玻璃的转变温度和硬度的预测方法
【专利摘要】本发明玻璃的转变温度和硬度的预测方法，包括以下步骤：在步骤⑴之前先对一个同类样品进行网络形成体配位C1及玻璃的转变温度Tg1的测试，然后再进行以下的预测步骤；⑴玻璃结构信息检测；⑵结构配位和网络形成结构链维度计算；⑶玻璃的转变温度和硬度预测的计算公式；⑷玻璃的转变温度和硬度预测的计算结果。本发明经应用实施证明：能够精确预测玻璃的转变温度和硬度，尤其表现对未知性能的玻璃组成上；能大幅降低被检测玻璃样品的损坏数量，提高玻璃性能的测试效率并降低成本、缩短检测时间；操作简便，无需传统方法需要的大量热力学和动力学的参数就能对玻璃的性能进行修正。
【专利说明】玻璃的转变温度和硬度的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于玻璃材料性能表征测试【技术领域】，具体的，涉及一种玻璃的转变温度 和硬度的预测方法。
【背景技术】
[0002] 玻璃因其具有优良的透光性、成型性及力学性能已被广泛应用于各个工业领域。 但是，因玻璃是高温熔体经快速冷却而形成的，对其热学性能的检测通常需要花费大量的 时间和能耗，并且检测方法比较复杂。玻璃的转变温度是非常重要的热学性能参数，该参数 对玻璃结构弛豫、减少内部缺陷有着重要的指导作用。室温下玻璃体相材料的硬度是决定 其使用价值的重要标准，但是，因为玻璃是脆性材料，其常规测试方法是通过硬度计来检测 硬度。但是，硬度测试对玻璃表面的光洁度也是有严苛的要求，会占用大量时间用于玻璃表 面抛光。并且，如果硬度计的压头压力过大容易在玻璃表面留下裂纹，使得硬度测试的数据 发生失真。目前，对玻璃的转变温度以及硬度尚无法实现无损检测。因此，提高对玻璃的转 变温度和硬度的检测效率，检测时对样品形成的损伤尽可能小，能从微观结构出发正确评 价玻璃的宏观性能，对玻璃的组成和设计能形成某种支持，是目前业界所普遍关注的。
[0003] 目前，测定玻璃的转变温度和硬度常用的方法有Vogel-Fulcher-Tammann法和 Avramov- Milchev法，它们都是通过与温度所对应的粘度来预测玻璃的转变温度的。但是， 它们都存有不足，其中，Vogel- Fulcher-Tammann法在玻璃低温致密态时会出现预测失效 的问题；而Avramov-Milchev法则在玻璃处于超冷液态时会出现预测失效。现在还没有一 种预测方法能同时有效地解决玻璃随温度变化在不同状态下出现失真的问题。
[0004] 针对玻璃硬度的表征方法，现有的方法主要是直接测试法，有"奴氏硬度法"、"维 氏硬度法"等，它们都是以计算单位所产生的压痕面积作为所能承受压力的结果的，区别仅 在于压头的形状和尺寸。显然，这种单一的测试方法不适合用于大批量不同组分玻璃硬度 的检测。现在的研究发现：通过玻璃微观配位结构能实现随组分连续变化的性能评价，实现 大规模的玻璃的转变温度和硬度的预测并能实现玻璃的无损检测和快速预测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决上述的不足，提供一种玻璃的转变温度和硬度的预测方 法，它能降低对大规模样品的测试成本，减少时间上的浪费和对样品本身的破坏，能对玻璃 的转变温度和硬度给予精确预测，为玻璃成分及性能的设计提供重要的支持。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
[0007] 采用微观结构表征方法在室温下获得随化学组成变化的各网络形成体Xl、χ 2、 χ3......χη的配位情况，记录与每种网络形成体配位情况相对应的含量f\、f2、&......f n，计算 玻璃单位网络形成体配位C的表示为： 一种玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征是，包括以下步骤： (1)玻璃结构信息检测 采用微观结构表征方法在室温下获得玻璃微观结构信息，即，随化学组成变化的各网 络形成体XpX2、X3......χη的配位情况，记录与每种网络形成体配位情况相对应的含量f\、f 2、 f3......fn,计算玻璃单位网络形成体配位C的公式为：
【权利要求】
1. 一种玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 玻璃结构信息检测 采用微观结构表征方法在室温下获得玻璃微观结构信息，既，随化学组成变化的各网 络形成体XpX2、x3......Χη的配位情况，记录与每种网络形成体配位情况相对应的含量f\、f 2、 f3......fn,计算玻璃单位网络形成体配位C的公式为：
式中，4、Μ分别代表氧原子在玻璃原料中的含量和玻璃原子总数； (2) 结构配位和网络形成结构链维度计算 基于玻璃粘度与温度的变化关系，得到与玻璃的转变温度所对应的粘度与步骤（1)获 得玻璃微观结构的关系，建立玻璃的转变温度Tg的理论计算模型，其计算公式为：
式中： Tgl表示已知样品玻璃的转变温度， C表示单位网络形成体配位， Q表示已知样品网络形成体配位； (3) 玻璃的转变温度和硬度预测的计算公式 采用硬度计测量玻璃样品的硬度值氏、H2……Hn，得到硬度与步骤（1)获得玻璃微观结 构相配位的线性变化值L，其计算公式为：
(4) 玻璃的转变温度和硬度预测的计算结果 根据玻璃网络结构链的维度，结合步骤（3)计算的测试硬度值与玻璃微观结构配位的 线性变化关系，建立玻璃硬度Η的计算公式：
式中，Η表示玻璃硬度；L表示线性变化值；d表示玻璃单位网络形成体结构链维度。
2. 根据权利要求1所述的玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，在所述的 步骤（1)之前包含对一个同类样品进行网络形成体配位Q及玻璃的转变温度T gl的测试步 骤。
3. 根据权利要求1所述的玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，步骤（1)所 述的微观结构表征方法包括核磁共振、拉曼光谱、红外光谱、X射线光电子能谱、X射线吸收 精细结构光谱。
4. 根据权利要求1所述的玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，步骤（2)还 包括：用玻璃单位网络形成体配位来计算玻璃结构中原子在三维空间的自由度F，其计算 公式为： F = 3-C (5)； 将所述玻璃结构中原子在三维空间的自由度与玻璃结构熵S相关联，其计算公式为： S = FnBIn Ω (6)， 式中： η表示玻璃结构中的原子数目， Β表示玻璃结构的波尔兹曼常数， Ω表示玻璃结构中的原子自由度构型变化程度。
5. 根据权利要求4所述的玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，将玻璃结 构的熵值用于表达玻璃的粘度Π ，其表达式为：
式中，V表示玻璃在温度无限大时的粘度， μ表示玻璃在温度无限大时的热力学常数， Τ表示玻璃在温度无限大时的温度； 玻璃在温度无限大时的粘度V为ΚΓ5 Pa · s，玻璃的粘度η可认为是1012 Pa · s，将 之代入表达式（3)?表达式（6)，得到预测玻璃的转变温度的计算模型。
6. 根据权利要求1所述的玻璃的转变温度和硬度的预测方法，其特征在于，所述的步 骤（4)包括玻璃网络结构链的维度d，其计算公式为：
式中，某网络形成体配位xn > 4,则该项表示为3fn。
【文档编号】G01N33/38GK104062422SQ201410255189
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】曾惠丹, 蒋奇, 刘钊, 李响, 季晓明 申请人:华东理工大学