教学新型玻璃课件

教学新型玻璃第一章玻璃的起源与发展自然玻璃到人工制造吹制法与浮法玻璃现代新型玻璃诞生玻璃最早源于自然界中的火山玻璃（黑曜石），吹制法在公元前世纪出现，革命性地改变了1后来人类开始尝试制造玻璃，最早可追溯到公玻璃制造；年阿拉斯泰尔皮尔金顿发1952·元前年的美索不达米亚地区明的浮法玻璃技术，实现了大规模高质量平板3500玻璃生产千年传承，创新不止玻璃的定义与本质玻璃是一种无长程有序的无定形固体，通过快速冷却熔融状态而形成，没有发生明显的结晶美国材料与试验协会—ASTM玻璃的本质存在科学争议是超冷却液体还是非晶态固体？这个问题涉及到材料科学的基本认识，至今仍有不同观点玻璃的结构示意图原子无序排列短程有序与长程无序玻璃中的原子或分子以无规则方式排玻璃在微观上具有局部有序结构（短列，没有形成周期性结构，这与晶体程有序），但在较大尺度上表现为无材料形成鲜明对比序状态（长程无序）这种特性使玻璃兼具液体和固体的某些特征玻璃转变温度（）Tg玻璃转变温度与性能关系熔融液态过冷液体玻璃化转变固态玻璃转变过程特点转变温度的工程意义玻璃从液态到固态是连续的过程，没有明确的相变点玻璃转变温度以下材料表现为脆性固体，弹性模量高••在转变区间，材料的粘度急剧增加，分子运动受限玻璃转变温度以上材料软化，可塑性增加，便于成型••冷却速率影响转变温度范围，快速冷却使转变温度升高•第二章新型玻璃材料分类硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃以二氧化硅为主要成分，是最常见的玻璃类型主要用于窗户、容器含有二氧化硅和氧化硼，具有优异的耐热性和耐化学腐蚀性广泛用等日常应用具有良好的透光性和化学稳定性，但耐热性一般于实验室器皿、烹饪器具和高温工业应用热膨胀系数低，抗热震性好氟化物玻璃安全玻璃不含氧化物的特种玻璃，具有优异的红外透过率主要用于光纤通信、激光技术和红外光学设备制造工艺复杂，价格昂贵新型玻璃的性能对比表玻璃类型透明度强度耐热性化学稳定性主要应用领域普通钠钙玻璃高中低中窗户、容器、日用品硼硅酸盐玻璃高中高高实验室器皿、烹饪器具铅玻璃极高中中中光学仪器、装饰品钢化玻璃高极高中高中建筑、汽车、移动设备夹层玻璃高高中中安全防护、建筑低辐射玻璃高中中中节能建筑氟化物玻璃中高低中低光纤通信、激光技术注性能评级为相对比较，实际性能取决于具体成分配比和制造工艺不同应用场景对玻璃性能要求各异，选择时应综合考虑多种因素多样选择，满足不同需求现代玻璃技术已发展出数百种不同性能的玻璃材料，能够满足从普通建筑到尖端科技的各类应用需求从高透明到完全不透明，从易碎到超强韧，从普通平板到复杂曲面，玻璃材料的多样性为设计师和工程师提供了丰富的创造可能第三章新型玻璃的制造工艺0102传统浮法玻璃制造激光切割与精密加工浮法工艺是现代平板玻璃的主要制造方法，通过将熔融玻璃浮在熔融锡上激光技术实现了玻璃的高精度切割和雕刻，无需物理接触，减少了材料损形成平整表面这一技术由英国的皮尔金顿公司在年发明，彻底革伤和废品率新型激光系统能够切割厚度从到的各类玻璃，

19520.1mm19mm新了玻璃工业精度可达微米级0304纳米技术与掺杂改性绿色环保回收再利用通过向玻璃中引入纳米颗粒或特定元素，可以改变玻璃的光学、电学和机玻璃是少数可以回收且质量不降低的材料之一现代玻璃工业越来100%械性能例如，掺入银纳米粒子可以制造具有抗菌性能的玻璃；添加稀土越注重回收利用，通过先进的分选和处理技术，将废弃玻璃重新融化为新元素可以改变玻璃的光学特性产品，显著减少能源消耗和二氧化碳排放玻璃制造流程图解原料配比熔融成型退火加工关键控制参数质量控制要点熔融温度°，影响气泡消除和均质化原料纯度与粒度分布控制•1400-1600C•成型温度°，决定流动性和可加工性熔融过程中气泡与杂质的消除•800-1200C•退火温度°，消除内应力，提高强度成型过程中的温度均匀性•450-600C•冷却速率过快导致内应力，过慢影响生产效率退火过程中的应力消除••表面缺陷检测与处理•激光切割技术优势激光切割激光切割的主要优势CO2适用于较厚玻璃（3mm），切割速度较慢，热影响区域较大，但设备成本•非接触式加工，减少材料损伤相对较低切割边缘通常需要二次抛光处理切割边缘强度提高•15-25%复杂形状切割能力大幅提升•光纤激光切割自动化程度高，生产效率提升•无工具磨损，维护成本低•适合精细加工，热影响区域小，切割精度高达±，边缘质量好，但

0.05mm环保无污染，无化学废液产生设备投入较高能够实现复杂图案的精确切割•超短脉冲激光最新技术，热影响几乎为零，可加工超薄玻璃（），实现微米级精

0.5mm度，特别适合电子和医疗器械用玻璃的加工高精度，低损伤现代激光切割设备能够在不接触玻璃表面的情况下，实现精确的切割和雕刻这种技术特别适用于处理厚度不均、形状复杂或具有特殊涂层的玻璃材料激光切割技术的应用使玻璃加工精度提高了一个数量级，同时显著降低了材料的损耗率，为玻璃工业带来了革命性变革中国玻璃工业协会—最新的激光切割系统不仅能够切割直线和曲线，还能进行三维立体加工，为艺术玻璃和特种功能玻璃的制造提供了全新可能第四章新型玻璃的教学应用案例光学教学中的透明材料示范建筑节能玻璃的教学实验利用不同折射率的玻璃材料，直观展示光的折射、反射和色散现象通过比较不同类型玻璃的热传导性能，学生可以亲身体验玻Low-E特制的光学玻璃棱镜和透镜组件，可以帮助学生理解几何光学的基本璃、中空玻璃等节能玻璃的隔热效果，理解建筑节能的科学原理原理和应用智能调光玻璃与光电材料介绍玻璃在艺术设计与创意教学中的应用展示电致变色玻璃、光致变色玻璃的工作原理和应用场景，让学生了融合科学与艺术教育，通过玻璃熔制、吹制和染色等工艺，培养学生解材料科学与电子技术的结合创新的创造力和审美能力，同时加深对材料性质的理解案例智能调光玻璃教学演示1电控玻璃工作原理电致变色玻璃由多层结构组成，包括两层导电玻璃和中间的电致变色材料层当施加电压时，离子在材料中迁移，改变玻璃的光学性质，从透明状态转变为不透明或有色状态实验准备准备电致变色玻璃样品、直流电源（0-12V可调）、连接导线和开关连接电路将电源正负极连接至玻璃两侧的导电层，注意电压不要超过样品规格观察变化闭合电路，观察玻璃透明度的变化过程和速度，测量不同电压下变色时间数据记录记录不同电压、温度条件下的变色效果和响应时间，分析影响因素案例节能玻璃热性能测试2实验设计测量参数构建相同尺寸的小型测试箱，分别安装不同类型的玻璃（普通单层玻璃、中空玻璃、Low-E玻璃等），内部安装温度传感器和热源，模拟太阳辐射和室内外温差记录不同玻璃下箱内温度随时间的变化曲线、箱内外温差、热源功率消耗等数据使用红外热像仪观察不同玻璃的热传导情况，直观展示热量损失差异环境数据分析教学成果计算各类玻璃的热传导系数、太阳能得热系数SHGC和可见光透过率，绘制性能对比图表，分析节能效果与成本的关系通过实验数据，学生能够理解建筑节能的科学原理，认识到玻璃材料选择对建筑能耗的重要影响学习如何评估不同玻璃产品的性能指标，培养科学分析和决策能力理论结合实践，激发学习兴趣通过动手实验和亲身体验，学生能够更深入地理解玻璃材料的物理特性和应用原理这种实践教学方式不仅增强了知识的吸收和记忆，还培养了学生的科学探究精神和实验技能我以前只知道玻璃是透明的，没想到它还可以变色、导电、隔热这些实验让我看到了材料科学的神奇，我现在对化学和物理更感兴趣了高中二年级学生—通过这些玻璃实验，学生们不仅学习了材料科学知识，还建立了理论与实际应用的联系，这对培养他们的创新思维和解决实际问题的能力非常重要物理教研组长—第五章新型玻璃的未来发展趋势超强韧性玻璃与柔性玻璃纳米复合玻璃材料通过特殊成分设计和表面处理，开发出可弯曲不将纳米颗粒或纳米结构引入玻璃基体，赋予玻璃易破碎的玻璃材料，为柔性电子设备和可穿戴设自清洁、抗菌、超疏水等特殊功能，拓展应用领备提供理想基材域绿色制造与循环经济光电子与量子信息应用低温熔融技术和高效回收工艺，降低能源消耗和开发新型光子晶体玻璃和掺杂稀土元素的特种玻碳排放，实现玻璃材料的可持续发展璃，用于光量子计算、光通信和光电集成器件玻璃材料的未来发展将更加注重功能化、轻量化、智能化和环保化，不断拓展在新兴技术领域的应用边界未来玻璃材料创新方向1自愈合玻璃技术通过添加特殊聚合物层或自愈合涂层，实现玻璃表面微小划痕的自动修复最新研究表明，某些含有柔性聚合物的复合玻璃在常温下即可在数小时内修复微米级划痕2透明导电玻璃与触控显示新一代替代材料和石墨烯涂层技术，使玻璃同时具备优异的透明度和导电性，为大尺寸触控屏和柔性显ITO示提供关键材料支持3打印玻璃制造技术3D突破传统成型工艺限制，通过打印技术直接制造复杂结构的玻璃器件，为光学、医疗和微流控领域提供3D定制化解决方案自愈合玻璃工作原理自愈合玻璃通常采用多层结构设计，包括基础玻璃层提供主要结构支撑

1.自愈合聚合物层含有能够在受损时重新连接的化学键

2.触发机制可以是热、光、电或机械压力

3.保护层防止环境因素干扰愈合过程

4.科技引领未来智能玻璃将成为建筑、交通和消费电子的关键材料，集成发电、显示、通信和环境调节功能于一体，创造更智能、高效和宜居的生活空间75%43%60%节能潜力市场增长成本下降智能玻璃与传统玻璃相比，可减少高达的能智能玻璃市场预计在未来五年内年复合增长率达先进制造技术预计将使智能玻璃成本在十年内降75%源消耗低43%60%新型玻璃产业链与市场前景重点企业与技术创新中国建材集团超薄玻璃和超白玻璃领域的领导者•福耀玻璃汽车玻璃技术创新与全球扩张•旭硝子（）建筑节能玻璃和车载显示玻璃•AGC康宁柔性玻璃和高强度玻璃技术•肖特公司特种玻璃和光学玻璃研发•教育与产业结合机遇全球玻璃市场规模（亿美元）中国市场规模（亿美元）校企合作开发实验教学设备•产学研协同创新平台建设•人才培养与技术需求对接•教学案例库与实践基地共建•玻璃材料安全与环保标准国际标准国内标准夹层玻璃安全标准安全玻璃系列标准•ISO12543•GB15763建筑用玻璃性能要求中空玻璃•ISO12540•GB/T11944欧洲建筑用玻璃标准低辐射镀膜玻璃•EN572•GB/T18091平板玻璃质量规范钢化玻璃•ASTM C1036•GB/T9962教学中培养环保意识玻璃回收利用实践案例将绿色制造理念融入教学内容•展示玻璃生命周期评价方法•引导学生比较不同材料的环境影响•组织玻璃回收实践活动•设计节能玻璃应用案例分析•某高校与当地玻璃厂合作，建立了玻璃回收实验室，将废弃实验玻璃器皿回收再利用，制作成艺术品或新的实验用品该项目不仅节约了资源，还成为环保教育的生动案例玻璃材料的力学性能测试方法抗弯强度测试冲击韧性测试硬度测试采用三点或四点弯曲法，测量玻璃在弯曲应力下的断裂强度标准方法包括ASTM C158和ISO1288，使用落球冲击或摆锤冲击方法，评估玻璃对动态载荷的抵抗能力安全玻璃需通过特定高度的钢球冲击而使用莫氏硬度、维氏硬度或努普硬度测试方法，评估玻璃表面抵抗划伤和压痕的能力普通玻璃的莫氏硬测试值通常为30-100MPa，钢化玻璃可达200-300MPa不产生危险碎片度约为5-6教学实验设计与数据分析典型测试设备介绍

1.学生分组设计控制变量实验，比较不同处理工艺对玻璃强度的影响

2.收集并统计分析测试数据，绘制应力-应变曲线

3.通过韦布尔分析方法评估玻璃的可靠性和失效概率

4.讨论表面缺陷对玻璃强度的影响机制

5.撰写科学报告，总结实验结果与理论预期的差异玻璃的光学性能测量透光率测定色散测定使用分光光度计测量不同波长光线通过玻璃的百分比可测量不同波长光的折射率差异，计算阿贝数（Abbe见光透过率（）是评价透明度的关键指标，）表征色散能力高阿贝数（）表示低色散，380-780nm number50普通玻璃约为，玻璃为适合制作消色差透镜90%Low-E70-80%教学中可展示不同厚度和成分玻璃的透光率差异，以及添教学实验可通过棱镜展示白光分解为彩虹色，直观演示玻加着色剂对特定波长吸收的影响璃的色散现象折射率测量使用阿贝折射仪或椭偏仪测定玻璃的折射率不同类型玻璃的折射率范围通常在之间，光学玻璃可达到

1.45-

1.9以上

2.0学生可通过实验测量折射率，并计算玻璃对光的色散性能和阿贝数，理解光学设计原理光谱仪与激光设备应用教学演示与学生操作指导现代光学实验室通常配备以下设备设计简化版实验装置，让学生亲手测量玻璃的基本光学性能•制作对比样品集，展示不同类型玻璃的光学特性差异紫外可见近红外分光光度计测量波长范围的透过率和反射率••--200-2500nm指导学生通过智能手机相机和简易光学装置进行初步测量傅里叶变换红外光谱仪分析玻璃中化学键的振动特性••结合虚拟仿真软件，模拟专业测试过程和原理激光散射仪测量玻璃表面粗糙度和内部散射••引导学生分析测试数据，理解材料组成与光学性能的关系偏振光显微镜观察玻璃中的应力分布和缺陷••精准测量，科学探索现代玻璃光学性能测试实验室配备了高精度仪器设备，能够精确测量玻璃材料的各项光学参数，为科学研究和产品开发提供可靠数据支持1分光光度计测试能够测量不同波长下玻璃的透射率、反射率和吸收率，精度可达通过分

0.1%析光谱曲线，可以评估玻璃的颜色还原性、选择性透过特性等关键指标2折射率精密测量使用椭偏仪或多角度反射仪，能够测量玻璃在不同波长下的折射率变化，精度可达这些数据对设计精密光学器件至关重要

0.00013表面形貌分析通过原子力显微镜和白光干涉仪，可以测量玻璃表面的纳米级粗糙度和平整度，对评估光学玻璃的成像质量和散射特性具有重要意义新型玻璃的创新教学设计建议多媒体与虚拟现实辅助教学项目式学习与跨学科融合实验与案例驱动的教学模式利用技术，创建玻璃微观结构设计以玻璃为主题的综合性项目，融合基于真实工业案例，设计具有挑战性的VR/AR的三维可视化模型，让学生沉浸式体验化学、物理、材料、艺术等多学科知识实验任务，如优化玻璃配方以满足特定原子排列和玻璃转变过程通过交互式例如，指导学生设计并制作具有特定功性能要求，或分析玻璃产品失效原因并模拟，展示不同成分和工艺对玻璃性能能的玻璃作品，从材料选择到工艺实施提出改进方案通过问题导向学习，培的影响全过程参与养学生的分析和解决问题能力教学创新要点成功的玻璃材料教学应注重理论与实践相结合，利用现代技术手段增强直观性和互动性，引入工业前沿案例保持内容时效性，鼓励学生动手实验培养实践能力，设计开放性问题激发创新思维教学资源推荐经典教材与最新论文实验器材与软件工具•《玻璃工程学》，张联盟主编，化学工业出版社基础实验套件•《新型功能玻璃材料》，赵修建主编，科学出版社•《Introduction toGlass Scienceand Technology》，James E.Shelby著玻璃物理性能测试套件、光学性能演示装置、小型玻璃熔炉等教学专用设备•《Journal ofNon-Crystalline Solids》期刊最新研究论文•中国玻璃学会年会论文集虚拟仿真软件在线课程与视频资源玻璃结构模拟软件、热学性能计算工具、光学设计软件如ZEMAX等•中国大学MOOC平台无机非金属材料系列课程•哔哩哔哩科普频道玻璃科学与艺术系列视频数据分析工具•Coursera平台Materials Science:10Things EveryEngineer ShouldKnow•康宁玻璃博物馆虚拟参观视频Origin专业绘图软件、材料数据库检索系统、光谱分析软件等教学新型玻璃的挑战与对策理解难点1实验条件2教师能力3前沿更新4理论复杂性与学生理解难点挑战玻璃材料涉及复杂的物理化学概念和非晶态结构理论，学生理解困难对策采用多尺度可视化教学方法，从宏观现象到微观结构逐步深入；设计递进式教学内容，建立概念间的逻辑联系；使用类比和实物演示增强直观理解实验设备投入与维护挑战高质量玻璃实验需要专业设备，成本高且维护复杂对策分层次配置实验资源，基础实验使用简化装置，高级实验采用校企合作教师专业能力提升路径模式；开发虚拟仿真实验替代部分物理实验；建立区域共享实验平台，提高设备利用率挑战玻璃材料跨学科性强，教师需具备多领域知识和实践经验对策组建跨学科教学团队，优势互补；安排教师到玻璃企业或研究所短期实践；定期参加专业培训和学术会议；建立教师在线学习社区，分享教学经验和资源总结与展望新型玻璃教学的重要性与价值科学知识与创新能力培养玻璃材料教学不仅传授专业知识，更培养学生的科学思维和创新能力培养学生的实验设计与操作能力•通过玻璃这一典型非晶态材料，学生能够深入理解材料结构与性能的关提升数据分析与科学推理能力•系，建立从微观到宏观的系统化认识锻炼团队协作与项目管理能力•玻璃材料涉及物理、化学、材料学等多学科知识，是培养学生跨学科思激发技术创新与问题解决意识•维的理想载体其在建筑、电子、医疗等领域的广泛应用，也有助于学建立可持续发展与环保责任理念•生理解科学技术与社会发展的密切联系共同推动玻璃材料教育发展期待教育工作者、科研人员和产业界共同努力，不断更新玻璃材料教学内容和方法，培养符合时代需求的创新型人才，为玻璃材料科学技术的发展和产业升级提供有力支撑谢谢聆听欢迎提问与交流电子邮件教学资源网站微信公众号玻璃材料科学glass.education@university.edu.cn www.glassscience.edu.cn后续将提供本次讲座的资料和实验指导手册，请关注相关平台获取更新PDF。