玻璃簡介

2.2.1 玻璃形成方式

世界上多數的液體只要在冷卻時，降低到達一定的溫度後會有逐漸凝固生成 結晶的特性，但某種液體冷卻時，卻逐漸增加黏性而不會凝固，最後也不產生結 晶而成堅硬的固體，這種物質若在常溫加熱，又會逐漸而再度成為液體，但又不 像結晶物質顯示出一定的熔點，這種非結晶的凝固物即稱為玻璃狀態 ( Glassy state )，而具有此狀態的物質，稱為玻璃。

玻璃是藉由加熱原料到超過熔點的高溫而製成，多數商業化玻璃是矽酸鹽、

鈉、灰石組成的變化。矽酸鹽通常是用常見的石英砂( SiO2 )，而 Na2O 和 CaO 用來當做鈉灰( Na2CO3 )及來姆石( CaCO3 )添加。

2.2.2 玻璃轉移溫度及轉移域定義

一般物質於高溫液體時開始慢慢冷卻，其體積將會隨著溫度的降低而慢慢減 少，直至到了物質的凝固點溫度( Tf )，其體積就將急速的減少之，同時固化而變 成結晶狀態。當溫度再繼續下降時，體積就將再度繼續隨著溫度的降低而減少，

這就是一般之結晶物質因溫度變化而產生體積變化的典型特徵。

但在換作是玻璃的場合時，就不以為然了。起初一樣的，玻璃於高溫液體時 度」 ( Transformation Temperature )。

所謂轉移溫度，係表示在最初使物質狀態變化之溫度的意思而命名之，而現 稱為「轉移域」( Transformation Range )。通常轉移域是指由轉移溫度到軟化溫 度這之間的溫度而言。 轉移域即是指由轉移溫度到軟化溫度之間而言，一般可

(4) 作業點 ( Working Point )

指適合玻璃成形的溫度，一般來說，即黏性係數η=10⁴之溫度。

圖11：玻璃轉移域之各工作點與黏性係數之關係圖[23]

2.2.3 玻璃的冷卻過程

當欲使用火焰刮痕技術來消除玻璃刮痕，不但要能成功移除玻璃表面上的刮 痕，但也必須要確保玻璃的強度性質不會受到相當程度的影響，不然，即使成功 消除了刮痕，但卻大大降低了玻璃的強度，也會造成不可預測的危險存在。本節 將對針對常用玻璃熱處理以及冷卻的方法來做介紹。

玻璃的冷卻方式可分為兩種，其一是以一定的冷卻速度冷卻之，其二是使玻 璃保持在一定溫度的方式冷卻之。前者是將玻璃於一定速度冷卻，把玻璃構造凍 結於一定的構造溫度，使折射率安定化、一定化。而後者是在一定溫度長時間保 持，以除去熱應變，使構造安定化後，再徐徐冷卻，防止應變。目前玻璃退火的 過程是由加熱升溫過程、定溫保持過程、定速冷卻過程以及急速冷卻過程組成。

玻璃的緩冷操作是熱處理加工的最後過程。玻璃在成形操作中，受到急速冷 卻到常溫，將會有熱的應變產生，而改變玻璃原來的物理性質，如玻璃的折射率，

比重或機械性亦會受影響。特別是光學玻璃的折射率變化。

玻璃自高溫冷卻時，其黏度逐漸增大，體積減少達到某程度時即無黏性，玻 璃實際上已變成堅硬且脆，此點即為玻璃應變點，這時的溫度稱為應變溫度。如 圖12 所示，比 S 點較高的部份，其膨脹(收縮)率較大，S 點以下則比較小。應變 溫度點，隨著玻璃的種類不同而異。今將玻璃自高溫冷卻時，表面首先變冷，而 內部溫度下降較遲，玻璃表面先達到 S 點，而成堅脆狀態。若再冷卻時，S 點溫 度將逐漸自表面內移，已經到達 S 點以下溫度的表面部份，其收縮率較內部小，

因此內部的玻璃收縮時，表面部分已呈現堅脆而收縮率更小，以致難以適應內部 收縮，結果玻璃雖已全部固化，但仍有應變狀態存在。換言之即表面部分殘留有 壓縮應力，而內部則為擴張應力，此時應力的大小，受通過 S 點的冷卻速度影響，

相反的，如果從高溫迅速冷卻時，就有很大的應力殘留，在 S 點的附近較緩冷卻 時，應力就變的很小，此外應力的殘留與玻璃厚度亦有相關。一般而言，如果將 玻璃冷卻時，若內部冷卻至室溫時，製品內外層沒有溫度差，而沒有膨脹收縮的 現象，應力也隨著消失，稱為暫時應變( temporary strain )，另一方面若玻璃成形 時，自高溫半熔融的玻璃狀態，急速冷卻而固化，因內外層的膨脹收縮而產生的 應力，即使在冷卻至室溫時，也無法完全消失，而能有一部份殘留在玻璃中。這 種現象稱為永久應變。

圖12：玻璃應變點溫度與玻璃體積收縮率變化圖

今欲消除玻璃自高溫冷卻時所產生的熱應力時，必須供玻璃再度加熱至應變 點以上。如果超過此點過高時，會有急劇的塑性，而無法保持玻璃的形狀。應力 的消除速度，在溫度愈高時愈快，實際上工廠中以15 分鐘為準，能消除其應力 的溫度，稱之為應力消除溫度，或退火溫度 ( Annealing temperature )，消除應力 的退火溫度如圖中的 A，將溫度升到 D 以上時。玻璃會因自重量而發生塑性變 將考慮和結構強度較有關者為楊氏係數( Young’s Modulus )與熱膨脹等玻璃的性 質。

從玻璃特性的觀點來考慮玻璃在做火焰拋光熱處理時，可歸類應需注意的四 大要點，以下將針對此四大要點以及玻璃特性的影響做詳盡的分析討論：