玻璃成分设计的重要性及其发展阶段

先民从偶然发现得到玻璃，多次试验后总结为经验配方，不可能有目的地进行成分设计。随 着玻璃工业的发展、科技的进步与对新材料的需求，人们逐渐认识到玻璃成分设计的重要性。 玻璃成分对玻璃材料或产品的功能、性质和成本均产生重大影响，如特硬质仪器玻璃根据使 用条件，要求玻璃线膨胀系数为（32〜33)X10-⁷°C-1、而普通钠钙硅酸盐玻璃线膨胀系数在 85X10-⁷〜90X10-⁷°C-1，此时必须设计低碱高硅玻璃成分，以达到玻璃制品的性质和功能的要 求。玻璃成分不仅决定了玻璃制品的性质和功能，而且很大程度上还决定了成本。如有些特种玻 璃成分中按照性质要求，需引入稀土元素成分，价格昂贵，在设计成分时选用性质相近的其他成 分代替稀土元素，可降低成本。所以成分设计不当，会造成产品质量下降、废品增加、成本提 高。玻璃成分与生产工艺也有密切关系，通常根据设计的成分来选择生产工艺，但对已确定的生 产工艺，需根据生产工艺来选择相应的玻璃成分，玻璃成分设计不合适，会使熔制、成形困难， 退火不良，严重时无法进行生产。如用池窑熔融法生产矿渣微晶玻璃板材时，需将玻璃熔融成形 后再进行晶化处理，但玻璃成分设计不妥时，如只考虑到主晶相的化合物的组成，晶化速率过 快，在成形时完全晶化，得不到微晶结构所要求的性能，而且在池窑的某些部位可能产生整体析 晶，此时只得停止生产。其他玻璃品种也有因析晶而影响生产的，不过不像矿渣微晶玻璃那样严 重。至于玻璃成分设计不当，造成熔化困难，熔制时发生结石、条纹、气泡等缺陷，实际生产中 时有发生。所以一般情况下根据设计的玻璃成分来制定生产工艺，但对于生产工艺已确定的工 厂，则根据生产工艺来选择与其相匹配的成分。 玻璃成分的设计包括两种情况：一种是根据要求性能来设计玻璃成分并制定生产工艺；另一 种情况是根据生产工艺来设计与其匹配的成分。前者主要适用于新玻璃（特种玻璃）的研制；后 者应用面较广，如浮法玻璃成分设计是在已确定浮法生产工艺的前提下，如何设计出性能优越、 低碳环保而成本低廉的成分。大部分生产企业是先确定产品生产方法再来设计玻璃成分的。 人们制造玻璃由手工作坊到机械化生产，由传统玻璃到新型玻璃，期间玻璃成分设计的发展 经历了四个阶段。 (1) 摸索性阶段根据反复试验，摸索而成。古代的工匠试探性地摸索出玻璃配方，未能去 寻找规律，虽然偶然获得成功，但没有重复性。如我国清代淄博制造的鸡血红玻璃，其配方失 传，后代多次仿制很难达到当时水平。 (2) 摸索性阶段根据反复试验，摸索而成。古代的工匠试探性地摸索出玻璃配方，未能去 寻找规律，虽然偶然获得成功，但没有重复性。如我国清代淄博制造的鸡血红玻璃，其配方失 传，后代多次仿制很难达到当时水平。 (3) 实验性阶段根据数据的积累，进行数值分析，建立实验公式，用模拟方法、多变量分 析、有限差分析、有限元法来设计玻璃成分。目前，国内外成分设计基本上处于此阶段，即仍然停留在宏观设计和计算水平上，只有个别特种成分设计达到了原子、分子水平，主要应用分子力 学方法、分子动力学（molecular dynamics)方法、蒙特卡罗（Monte Carlo)方法等进行设计。                                                                                                                             (4)理论性阶段用理论公式进行成分设计，如在电子层次上，用各种分子轨道方法、能带计算方法进行成分设计。此法仍处在探索时期，只在元素半导体玻璃、化合物半导体玻璃成分设计中获得过成功。 实用玻璃大都为多元成分系统，组成比较多，结构比较复杂，建立成分-结构-性质模型十分 困难，因此目前大部分企业按实验数据建立加和性简单的数学模型，采用计算机模拟以及数据库和专家系统进行玻璃成分设计。