玻璃成分對玻璃成品的功能\性質(zhì)和成本均會(huì)產(chǎn)生重大的影響,如特硬質(zhì)玻璃根據(jù)使用條件,要求玻璃線膨脹系數(shù)為(32~33)×10-7/K,而普通玻璃的鈉鈣硅酸線膨脹系數(shù)在(85~95)×10-7/K之間,因此特硬質(zhì)玻璃必須設(shè)計(jì)低堿高硅的玻璃成分,以滿足玻璃制品和功能的要求.玻璃成分不僅決定了玻璃制品的性質(zhì)和功能,而且在很大程度上還決定了玻璃成本.如有些特種玻璃成分按照性質(zhì)要求,需引入稀土元素,價(jià)格昂貴,在成分設(shè)計(jì)時(shí)用性質(zhì)相近的其它成分代替稀土元素,則可降低成本.另外成分設(shè)計(jì)不當(dāng),會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量下降,廢品增加,成本提高,這是由于玻璃成分與生產(chǎn)工業(yè)也有特密切光系.通常根據(jù)設(shè)計(jì)的成分來選擇產(chǎn)生工藝,但對于已確定的生產(chǎn)工藝,則需根據(jù)生產(chǎn)工藝來選擇相應(yīng)的玻璃成分,玻璃成分設(shè)計(jì)不合適,會(huì)使熔制\成形困難,退火不良,嚴(yán)重時(shí)無法進(jìn)行生產(chǎn).如用瓷窯生產(chǎn)礦渣微晶玻璃板材時(shí),需將玻璃熔融成形后再進(jìn)行晶化處理,但玻璃成分設(shè)計(jì)只考慮到主晶相的組成,晶化速度過快,在成形時(shí)完全晶化,達(dá)不到微晶結(jié)構(gòu)所要求的性能,而且在池窯的某些部位可能產(chǎn)生整體析晶,此時(shí)只得停止生產(chǎn).其它玻璃品種也有因析晶而影響生產(chǎn)的,不過不像礦渣微晶玻璃那樣嚴(yán)重.至于玻璃成分設(shè)計(jì)不當(dāng),造成熔化困難,熔制時(shí)發(fā)生結(jié)石、條紋、氣泡等缺陷,實(shí)際生產(chǎn)中時(shí)有發(fā)生。所以一般情況下根據(jù)設(shè)計(jì)的玻璃成分來制定生產(chǎn)工藝,但對于生產(chǎn)工藝已經(jīng)確認(rèn)的工廠,則根據(jù)生產(chǎn)工藝來選擇與其匹配的成分。
玻璃成分設(shè)計(jì)方法與材料設(shè)計(jì)方法基本相似,也經(jīng)歷了四個(gè)階段。
1、摸索性階段:根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)、摸索而成,如古代的玻璃工匠是試探性地摸索出玻璃配方,未能去尋找規(guī)律,所以偶然能獲得成功,但沒有重復(fù)性。
2、經(jīng)驗(yàn)性階段:根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和秘方,憑直覺建立經(jīng)驗(yàn)規(guī)則,如國內(nèi)藝術(shù)玻璃作坊的技師,往往是口傳手教,停留在感性階段,很少將經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為理性文字材料。但此階段比摸索性階段有了較大進(jìn)步,按經(jīng)驗(yàn)配方可以重復(fù)地制備出符合性質(zhì)和功能要求的成品。
3、實(shí)驗(yàn)性階段:根據(jù)數(shù)據(jù)的積累進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,建立實(shí)驗(yàn)公式,用模擬方法、分析、有限差分法、有限元法來設(shè)計(jì)玻璃成分。目前國內(nèi)外玻璃成分設(shè)計(jì)基本上處于此階段,仍然停留在宏觀計(jì)算水平上。只有個(gè)別特種成分設(shè)計(jì)達(dá)到了原子、分子水平,如采用分子力學(xué)方法、分子動(dòng)力學(xué)方法、蒙卡羅方法等。
對于離子鍵為主的氟化物玻璃用分子動(dòng)力學(xué)方法,按紅外光學(xué)性質(zhì)要求來設(shè)計(jì)玻璃成分,能達(dá)到比較高的精確度。對共價(jià)鍵和離子鍵相結(jié)合的硅酸鹽玻璃,采用MD法根據(jù)性能要求來設(shè)計(jì)成分,誤差仍比較高。
4、理論性階段:用理論公式進(jìn)行成分設(shè)計(jì),如在電子層次上,用各種分子軌道方法,各種能帶計(jì)算方法進(jìn)行成分設(shè)計(jì)計(jì)算。目前此法仍處在探索時(shí)期,只在元素半導(dǎo)體玻璃、化合物半導(dǎo)體玻璃成分設(shè)計(jì)中能成功地應(yīng)用。
實(shí)用玻璃大都為元成分體系,玻璃組分比較多,結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜,期望建立結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間模型也很困難,推導(dǎo)理論公式目前還處于探索階段。