玻璃工艺学》第7章玻璃的电学及磁学性能

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1、第7章玻璃的电学及磁学性质玻璃的电学性质和磁学性质是玻璃物理性质的重要组成部分。例如玻璃由于不同的化学组成和工艺条件使其具有绝缘性、半导性、甚至良好的导电性，因而成为电器和电子工业的重要材料之一。7.1玻璃的导电性在常温下一般玻璃是绝缘材料，但是随着温度的上升，玻璃的导电性迅速提高，特别是在转变温度点以上，导电性能飞跃增加，到熔融状态，玻璃变成良导体。例如，一般玻璃的电阻率在常温下为1011～1012，而在熔融状态下为10–2～3×10–3。利用玻璃在常温下的低电导率，可制造照明灯泡、电真空器件、高压

2、绝缘子、电阻等，玻璃已成为电子工业重要材料。导电玻璃可用于光显示。利用玻璃在高温下较好的导电性，可进行玻璃电熔和电焊。7.1.1玻璃的导电机理玻璃具有离子导电和电子导电的特性。某些过渡元素氧化物玻璃及硫属化物半导体玻璃具有电子导电的特性，一般的硅酸盐玻璃为离子导电。离子导电是以离子为载电体，在外电场作用下，载电体由原先无定向的离子热运动纳入电场方向的几率增加，转为作定向移动而显示出导电性。载电体离子通常是玻璃中的阳离子，尤其以玻璃中所含能动度最大的碱金属离子为主（如Na+、K+等），二价阳离子能动度要

3、小得多，在能动度相差很大的情况下，全部电流几乎由一种阳离子负载。例如在Na2O—CaO—SiO2玻璃中，可以认为全部电流都由Na+离子传递，而Ca2+离子的作用可以忽略不计。在常温下，玻璃中作为硅氧骨架或硼氧骨架的阴离子团，在外电场作用下几乎没有移动的能力。当温度提高到玻璃的软化点以上时，玻璃中的阴离子开始参加电流的传递，随着温度的升高，参与传递电流的碱离子和阴离子数也逐渐增多。7.1.2玻璃的电导率固体材料的电导率是表示通过电流的能力。其大小主要由带电粒子的浓度和它们的迁移率所决定。玻璃的电导率分为

4、体积电导率和表面电导率两种，一般系指体积电导率而言。电导率与材料的截面积成正比，与其长度成反比。电导率的单位为S/m。玻璃的电导率与玻璃的化学组成、温度及热历史有关。7.1.2.1玻璃电导率与组成的关系玻璃导电是离子迁移所致，因此玻璃组成（由于其影响迁移离子数目和迁移离子速度）是影响玻璃电导率的重要因素。对电导率影响特别显著的是碱金属氧化物。石英玻璃具有良好的电绝缘性。如果在石英玻璃中加入Na2O，就会使电阻率迅速下降（例如，石英玻璃200℃时电阻率为1017，当加入0.04ppmNa+在300℃时的

5、电阻率约为1013，而Na+离子的含量为20ppm时，电阻率即降低到5×109）。1当碱金属离子浓度相同时，玻璃的电导率与碱金属离子的键强和半径有关。例如K+离子，虽然K-O键强较弱，但离子半径较大，具有较大的阻力，妨碍了离子的运动。Li+离子则正好相反，因此二者的电导率相差很小，一般按Li+→Na+→K+的顺序电阻率值略微增大。但是当网络外体离子的含量大到足以将玻璃结构显著扩张时，K+离子会更易于移动，顺序的排列就倒过来了。图7-28.5Na2O·8.5RO·83SiO2含玻璃中二价金属离子的半径与

6、lgρ的关系离子半径/Å图7-1Fe2O3含量对含碱硅酸盐玻璃中“混合碱效应”的影响1—Fe2O30%；2—Fe2O34%；3—Fe2O38%；4—Fe2O316%当玻璃中同时存在两种碱金属时，在组成与电导率的关系曲线上将出现明显的极值，即“混合碱效应”。而且两种碱金属离子半径相差愈大，此效应越显著；总的碱含量越低，此效应愈不明显。同时“混合碱效应”随着温度的升高逐渐减弱。在玻璃中引入Fe2O3能影响“混合碱效应”,图7-1表示Fe2O3含量对含碱硅酸盐玻璃中“混合碱效应”的影响情况,这可能与铁离子在

7、玻璃中的价态和配位状态有关。从图中看出,当Fe2O3含量达到2~6%时,“混合碱效应”很少变化，当超过6%时此效应降低，当Fe2O3含量达到12~16%时,“混合碱效应”完全消失。二价金属氧化物也能增加玻璃的电导率，但与碱金属氧化物相比因其键强大，故作用不明显。其对玻璃电导率的影响，一般随离子半径的增大而减小，见图7-2，即：Be2+>Mg2+>Ca2+>BSr2+>Pb2+>Ba2+。这是由于二价离子对碱金属离子的“压制效应”所致。图7-4Na2O—SiO2玻璃的lgk-1/T关系曲线图7-3Al2

8、O3含量对R2O—SiO2系统玻璃电阻率的影响在含碱玻璃中引入Al2O3时对其电阻率有特殊的影响,当引入少量Al2O3时，玻璃的电阻率随之增加，到Al2O3/Na2O≈0.2时达最大值；进一步提高Al2O3的含量，因有较多的[AlO4]四面体形成（因[AlO4]四面体的体积大于[SiO4]四面体），1从而使结构松弛，网络空隙增大，碱金属离子活动性增加，导致电阻率下降；在Al2O3/Na2O=1时，电阻率达到最小值。继续增加Al2O3的含量，此时Al3+以