[科普中国]-零膨胀玻璃

零膨胀玻璃是指热膨胀系数较小的玻璃。玻璃与晶体的不同之处在于原子和离子的空间排列是不规则的。因此，其热物性从理论上不能预测，表现出各种异常现象。例如玻璃的热膨胀系数随温度降低而变小，但从SiO2网络形成物成分来看，玻璃在低温时有时也变为负的热膨胀。

窗玻璃和瓶罐玻璃等为普通的钠钙硅玻璃，膨胀系数为(900～100)×10-7K-1。而派莱克斯玻璃膨胀系数为(30～35)X 10-7K-1，约是钠钙硅玻璃的1/31。

简介只有SiO2的石英玻璃是最具代表性的低膨胀材料。它是在较易制造的物品中膨胀系数最小的材料，其室温附近膨胀系数约为5X10-7K-1，在低温下将更小，约在-80℃时膨胀系数为零，温度更低时成为负的膨胀。石英玻璃的转变温度高达1100℃，高温下不产生软化变形。SiO2玻璃的密度为2.2 X 103kg·m-3，比其他玻璃小，玻璃构造中空隙较多。在这种SiO2中加入其他成分，例如碱金属氧化物，将有许多氧离子配位修饰离子填充于玻璃构造的空隙中，且产生非桥氧，形成弱的离子结合，使膨胀系数增大2。

制备只含这种SiO2为主成分网络形成成分的低膨胀玻璃密度小，结构中空隙较多，可透过氦气和氢气，而且这种玻璃主要以共价键结合，结合能非常大。因而制造较困难，需在2000℃高温下熔融，熔液黏度又非常大，不易成形。这种玻璃也可采用化学气相蒸镀法的一种气炼热分解法制造。

制备工艺为：将纯度高的SiCl4或TiCl4混合液体以雾化状态喷入1600～1700℃高温炉中，用氢氧焰加热，气相条件产生氧化反应形成SiO2或SiO2一TiO2系玻璃微粒，然后将这些微粒沉降集中于接收皿中，最后在1800℃高温下加热烧结，形成透明的块状玻璃。其他方法如常用的溶胶一凝胶法，是利用硅及钛的烷氧基，经加水分解、聚合成形，比较适合制备纤维和涂覆薄膜，但不易制备复杂形状的块玻璃1。

用途低膨胀玻璃的特点之一是耐热冲击性强，即耐急冷急热。派莱克斯玻璃组成是以SiO2为主成分，其化学耐久性长，热膨胀系数是普通玻璃的1/3。因此成为耐热玻璃，用于烧杯等理化器皿、餐具、厨具、咖啡保温壶等。派莱克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急热，但一般不能承受200℃以上的热冲击。

石英玻璃与上述玻璃相比，热膨胀系数更小，玻璃转变温度也高，因此将其红热的制品放入冷水中也不会炸裂。即使加热至1100℃高温也几乎不变形。因具有这些优良的耐热性能，石英玻璃在许多方面具有多种用途。如在高温下使用的理化器皿和精密的测量仪器，以及水银灯等特殊电光源玻璃都使用石英玻璃。在高温下进行精密测量要求热膨胀系数尽量接近于零，需要耐热性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等热分析仪器必须使用石英玻璃。由于石英玻璃具有优良的热特性、包括其他优良的功能特性，因此它成为最具代表性的功能玻璃1。

影响因素影响玻璃热膨胀的因素，不仅有化学结合，而且与结合角度的变化有关，呈现复杂的关系。例如化学组成均为二氧化硅的石英玻璃，α一石英、β一石英的热膨胀反应有显著的差异。在573℃转变点的低温侧为α型，高温侧为β型。α一石英的膨胀系数值较大，接近转变点时更大。到转变点以上成为β一石英，此时进一步升高温度，体积反而减小，即呈现负膨胀。负膨胀是指温度升高时体积收缩，温度降低，体积反而膨胀。水在0～4摄氏度之间也具有负膨胀系数。、β一石英与其他SiO2相比是密度小、空隙多的晶体构造2。

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张尉 - 副教授 - 西南大学