玻璃熱膨脹係數與溫度的關係述

一般的玻璃熱伸長量和溫度之關係如下圖3.5 所示。A 點相當於轉移域之上 限溫度。曲線①～⑥表示試件之熱履歷在伸長法與收縮法之差異，如由A 點以 相當快的速度加以冷卻時也就順著A→①→C→B 而收縮，若加熱時試件加熱速 度比較大時，就會順著B→C→②→A 之順序，加熱速度比較慢時就會以

B→C→③→A 的順序膨脹。如此時在比 C 點稍高之溫度退火，則試件就會順著 B→C→⑦ →D 而收縮。如再由 D 點加熱且加熱速度較大時就依 D→④→A，較 小時就依D→⑤→A 而膨脹。如由 A 點慢慢地冷卻，則其收縮的情況就順著 A→⑥→E 的方式。也就表示分別由曲線④和曲線⑥所得到之轉移溫度(Tg)及轉 移域下限溫度(Th)，由 D 點出發者比由 E 點出發者所測得之溫度高，而 Tg4和Tg6

的高低關係則是由玻璃本身安定化的程度來決定的。但一般而言，無法決定由曲 圖3.4 溫度對玻璃 Break Stress 之影響［10］

線②及曲線③進行緩冷卻時的轉移溫度。

圖3.5 玻璃之膨脹(收縮)特性［11］

玻璃這種隨著加熱或冷卻而改變其膨脹、收縮曲線的特性就叫做「熱履 歷」，這種特性則跟玻璃本身安定化的程度有關。若能讓玻璃有足夠的時間達到 其內部結構的安定化，則其膨脹及收縮的曲線曲率變化也會變得比較小，如此便 可使玻璃因驟熱而內部應力急劇增加的機會也會比較小。

火焰拋光玻璃的最高工作溫度為1200℃左右，而由室溫至 1200℃之玻璃內 部應力受玻璃隨溫度而變化的熱膨脹係數所影響，隨溫度增加而逐漸遞增。在彈 性範圍內熱膨脹係數隨溫度上升的趨勢如圖3.6 所示。此處的線膨脹係數定義為 在該溫度之下每單位長度所產生的伸長量，與使用試件的長度無關。體膨脹係數 為線膨脹係數的三倍。一般所得到的膨脹係數為取其溫度區間在0℃~300℃之平 均值。若以此標準計算，可得鈉鈣玻璃之線膨脹係數為8.3×10^-6(mm/mm.℃)若以 華氏溫度表示則為4.6×10^-6(in/in.℉)。

玻璃受熱時所產生的熱應力直接地受熱膨脹係數所影響。相較於玻璃的其 他物理常數，熱膨脹係數在彈性範圍內大致上變動並不大所以一般可以定值表 之。一般膨脹係數都是表示由0℃~300℃的平均膨脹係數，且在溫度較低時，膨 脹係數與溫度呈現較線性的關係。但當溫度慢慢地接近應變點(Strain Point)時，

熱膨脹係數會隨溫度上升漸漸增加而不再呈一定值。甚至在溫度接近退火點

(Annealing Point)時的膨脹係數會上升至 0℃~300℃平均膨脹係數的 2~3 倍。

Thermal Expansion of Float Glass

0 1 2 3 4 5 6

0 100 200 300 400 500 600 700

Temperature ℃ E x te ns ion per unit lengt h ×1 0

圖3.6 鈉鈣玻璃熱膨脹係數

資料來源：台灣玻璃工業公司

熱應力的大小直接受到該溫度下之熱膨脹係數所影響。與其他玻璃特性比 較，玻璃的熱膨脹係數呈現的量值較為固定，使用平均熱膨脹係數是可行的。若 成份不同的玻璃，影響熱膨脹係數的程度較大，且溫度上升對膨脹係數的改變量 也成為影響玻璃應力大小的最主要因素。