玻璃
玻璃是一种呈玻璃态的无定形体[1]，熔解的玻璃经过迅速冷却（过冷）而成形，虽为固态，但各分子因没有足够时间形成晶体，仍冻结在液态的分子排布状态。
玻璃一般而言是透明、脆性、不透气、并具一定硬度的物料。最常见的玻璃是钠钙玻璃，包括75%的二氧化硅（SiO2）、由碳酸钠中制备的氧化钠（Na2O）以及氧化钙（CaO）及其他添加物。玻璃在日常环境中呈化学惰性，亦不会与生物起作用。玻璃一般不溶于酸（例外：氢氟酸与玻璃反应生成SiF4，从而导致玻璃的腐蚀）；但溶于强碱，例如氢氧化铯。
因为玻璃透明的特性，因此有许多不同的应用，其中一个主要应用是作建筑中的透光材料，一般是在墙上窗户的开口安装小片的玻璃（玻璃窗），但二十世纪的许多大楼会用玻璃为其侧面的包覆，即玻璃幕墙大楼，这种现代的玻璃已经具有防破裂的能力而被广为应用，更新款的加入防鸟类撞击的设计。玻璃可以反射及折射光线，而且借由切割或是抛光，可以提升其反射或折射的能力，因此可以作透镜、三棱镜、其至高速传输用的光纤。玻璃中若加入金属盐类，其颜色会改变，玻璃本身也可以上色，因此可以用玻璃制作艺术品，包括著名的花窗玻璃。
玻璃虽然容易脆断，但非常的耐用，在早期的文化遗址中都发现许多玻璃的碎片。因为玻璃可以形成或模制成任何的形状，而且本身是无菌的，因此常用来作为容器，包括碗盘、杯子、试管和花瓶，尤其成本低廉，适合大量生产。坚硬的玻璃也常作为纸镇、弹珠等。若将玻璃嵌入有机塑料中，是复合玻璃纤维中的重要的加固材料。
在科学上，玻璃的定义较为广泛，是指加热到液态时会出现玻璃转化的无定形固体。有许多材料都符合这类玻璃的条件，包括一些金属合金、离子盐类、水溶液及聚合物。在包括瓶子及眼镜的许多应用中，聚合物玻璃（如亚克力、聚碳酸酯及PET）的重量较轻，可以取代传统的硅玻璃。
成分
[编辑]普通玻璃的成分主要是二氧化硅（SiO2，即石英，砂的主要成分）。而纯硅土熔点为摄氏2000度，因此制造玻璃的时候一般会加入碳酸钠与碳酸钾（Potash，K2CO3，钾碱），这样硅土熔点将降至摄氏1000度左右。但是碳酸钠会使玻璃溶于水中，因此通常还要加入适量的氧化钙（CaO）使玻璃不溶于水。[2]
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400nm的紫外线并不透明。如果要让紫外线穿透，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分。例如看起来十分闪烁耀眼的水晶玻璃（铅玻璃）是在玻璃内加入铅，令玻璃的折射系数增加，产生更为眩目的折射。至于派热克斯玻璃（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则可以加入铁，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。[2]
有时在火山熔岩中会出现天然的玻璃，称黑曜石或火山玻璃[3]。黑曜石可以用来造成简单的尖刀。
历史
[编辑]
据信，人类自石器时代已使用天然的火山玻璃[4]。公元前二千年左右，古埃及已有记载使用玻璃作器皿。公元前200年，巴比伦发明了玻璃吹管制玻璃的方法，接着这个方法传入罗马，欧洲在公元一世纪左右罗马的波特兰瓶即是玻璃浮雕作品。到了十一世纪，德国发明制造平面玻璃的技术。先把玻璃吹成球状，然后造成圆筒型。在玻璃仍热时切开，然后摊平。这种技术在十三世纪的威尼斯得到了进一步改良。十四世纪欧洲的玻璃制造中心是威尼斯，很多以玻璃造成的餐具、器皿等都是由威尼斯制作。日后欧洲很多玻璃工匠都是师承威尼斯。1827年发明的玻璃压印机器，开展了大规模生产廉价玻璃器具的道路。
玻璃上有时会以酸或其他腐蚀物料刻上艺术图案。传统的造法是在吹或铸玻璃的时候由工匠刻作。后来在1920年发明了可以在模具上加上雕刻的办法，亦可以使用不同颜色的玻璃，于是在1930年以后，大量生产的廉价玻璃器具逐渐出现。
中国在西周时亦已开始制造玻璃。在西周时期的古墓中曾发现玻璃管、玻璃珠等物品[2]。南北朝以前，中国人多以琉璃称以火烧成，玻璃质透明物。宋朝时则开始称之为玻璃。到明清时，习惯以琉璃称呼低温烧成，不透明的陶瓷。但很多当时的“琉璃”并不属于现代所说的“玻璃”。
中国古典作品中亦有提及“玻璃”一词。宋朝杨万里的《稚子弄冰》提及:
| “ | 稚子金盆脱晓冰，彩丝穿取当银铮。
敲成玉磬穿林响，忽作玻璃碎地声。 |
” |
| ——杨万里《稚子弄冰》 | ||
但这时的玻璃意指为似水晶被称为水玉的矿石。
明朝吴承恩著《西游记》中提及琉璃。第一百回（径回东土 五圣成真）中写道：“沙悟净，汝本是卷帘大将。先因蟠桃会上打碎玻璃盏，贬汝下界，汝落于流沙河，伤生吃人造孽。”
结构
[编辑]
如同其他非晶形体一样，玻璃的结构没有任何大范围的平移对称性，不过因为化学键的特性，玻璃会有小范围的有序性，局部的原子会形成多面体[7]。
由过冷液体变成玻璃
[编辑]在物理学中，玻璃（或玻璃态固体）的标准定义是由快速熔淬形成的固体[8][9][10][11][12]。不过玻璃一词一般是指有玻璃转化温度Tg的无定形体。若冷却速度比其结晶速度要快，原子不会形成结晶，过冷液体的不规则原子组态也就成为低于玻璃转化温度Tg后的原子组态。材料在淬火时变成玻璃态的倾向称为玻璃形成能力（glass-forming ability），可以用刚度理论预测[13]。一般而言，玻璃态结构相较于晶体结构，只是一个介稳状态，虽然有些情形下（例如Atactic聚合物），不存在类似无定形体的晶体结构[14]。
因为在液体变为玻璃态的过程中，没有出现使体积、熵及焓等热力学状态不连续变化的一阶相变，因此有些研究者认为玻璃可视为是一种液体[15][16][17]，结晶学通称为非晶质。不过玻璃转化可以视为是二相相变，像热膨胀系数及热容量等内含热力学变数出现不连续变化[18]。此外，描述相变化的平衡理论在玻璃态无法完全适用，因此玻璃转化无法归类为传统固体平衡相变中的任何一种[11][12]。
成型方法（平板玻璃）
[编辑]引上法平板玻璃
[编辑]引上法也称为弗克法[19]，是在玻璃熔解后直接往上拉引，使玻璃在垂直方向冷却凝固。
平拉法平板玻璃
[编辑]平拉法也称为科尔伯恩法[19]（Colburn method），是在玻璃熔解后先往上拉引，再经过转向辊使玻璃由垂直方向转换为水平方向，使玻璃在水平方向冷却凝固，其好处是可以稳定生产3mm以下的薄玻璃[20]，例如显示器玻璃等。
浮法玻璃
[编辑]浮法玻璃也称为退火玻璃，是将玻璃熔液倒进一缸高温融化的锡内，玻璃浮上锡面后自然形成两边平滑的表面，慢慢冷却及成长带状后离开锡缸。
浮法玻璃厚度均匀、上下表面平整平行，同时具有劳动生产率高及利于管理等优势，因此成为玻璃制造方式的主流。不过其缺点是破裂时，会成为大块锋利的碎片，在窗户上被禁止使用。[来源请求]
种类
[编辑]强化玻璃亦被称为“钢化玻璃”，是由浮法玻璃经过快速冷却热处理而制成，强度较浮法玻璃高4至6倍，且破裂时只会形成小的碎片，不会有大块锋利的碎片。但在强化后，强化玻璃上有任何损坏或裂痕，都会造成整片玻璃的碎裂。
夹层玻璃亦被称为“安全玻璃”、“夹胶玻璃”或“胶合玻璃”，是在二片或多片浮法玻璃中，加入聚乙烯醇缩丁醛(Poly(vinyl butyral), PVB)或乙烯/醋酸乙烯酯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer, EVA)等胶合材质。早期夹层玻璃亦有使用液体状态的日光胶用作胶合材料；近年以来，美国杜邦公司推出的SGP (SentryGlas Plus Interlayer)材料在市场上逐渐崭露头角，具有比PVB更好的抗冲击性能。
夹层玻璃广泛应用于建筑玻璃幕墙、玻璃隔断、玻璃栏杆、汽车的挡风玻璃或防弹玻璃等场合。银行柜台所使用的夹层玻璃，在浮法玻璃之间，还增加了有机玻璃，以增强抗暴性能。
调光玻璃
[编辑]
调光玻璃在市场上也被称为“智能玻璃”、“智慧玻璃”。根据起调光效果的功能材料分类，可分为聚合物分散液晶型（Polymer Dispersed Liquid Crystals, PDLC）、电致变色型（Electrochromic materials, EC）和分散粒子型（suspended particle device, SPD），其中聚合物分散液晶型调光玻璃是目前应用最多的一种调光玻璃，也常被称为“电控液晶玻璃”。
聚合物分散液晶型调光玻璃中包含有一层10～20微米厚度的聚合物分散液晶材料层，并通过交流电对其驱动。当关闭电源时，分散在多孔聚合物中的液晶分子会呈现不规则散布状态，使射入的光线发生强烈的散射，此时调光玻璃呈现毛玻璃状态，雾度（Haze）很高；通电后，液晶分子则呈现整齐排列，穿过其中的光线基本不发生散射，保持原有的传播方向透过玻璃，此时调光玻璃呈现透明状态，透明度（clarity）很高。一般来说，两种状态之间的切换非常迅速，并且在额定工作电压以内，玻璃的雾度/透明度可以通过改变电压幅值进行调节。早年由于制造成本居高不下，导致聚合物分散液晶型调光玻璃大多仅能面向高端市场，用作隐私保护。如在高档休闲及公务场所，用于隐私保护领域；部分婴儿室或月子中心也使用调光玻璃，探婴时将电源打开，玻璃即由乳白色雾化状态转变为透明状态。近年来，由于中国大陆厂商的产业技术进步，聚合物分散液晶型调光玻璃的市场售价逐年下降，市场销量得到快速增长，该型调光玻璃已开始逐渐向中端市场普及，应用方案也从单一的隐私保护，发展为隐私保护与画面投影并举。目前，其常见于宾馆酒店的卫浴玻璃隔断、办公场所玻璃隔断、玻璃幕墙商广投影、汽车后挡风玻璃商广投影等场合。由于其断电时会阻隔视线，因此在大多数国家并不被允许用作汽车等交通工具的挡风玻璃，但可以用于房车、高铁等车辆的非关键部位。中国大陆高铁车辆中部分采用了该型调光玻璃，安装在商务舱与驾驶室之间，以此为商务舱旅客提供更好的视野（但目前限于安保要求，这些玻璃在车辆行驶过程中并未被允许开启至透明状态）。
电致变色型调光玻璃中包含有一层电致变色材料。所使用的电致变色材料，多为基于氧化钨的无机材料类型，目前亦有公司正在开发有机材料类型的电致变色材料。其变色原理，是通过输入电流来改变材料中离子的价态或分子的氧化态，从而改变材料的颜色。因此该型玻璃使用直流电驱动，颜色变深或变浅，直流电流向相反。该型玻璃在颜色变化前后，透明状态并不随之改变，即使颜色非常深，玻璃仍然是透明的。另外，该型玻璃改变颜色需要持续通电几秒至几分钟时间，但维持任何一个状态，均不需要通电来维持，因此具有多稳态特性。SAGE公司 （页面存档备份，存于互联网档案馆）最早将其商业化，并成功实施包括拉罗谢尔大学（l’Université de La Rochelle）图书馆顶棚、基梅尔表演艺术中心（Kimmel Center For The Performing Arts）顶棚及外立面等诸多成功案例 （页面存档备份，存于互联网档案馆）。由于电致变色材料不能长时间接触水汽和氧气，因此该型玻璃必须在无水无氧条件下裁切并完成边缘隔绝处理，因此目前电致变色型调光玻璃的市场售价仍然较高，市场推广较慢。
分散粒子型调光玻璃中包含有一层分散粒子功能层。该层材料中，具有电荷极性的棒状微粒悬浮分散在微胶囊内的液体材料中。未施加驱动电压时，无规分散的棒状粒子可充分吸收射入玻璃的可见光，因此玻璃呈深色；而当施加交流电压时，微粒被取向至垂直于玻璃表面的方向，较少吸收透过光线，因此玻璃呈浅色至接近无色状态。该型调光玻璃的核心技术最早由Research Frontiers Inc.开发并持有，该公司通过产品销售许可证的方式，向包括日立化成、板硝子、皮尔金顿等公司提供经营授权。由于其对电压的响应速度快、可变色、耐候性能较好、成本适中等特点，该型调光膜被汽车厂商应用于高端汽车的天窗，如迈巴赫、雷克萨斯、梅赛德斯-奔驰等品牌，使用该型调光玻璃做为天窗。由于技术专利高度集中于一家公司，而且技术开发难度较高，因此该型调光玻璃目前的价格仍然较高。
自洁玻璃
[编辑]自洁玻璃主要应用在建筑物和汽车上。玻璃外层会涂上约50纳米厚的钛氧化物，在紫外光下会催化玻璃上的有机物分解。这可以把分解的有机物冲走且不留水迹，达到自洁效果。
镭射玻璃
[编辑]也称“全息玻璃”或“激光玻璃”，这种玻璃是把激光全息图样与玻璃相结合。这是应用于家居设计。
压花玻璃
[编辑]一面平滑，一面用机械压铸的花型玻璃，常用在室内设计的造型玻璃墙或隔屏造型。
铅玻璃
[编辑]铅玻璃，用于防止X光室或其他处理、储存放射性物质场所之放射线外泄，而采用的特殊玻璃。
夜光玻璃
[编辑]夜光玻璃可在夜里产生独特的荧光效果。在夜晚可起到指引方向或充当光源的作用。这用于室内设计。
铁丝网玻璃
[编辑]分成压花或磨平铁丝网玻璃两种，铁丝网多用直径0.4mm以上的龟甲形状或方格、斜方格形状，一般可用于防火门窗，因为在玻璃中嵌入铁丝网，遇上火灾时虽然玻璃破裂，但铁丝网仍可留在原来位置，保护建筑物内部不受火灾侵害。
玻璃砖glass Brick
[编辑]
制造过程跟双层玻璃相似，以两片厚约5mm-6mm的平板压花玻璃组合成中空的玻璃砖，特性与双层玻璃相似，也可当成砌叠的材料，一般应用在建筑物的墙壁采光、隔屏或隔间墙。分成普通玻璃砖跟棱镜玻璃砖两种。普通玻璃砖多用于墙壁开口处的砌叠，有防热隔音的效果，但不能承担载重。而棱镜玻璃砖常安装于地板作为下层楼采光的天井之用，常见的形状有圆形跟方形两种，光线的分布有扩散型跟分光型两种。
玻璃砖的施工方式分成干式跟湿式两种，干式施工法是由木工先将木作边框建起，将玻璃砖依序叠砌，并于上下周边空隙塞入夹板来固定玻璃砖，待调整好平整度后将上下左右的边缝填入硅利康并修饰平顺。而湿式施工法则是水泥、砂跟石灰加入防水剂搅拌，用类似空心砖的叠砌方式，再以白水泥砂浆做勾缝整修，中间部分较强。
胶带与玻璃流言
[编辑]在部分飓风地区的居民有一种防范台风的习惯，也就是在玻璃上贴米字型胶带以防止风压将玻璃吹破[21]，然而事实上是一种迷思流言，贴了胶带的玻璃抗风压能力反而从5400pa下降到4200pa左右，这是因为胶带造成了应力分布不均匀反而集中在某处更容易击碎玻璃，因此贴胶带抗台风的行为是反效果的迷思，要增强玻璃的抗压力只有换成强化玻璃是唯一方法。[22][23][24]
相关条目
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 电子材料导论. 清华大学出版社有限公司. 2001: 249–. ISBN 978-7-302-04396-6.
- ^ 2.0 2.1 2.2 Bennett, Jay. 玻璃時代. 国家地理. No. 267: 28–57. ISSN 1608-2621.
- ^ 史前研究. 西安半坡博物馆. 1988.
- ^ 歷史記錄中的玻璃. [2024-02-13]. （原始内容存档于2014-10-24）.
- ^ Kenneth Chang, The Nature of Glass Remains Anything but Clear, The New York Times, 2008-07-29 [2014-10-24], （原始内容存档于2015-06-11）
- ^ P. W. Anderson. Through the Glass Lightly. Science. 1995, 267 (5204): 1615. doi:10.1126/science.267.5204.1615-e.
- ^ P. S. Salmon. Order within disorder. Nature Materials. 2002, 1 (2): 87–8. PMID 12618817. doi:10.1038/nmat737.
- ^ ASTM definition of glass from 1945; also: DIN 1259, Glas – Begriffe für Glasarten und Glasgruppen, September 1986
- ^ Zallen, R. The Physics of Amorphous Solids. New York: John Wiley. 1983. ISBN 0-471-01968-2.
- ^ Cusack, N. E. The physics of structurally disordered matter: an introduction. Adam Hilger in association with the University of Sussex press. 1987. ISBN 0-85274-829-9.
- ^ 11.0 11.1 Elliot, S. R. Physics of Amorphous Materials. Longman group ltd. 1984.
- ^ 12.0 12.1 Horst Scholze. Glass – Nature, Structure, and Properties. Springer. 1991. ISBN 0-387-97396-6.
- ^ J.C. Phillips. Topology of covalent non-crystalline solids I: Short-range order in chalcogenide alloys. Journal of Non-Crystalline Solids. 1979, 34 (2): 153. Bibcode:1979JNCS...34..153P. doi:10.1016/0022-3093(79)90033-4.
- ^ J. C. W. Folmer and Stefan Franzen. Study of polymer glasses by modulated differential scanning calorimetry in the undergraduate physical chemistry laboratory. Journal of Chemical Education. 2003, 80 (7): 813. Bibcode:2003JChEd..80..813F. doi:10.1021/ed080p813.
- ^ Philip Gibbs. Is glass liquid or solid?. [2007-03-21]. （原始内容存档于2007-03-29）.
- ^ "Philip Gibbs" Glass Worldwide, (May/June 2007), pp. 14–18
- ^ Jim Loy. Glass Is A Liquid?. [2007-03-21]. （原始内容存档于2007-03-14）.
- ^ M. I. Ojovan, W. E. Lee. Topologically disordered systems at the glass transition. J. Phys.: Condensed Matter. 2006, 18 (50): 11507–11520. Bibcode:2006JPCM...1811507O. doi:10.1088/0953-8984/18/50/007.
- ^ 19.0 19.1 杨静. 建筑材料与人居环境. 清华大学出版社有限公司. 2001: 50–. ISBN 978-7-302-04503-8.
- ^ 平拉法. [2014-10-24]. （原始内容存档于2014-10-24）.
- ^ 非凡新聞-膠帶防颱無用. [2019-10-15]. （原始内容存档于2020-02-25）.
- ^ 颱風天 窗戶貼上膠帶可以防爆裂？（流言追追追）. [2020-03-01]. （原始内容存档于2020-04-02）.
- ^ 李永樂官方頻道-玻璃防颱迷思. [2019-10-15]. （原始内容存档于2020-01-02）.
- ^ 膠帶對玻璃無用. [2019-10-15]. （原始内容存档于2019-10-15）.
延伸阅读
[编辑][在维基数据编辑]
外部链接
[编辑]
| 状态 |  | |
|---|---|---|
| 低能量 | ||
| 高能量 | ||
| 其他物态 | ||
| 相变 | ||
| 数量 | ||
| 概念 | ||
| 列表 | ||
