玻璃與玻璃態

玻璃的黏度(viscosity of glass)

黏度是液體對流動的抵抗:水稀而流暢,蜂蜜稠而緩慢,冷掉的太妃糖幾乎動不了。對玻璃而言,黏度是整門工藝的主變數,因為玻璃沒有明確的熔點。反之,它的黏度隨溫度平滑而巨幅地變化,跨越約十五個數量級,而你落在曲線上的哪一點,決定了玻璃是像水一樣傾倒、像麥芽糖一樣拉伸、能保持形狀、還是硬如岩石。控制溫度就控制了黏度,而控制黏度正是你成形、塑形與修整每一件玻璃的方法。

由於曲線平滑,玻璃工匠把具名的參考點釘在特定的黏度上,而非特定的溫度上,而同一個黏度在不同玻璃上會發生在不同溫度。由熱到冷,以帕斯卡-秒為單位(1 Pa s 等於 10 泊):熔化點約 10 Pa s(可澄清與傾倒的稀熔液);加工點約 10^3 Pa s(軟到可吹製與壓製,是成形溫區的核心);軟化點,即利頓(Littleton)點,約 10^6.6 Pa s(玻璃在自重下明顯變形);退火點約 10^12 Pa s(內應力在幾分鐘內鬆弛);應變點約 10^13.5 Pa s(低於此,玻璃實質上已剛硬,會永久保有任何應力)。

這條黏度曲線的形狀也用來區分玻璃。鈉鈣玻璃是「長玻璃」,意思是它的黏度隨溫度變化和緩,給出寬而寬容的加工溫區,讓玻璃工匠有時間慢慢做。硼矽玻璃是較「短」的玻璃,硬化得更快,因此必須趁更熱時更快地加工。整座參考點的階梯,尤其是退火點與應變點,訂出了退火與回火的時程;而加工點則訂出吹製、壓製與拉製所需的爐溫。

製瓶機就是一台黏度時鐘。玻璃料在加工點(約 10^3 Pa s)被剪下,此時玻璃軟到足以壓成預型;接著在硬化越過軟化點的過程中被吹成形狀;最後通過一座保持在退火點附近的退火窯,讓應力在冷卻到應變點以下、凍結成固體之前先鬆弛。每一站,其實都不過是黏度曲線上被選定的一個點。

成形、塑形與退火各在特定黏度下進行,都讀自同一條連續曲線。

那些具名的參考點是黏度,而非固定溫度。兩種玻璃可以在差異很大的溫度下擁有相同的軟化黏度,這正是為什麼熔融矽石必須比鈉鈣玻璃熱上好幾百度才能加工。

又稱
viscosity-temperature curvereference viscosity points黏度-溫度曲線黏度參考點