為什麼以前有的玻璃杯倒開水時易炸裂,而現在的玻璃杯一般不會?

2020-12-12 科學角度觀世界

現在製造玻璃的工藝和原材料配方比以前有所進步,以前的玻璃製品相對來說比較粗糙,性能較低,導致在快速升溫或冷卻時容易炸裂,炸裂的主要原因有下面幾個。

以前的玻璃材料的熱膨脹係數大

我們都知道「熱脹冷縮」這個物理現象,由於玻璃屬於硬而脆的一類材料,因此當玻璃發生不均勻的膨脹時,就很容易炸裂。我們向杯子中倒入開水時,玻璃杯的內壁會迅速升溫,發生膨脹,而外壁的溫度依舊還是常溫,不會發生變形,那麼問題來了,由於內部膨脹擴張受到拉力,而外部體積不變被壓縮,內外體積變化不一樣,當產生的應力超過了玻璃承受的極限時,就會發生炸裂。

而現在的玻璃之所以能夠適應快速的溫度變化與玻璃原料的優化有關,主要是向原料中加入硼元素,形成高硼矽玻璃材料,硼的加入使玻璃有了更小的熱膨脹係數,膨脹程度變低了,那麼在高溫下也就不容易發生體積變化而脹裂。通常高品質的高硼矽玻璃能夠承受瞬間150℃左右的溫差。

製作工藝更加成熟合理

玻璃製作過程一般是將原料進行混合融化之後冷卻形成,在熔融的液體冷卻凝固過程中,內部的原子會由於溫度降低而收縮互相拉扯,在快速降溫過程中,已經固化了的部分就會受到周圍還未來得及凝固溶液不同程度的拉應力,這個力會導致內部的結構不穩定,如果受到冷熱的變化時,這個內力則會有可能釋放出來導致炸裂。所以正常生產工藝中情還要對凝固的玻璃製品進行退火,也就是置於高溫(低於熔化溫度)中緩慢的冷卻,這樣玻璃內部的原子會緩慢的進行遷移而將內應力釋放,從而形成更穩定的結構。

原來製作玻璃產品的工藝相對來說更加粗糙一些,退火過程中可能採用間歇式的降低溫度,導致退火的作用不完全,所以玻璃結構還未完全穩定,現代基本採用流水線式生產,任何一個環節都是完全標準的,因此質量也就更加能夠得到保障。

另一方面,玻璃內部的雜質也容易產生內應力,原來玻璃燒制過程中可能設備溫度不能達到很高,所以在融化玻璃時,可能就存在部分不熔的固體,這部分固體在凝結時很有可能導致應力集中,從而在後期使用過程中造成開裂。

而且現在的玻璃杯一般都會做得比較薄,以前的玻璃杯一般採用壓製成型,所製得的玻璃杯通常又厚又重,厚重的玻璃杯壁本身的導熱性能較差,內外更容易形成較大溫差,從而導致玻璃杯炸裂,輕薄的玻璃結構由於整體受熱,反而會耐用。

以上幾點就是關於現在的玻璃製品為什麼質量更好,不怕冷水/開水的反覆「折磨」的主要原因,一個是原料的改進,一個是工藝水平的提高以及規範化生產。想了解更多有趣科學知識,歡迎關注。

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