玻璃

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玻璃可以造成不同的形狀和顏色。這是以玻璃製成的藝術品。
玻璃ITO玻璃的吸收光譜

玻璃是一種呈玻璃態無定形體[1],熔解的玻璃經過迅速冷卻(過冷)而成形,雖為固態,但各分子因沒有足夠時間形成晶體,仍凍結在液態的分子排布狀態。

玻璃一般而言是透明、脆性、不透氣、並具一定硬度的物料。玻璃在日常環境中呈化學惰性,亦不會與生物起作用。玻璃一般不溶於酸(例外:氫氟酸與玻璃反應生成SiF4,從而導致玻璃的腐蝕);但溶於強鹼,例如氫氧化銫。 最常見的玻璃是鈉鈣玻璃英語soda-lime glass,包括75%的二氧化矽(SiO2)、由碳酸鈉中製備的氧化鈉(Na2O)以及氧化鈣(CaO)及其他添加物。

因為玻璃透明的特性,因此有許多不同的應用,其中一個主要應用是作建築中的透光材料,一般是在牆上窗戶的開口安裝小片的玻璃(玻璃窗),但二十世紀的許多大樓會用玻璃為其側面的包覆,即玻璃幕牆大樓。玻璃可以反射及折射光線,而且藉由切割或是拋光,可以提昇其反射或折射的能力,因此可以作透鏡、三棱鏡、其至高速傳輸用的光纖。玻璃中若加入金屬鹽類,其顏色會改變,玻璃本身也可以上色,因此可以用玻璃製作藝術品,包括著名的花窗玻璃

玻璃雖然容易脆斷,但非常的耐用,在早期的文化遺址中都發現許多玻璃的碎片。因為玻璃可以形成或模製成任何的形狀,而且本身是無菌的,因此常用來作為容器,包括花瓶瓶子玻璃杯。堅硬的玻璃也常作為紙鎮英語Paperweight彈珠等。若製成玻璃纖維或是玻璃棉,可以作為隔熱的材料。若將玻璃嵌入有機塑料中,是複合玻璃纖維中的重要的加固材料。

在科學上,玻璃的定義較為廣泛,是指加熱到液態時會出現玻璃轉化無定形固體。有許多材料都符合這類玻璃的條件,包括一些金屬合金、離子鹽類、水溶液聚合物。在包括瓶子及眼鏡的許多應用中,聚合物玻璃(如壓克力聚碳酸酯PET)的重量較輕,可以取代傳統的矽玻璃。

玻璃在中國古代亦稱琉璃,日語漢字以硝子代表。

成份[編輯]

普通玻璃的成分主要是二氧化矽(SiO2,即石英的主要成分)。而純矽土熔點為攝氏2000度,因此製造玻璃時一般會加入碳酸鈉(Na2CO3 ,即蘇打)與碳酸鉀(Potash,K2CO3鉀鹼),這樣矽土熔點將降至攝氏1000度左右。但是碳酸鈉會使玻璃溶於中,因此通常還要加入適量的氧化鈣(CaO)使玻璃不溶於水。

可見光透明是玻璃最大的特點,一般的玻璃因為製造時加進了碳酸鈉,所以對波長短於400nm紫外線並不透明。如果要讓紫外線穿透,玻璃必須以純正的二氧化矽製造,這種玻璃成本較高,一般被稱為石英玻璃。純玻璃對紅外線亦是透明的,可以造成數公里長,作通訊用途的玻璃纖維

常見的玻璃通常亦會加入其他成份。 例如看起來十分閃爍曜眼的水晶玻璃(鉛玻璃英語Lead glass)是在玻璃內加入,令玻璃的折射係數增加,產生更為眩目的折射。 至於派熱克斯玻璃(Pyrex),則是加入了,以改變玻璃的熱及電性質。 加入亦可增加折射指數。 製造光學鏡頭的玻璃則是加入氧化物來大幅增加折射指數。 倘若要玻璃吸收紅外線則可以加入鐵,放映機內便有這種隔熱的玻璃。 玻璃加入則會吸收紫外線。

在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物亦可以改變玻璃的顏色。 例如 少量可以改變玻璃內因鐵造成的淡綠色,多一點錳則可以造成淡紫色的玻璃。亦有類似的效果。 少量可以造成藍色的玻璃。 的氧化物及氧化物可造成不透明的白色玻璃,這種玻璃好像是白色的陶瓷。 銅的氧化物會造成青綠色的玻璃。以金屬銅則會造成深紅色、不透明的玻璃,看起來好像是紅寶石可以造成藍色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。 則可以造成棕黃色。微量的(約0.001%)造成的玻璃是非常鮮明,像是紅寶石的顏色。 (0.1%至2%)造成的玻璃是螢火黃或綠色。 化合物可以造成橙色至黃色的玻璃。改變玻璃的溫度亦會改變這些化合物造成的顏色,但當中的化學原理相當複雜,至今仍然未被完全明解。

有時在火山熔岩中會出現天然的玻璃,稱黑曜石火山玻璃[2]。黑曜石可以用來造成簡單的尖刀。

歷史[編輯]

據信人類自石器時代已使用天然的火山玻璃[3]。公元前二千年左右,古埃及已有記載使用玻璃作器皿。西元前200年,巴比倫發明了玻璃吹管製玻璃的方法,接著這個方法傳入羅馬,歐洲在公元一世紀左右羅馬的波特蘭瓶即是玻璃浮雕作品。到了十一世紀德國發明製造平面玻璃的技術。先把玻璃吹成狀,然後造成圓筒型。在玻璃仍熱時切開,然後攤平。這種技術在十三世紀威尼斯得到了進一步改良。十四世紀歐洲的玻璃製造中心是威尼斯,很多以玻璃造成的餐具、器皿等都是由威尼斯製作。日後歐洲很多玻璃工匠都是師承威尼斯。1827年發明的玻璃壓印機器,開展了大規模生產廉價玻璃器具的道路。

玻璃上有時會以酸或其他腐蝕物料刻上藝術圖案。傳統的造法是在吹或鑄玻璃的時候由工匠刻作。後來在1920年發明了可以在模具上加上雕刻的辦法,亦可以使用不同顏色的玻璃,於是在1930年以後,大量生產的廉價玻璃器具逐漸出現。

中國西周時亦已開始製造玻璃。在西周時期的古墓中曾發現玻璃管、玻璃珠等物品。南北朝以前,中國人多以琉璃稱以火燒成,玻璃質透明物。宋朝時則開始稱之為玻璃。到明清時,習慣以琉璃稱呼低溫燒成,不透明的陶瓷。很多當時的「琉璃」嚴格上來說,並不屬於現代所說的「玻璃」。

中國古典作品中亦有提及「玻璃」一詞,明朝吳承恩著《西遊記》第一百回(徑回東土 五聖成真)中寫道:「沙悟淨,汝本是捲簾大將。先因蟠桃會上打碎玻璃盞,貶汝下界,汝落於流沙河,傷生吃人造孽。」

結構[編輯]

未解決的物理學問題液態固態物質是怎樣玻璃化轉變玻璃態物質?是甚麼物理過程給出了玻璃的一般物理性質[4]


「固態物理中最深及最有趣的未解問題,可能就是玻璃及玻璃轉化的本質。」菲利普·安德森[5]
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如同其他非晶形體一樣,玻璃的結構沒有任何大範圍的平移對稱性英語translational symmetry,不過因為化學鍵的特性,玻璃會有小範圍的有序性,局部的原子會形成多面體[6]

二維空間中的玻璃二氧化矽的非晶形體結構,沒有大範圍的對稱性,但因為矽原子和氧原子有正四面體的結構,有區部的對稱性

由過冷液體變成玻璃[編輯]

在物理學中,玻璃(或玻璃態固體)的標準定義是由快速熔淬形成的固體[7][8][9][10][11]。不過玻璃一詞一般是指有玻璃轉化溫度Tg無定形體。若冷卻速度比其結晶速度要快,原子不會形成結晶,過冷液體的不規則原子組態也就成為低於玻璃轉化溫度Tg後的原子組態。材料在淬火時變成玻璃態的傾向稱為玻璃形成能力(glass-forming ability),可以用剛度理論英語Rigidity theory (physics)預測[12]。一般而言,玻璃態結構相較於晶體結構,只是一個介穩狀態英語metastable,雖然有些情形下(例如Atactic英語Atactic聚合物),不存在類似無定形體的晶體結構[13]

因為在液體變為玻璃態的過程中,沒有出現使體積熱力學狀態不連續變化的一階相變,因此有些研究者認為玻璃可視為是一種液體[14][15][16]。不過玻璃轉化可以視為是二相相變,像熱膨脹係數熱容量等內含熱力學變數出現不連續變化[17]。此外,描述相變化的平衡理論在玻璃態無法完全適用,因此玻璃轉化無法歸類為傳統固體平衡相變中的任何一種[10][11]

成型方法(平板玻璃)[編輯]

引上法平板玻璃[編輯]

引上法也稱為弗克法英語Fourcault process[18],是在玻璃熔解後直接往上拉引,使玻璃在垂直方向冷卻凝固。

平拉法平板玻璃[編輯]

平拉法也稱為科爾伯恩法[18](Colburn method),是在玻璃熔解後先往上拉引,再經過轉向輥使玻璃由垂直方向轉換為水平方向,使玻璃在水平方向冷卻凝固,其好處是可以穩定生產3mm以下的薄玻璃[19]

浮法玻璃[編輯]

浮法玻璃也稱為退火玻璃,是將玻璃溶液倒進一缸高溫融化的錫內,玻璃浮上錫面後自然形成兩邊平滑的表面,慢慢冷卻及成長帶狀後離開錫缸。

浮法玻璃厚度均勻、上下表面平整平行,同時具有勞動生產率高及利於管理等優勢,因此成為玻璃製造方式的主流。不過其缺點是破裂時,會成為大塊鋒利的碎片。

玻璃種類[編輯]

強化玻璃[編輯]

強化玻璃是由浮法玻璃經過快速冷卻熱處理而製成,強度較浮法玻璃高4至6倍,且破裂時只會形成小的碎片,不會有大塊鋒利的碎片。但在強化後,強化玻璃上有任何損壞或裂痕,都會造成整片玻璃的碎裂。

夾層玻璃[編輯]

夾層玻璃亦被稱為「安全玻璃」或「膠合玻璃」,是在二片或多片浮法玻璃中,加入聚乙烯醇縮丁醛硝化纖維素等材質。像汽車的擋風玻璃防彈玻璃會使用夾層玻璃。

調光玻璃[編輯]

機場用的調光玻璃

調光玻璃也叫電控液晶玻璃。當關閉電源時,玻璃里液晶分子會呈現不規則散布狀態,使光線無法射入;通電後,裡面的液晶分子呈現整齊排列,光線可以自由穿透,此時電控液晶玻璃呈現透明狀態。由於製造成本居高不下,目前大多應用於高檔場所及各類隱私保護領域,少部份頂級轎車,如MaybachLexus使用調光玻璃做為天窗

自潔玻璃[編輯]

自潔玻璃英語Self-cleaning glass主要應用在建築物和汽車上。玻璃外層會塗上約50奈米厚的氧化物,在紫外光下會催化玻璃上的有機物分解。這可以把分解的有機物沖走且不留水跡,達到自潔效果。

鐳射玻璃[編輯]

也稱「全息玻璃」或「雷射玻璃」,這種玻璃是把雷射全息圖樣與玻璃相結合。這是應用於家居設計。

夜光玻璃[編輯]

夜光玻璃可在夜裡產生獨特的熒光效果。在夜晚可起到指引方向或充當光源的作用。這用於室內設計。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 電子材料導論. 清華大學出版社有限公司. 2001: 249–. ISBN 978-7-302-04396-6. 
  2. ^ 史前研究. 西安半坡博物館. 1988. 
  3. ^ 歷史記錄中的玻璃
  4. ^ Kenneth Chang, The Nature of Glass Remains Anything but Clear, The New York Times, July 29, 2008 
  5. ^ P. W. Anderson. Through the Glass Lightly. Science. 1995, 267 (5204): 1615. doi:10.1126/science.267.5204.1615-e. 
  6. ^ P. S. Salmon. Order within disorder. Nature Materials. 2002, 1 (2): 87–8. doi:10.1038/nmat737. PMID 12618817. 
  7. ^ ASTM definition of glass from 1945; also: DIN 1259, Glas – Begriffe für Glasarten und Glasgruppen, September 1986
  8. ^ Zallen, R. The Physics of Amorphous Solids. New York: John Wiley. 1983. ISBN 0-471-01968-2. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ 10.0 10.1 Elliot, S. R. Physics of Amorphous Materials. Longman group ltd. 1984. 
  11. ^ 11.0 11.1 Horst Scholze. Glass – Nature, Structure, and Properties. Springer. 1991. ISBN 0-387-97396-6. 
  12. ^ 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. 
  13. ^ 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. 
  14. ^ Philip Gibbs. Is glass liquid or solid?. [21 March 2007]. 
  15. ^ "Philip Gibbs" Glass Worldwide, (May/June 2007), pp. 14–18
  16. ^ Jim Loy. Glass Is A Liquid?. [21 March 2007]. 
  17. ^ 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. 
  18. ^ 18.0 18.1 楊靜. 建築材料與人居環境. 清華大學出版社有限公司. 2001: 50–. ISBN 978-7-302-04503-8. 
  19. ^ 平拉法