入各种金属和金属氧化物亦可以改变玻璃的颜色。例如少量锰可以改变玻璃内因铁造成的淡绿色。多一点锰则可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有类似的效果。少量钴可以造成蓝色的玻璃。锡的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃。这种玻璃好像是白色的陶瓷。铜的氧化物会造成青绿色的玻璃。以金属铜则会造成深红色、不透明的玻璃，看起来好像是红宝石。镍可以造成蓝色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。钛则可以造成棕黄色。微量的金(约0.001%)造成的玻璃是非常鲜明，像是红宝石的颜色。铀(0.1 至2%)造成的玻璃是萤火黄或绿色。银化合物可以造成橙色至黄色的玻璃。改变玻璃的温度亦会改变这些化合物造成的颜色，但当中的化学原理相当复杂，至今仍然未被完全明解。

果我问大家：“你知道玻璃吗？”大家一定会觉得很可笑，玻璃谁不知道呀！玻璃是透明的，硬而脆，容易敲碎。但如果我问大家：“玻璃是什么？它又是怎样制造出来的呢？”在座的可能很少有人能正确回答。的确，讲到玻璃大家都很熟悉。我们的住房用玻璃采光，汽车用玻璃挡风；我们每天看电视，电视机的显像管是玻璃做的；患有近视和老化眼疾朋友们戴的眼镜是玻璃；照相机、摄像机、望远镜都离不开光学玻璃透镜；喝酒的朋友用的酒瓶、酒杯都是玻璃做的；装饰用的工艺美术品，好多是用彩色玻璃做的；各种电光源都少不了玻璃外壳；指挥交通的红绿灯、航空信号灯是用彩色玻璃做的等等。总之，可以毫不夸张地说，我们的日常生活一刻也离不开玻璃。玻璃之所以有如此广泛的应用，是因为它有透明、坚硬、耐腐蚀、电绝缘等优良性能，而且制造玻璃的原料丰富、价格低廉、生产工艺相对简便，能用多种成形方法制成各种形状的制品。 那么,玻璃是什么呢？我们知道固体材料可以分为有机材料和无机材料两大类。有机材料有木材、塑料、有机玻璃、棉布、羊毛、尼龙等等。无机材料按照结构可以分成单晶体、多晶体和玻璃三大类。单晶体有规则的外形和严格规则的结构，例如红宝石是氧化铝单晶，水晶是二氧化硅单晶，金刚钻则是碳的单晶。多晶体是大量小单晶的集合体，各种陶瓷、金属都是多晶材料。玻璃是经熔融、冷却、固化而得到的非结晶固体。它的结构在原子、分子范围内有一定规则（近程有序），但在宏观范围却又没有规则（远程无序）。它可以依靠模具做成各种形状。玻璃的这种无规则结构，决定了玻璃的下列特性： 1．各向同性，玻璃的质点排列总的说来是无规则的，但又是统计均匀的，因此，它的物理、化学性质在任何方向都是相同的。而晶体则是各向异性的。例：电阻率、导热系数、透过率、折射率等。 2．无固定熔点，玻璃由固体转变为液体是在一定温度范围内逐渐变化的。而晶体是有确定的熔点的，例如，冰（水的晶体）在0゜C融化。玻璃的这一特性使它可用吹、拉、压等多种方法成形。 3．组成和性能的可调性，玻璃的性能可随其成分在一定范围内发生连续和逐渐的变化。而晶体则具有固定的成分和确定的性能。这样，我们就可以调节玻璃的成分，使它的性能满足使用的要求。 玻璃是如何生产出来的呢？玻璃的生产工艺包括：配料、熔制、成形、退火等工序。分别介绍如下： 1． 配料，按照设计好的料方单，将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。 2． 熔制，将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。这是一个很复杂的物理、化学反应过程。玻璃的熔制在熔窑内进行。熔窑主要有两种类型：一种是坩埚窑，玻璃料盛在坩埚内，在坩埚外面加热。小的坩埚窑只放一个坩埚，大的可多到20个坩埚。坩埚窑是间隙式生产的，现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。另一种是池窑，玻璃料在窑池内熔制，明火在玻璃液面上部加热。玻璃的熔制温度大多在1300~1600゜C。大多数用火焰加热，也有少量用电流加热的，称为电熔窑。现在，池窑都是连续生产的，小的池窑可以是几个米，大的可以大到400多米2。 3． 成形，是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。成形必须在一定温度范围内才能进行，这是一个冷却过程，玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，再转变成脆性固态。成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。 A． 人工成形。又有（1）吹制，用一根镍铬合金吹管，挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶、球（划眼镜片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用顶盘粘住，二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。（3）压制，挑一团玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。（4）自由成形，挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。 B． 机械成形。因为人工成形劳动强度大，温度高，条件差，所以，除自由成形外，大部分已被机械成形所取代。机械成形除了压制、吹制、拉制外，还有（1）压延法，用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。（2）浇铸法，生产光学玻璃。（3）离心浇铸法，用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中，由于离心力使玻璃紧贴到模子壁上，旋转继续进行直到玻璃硬化为止。（4）烧结法，用于生产泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂，在有盖的金属模具中加热，玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属（锡）表面上形成平板玻璃的方法，其主要优点是玻璃质量高（平整、光洁），拉引速度快，产量大 。 4． 退火，玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却，很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）。为了消除冷爆现象，玻璃制品在成形后必须进行退火。退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。 此外，某些玻璃制品为了增加其强度，可进行刚化处理。包括：物理刚化（淬火），用于较厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽车挡风玻璃等；和化学刚化（离子交换），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。刚化的原理是在玻璃表面层产生压应力，以增加其强度。 讲玻璃必定要提一下它的一个重要新发展——微晶玻璃。由于晶体的性能优于玻璃，而玻璃则具有易于制造的优势，于是人们自然会想到能否把两者结合起来实现优势互补呢？回答是肯定的，这种结合就是微晶玻璃。微晶玻璃是通过附加的热处理，使玻璃基体中长出大量均匀分布的微小晶体（微米级），而形成的一类新材料。或者说是一类用玻璃工艺制得的具有陶瓷性能的材料。它集中了玻璃和陶瓷的优点。如果说人类制造玻璃已有五千多年历史（最早是在古埃及），那末，微晶玻璃是20世纪50年代才出现的一类新型材料。 除了我们上面已提到的玻璃在日常生活中有着极其广泛的应用之外，玻璃在高科技领域有极其重要的地位。下面我们仅举一些例子： 1． 激光玻璃，玻璃是激光器的主体（工作物质），激光在其中产生。激光已广泛用于激光定向、激光测距、激光打孔及激光手术。尤其是由于激光束可以聚焦成极小的点子，能量密度极高，可用来启动核聚变反应。激光诱发核聚变与磁控聚变相结合，已成为产生可控热核能的主要途径。（我们中科院有这个项目。） 2． 光导纤维（简称光纤），光纤通过光在其内部全反射，实现远距离传光而损失及小。由于光纤可任意弯曲，从而使光线拐弯，进而，光纤、光缆的出现使光通讯得以实现。现已进入社区的宽带网就是基于光通讯。此外，利用光纤可以弯曲已做成内窥镜（胃镜、肠镜）和激光手术刀，实现了无创伤手术。 3． 导弹、飞船的雷达天线罩，天线位于导弹、飞船的头部，因此天线罩必须有高强度、能承受高温且有低介电损耗。它是用微晶玻璃或石英玻璃做成。（我们所有做过。） 4． 天文望远镜，天文望远镜的玻璃透镜很大，且为保持高度精确，要求一年四季尺寸不变，它是用零膨胀微晶玻璃做成的。这种微晶玻璃是通过在玻璃中析出负膨胀的微晶体与基础玻璃的膨胀相抵消，使微晶玻璃的膨胀系数接近于零。 此外，还有用于红外夜视仪的透红外玻璃；用于复印机磁鼓的硫系玻璃；在微电子技术 上用作基片的锂系微晶玻璃；用作人造牙齿、人造骨头的生物微晶玻璃；用作自动太阳镜的光致变色玻璃；称为眼镜超薄片的高折射率玻璃；用于双光眼镜的梯度折射率玻璃；用在交通指示牌上的玻璃微珠；以及用作长效肥料的磷酸盐玻璃。玻璃还是处理放射性核废料的最好方法，即把放射性废物转变成化学稳定的玻璃。 总之，玻璃在当代科学技术与我们的物质文化生活中占有极重要的地位。科学技术的进步离不开新材料的发展，新材料是科技发展的急先锋，反之，科学技术的发展又促进材料的创新。可以预言，作为材料科学的重要组成部分，玻璃在未来将会有更辉煌的发展，不断造福于人类！

沙子高温制造

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