玻璃的制作是一个涉及高温熔融和成型的复杂过程,以下是主要步骤的详细说明:
1. 原材料准备
玻璃的主要成分为:
- 二氧化硅(SiO₂):占70%左右,通常使用高纯度石英砂。
- 助熔剂:如碳酸钠(Na₂CO₃)或碳酸钾(K₂CO₃),降低熔点(从1700℃降至约1500℃)。
- 稳定剂:如石灰石(CaCO₃)中的氧化钙(CaO),增强化学稳定性。
- 其他添加剂:碎玻璃(回收利用)、金属氧化物(调色)、硼酸(耐热玻璃)等。
原料按比例混合后称为玻璃配合料。
2. 高温熔融
- 熔炉类型:池窑(连续生产)或坩埚窑(小批量)。
- 温度控制:约1500–1700℃,熔融时间为12–50小时。
- 关键反应:
- 碳酸钠分解:Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑
- 二氧化硅与金属氧化物反应生成硅酸盐熔体(液态玻璃)。
- 澄清阶段:添加澄清剂(如硫酸钠)去除气泡,搅拌使成分均匀。
3. 成型工艺
根据产品类型选择不同方法:
- 浮法工艺(平板玻璃):
- 熔融玻璃漂浮在锡液表面,自然摊平形成光滑表面。
- 厚度通过拉边机控制,冷却后硬化。
- 吹制法(容器玻璃):
- 用吹管蘸取玻璃液,通过人工或机械吹制成型(如瓶子、器皿)。
- 压制法:将玻璃液倒入模具,用冲头压制成型(如玻璃盘)。
- 拉制法:用于生产玻璃纤维或管材,通过牵引设备拉伸熔融玻璃。
4. 退火处理
- 目的:消除内部应力,防止破裂。
- 过程:将成型玻璃送入退火炉,缓慢降温(如从600℃降至室温),时间数小时至数天。
- 应力检测:使用偏光仪观察应力分布。
5. 后加工与处理
- 切割:用金刚石或激光切割成所需尺寸。
- 磨边/抛光:消除锋利边缘或增强透光度。
- 强化处理:
- 钢化玻璃:加热至620℃后快速风冷,表面形成压应力,强度提高4–5倍。
- 化学钢化:通过离子交换增强表面硬度。
- 镀膜:真空溅射金属或氧化物层,实现隔热、防反射(如Low-E玻璃)或自清洁功能。
6. 质量检测与包装
- 检测项目:厚度均匀性、透光率、气泡/杂质含量、抗冲击测试等。
- 包装:平板玻璃用木箱或防震框架,瓶罐类用纸箱或托盘,避免运输破损。
应用领域
- 建筑:窗户、幕墙、隔热玻璃。
- 家居:餐具、装饰品、镜子。
- 科技:光学镜头、光纤、手机屏幕(康宁大猩猩玻璃)。
- 工业:实验室器皿、耐高温玻璃(如硼硅酸盐玻璃)。
环保与创新
- 回收利用:碎玻璃可回炉,减少原料消耗30%以上。
- 节能技术:熔炉余热回收、电熔窑替代燃煤窑炉。
- 新型玻璃:如自修复玻璃、智能调光玻璃等。
通过以上流程,从砂石到成品玻璃,融合了材料科学与精密工艺,满足现代社会的多样化需求。