玻璃與玻璃態
鈉鈣矽玻璃(soda-lime-silica glass)
鈉鈣矽玻璃是日常生活的玻璃,是窗戶、水杯、罐子與瓶子的材料。它佔了所有製造玻璃中壓倒性的多數,約九成,原因很簡單:便宜。它的原料——砂、蘇打灰與石灰石——既豐富又低價,配方在工廠爐能達到並經濟維持的溫度就能熔化。當有人不加限定地說「玻璃」時,幾乎總是指它。
名稱就是配方。它大致是 70 到 74% 的矽石 SiO2(網狀形成者,骨架)、約 12 到 16% 的蘇打 Na2O(來自蘇打灰,是打斷鍵結、降低熔化溫度與黏度、好讓混合物可加工的助熔劑),以及約 5 到 12% 的石灰 CaO(來自石灰石,穩定劑),常再加一點氧化鎂 MgO 與氧化鋁 Al2O3。每種原料各有職責。單靠蘇打會做出滿是非橋接氧、以致溶於水的玻璃,也就是黏著劑用的水玻璃;加入石灰正是為了把網路重新鎖緊、恢復化學耐久性。這是一場三方的平衡:矽石負責網路,蘇打讓它可熔,石灰讓它耐久。
鈉鈣玻璃誠實的弱點是熱震。那麼多蘇打讓網路被大幅打斷,帶來約 9 x 10^-6 每攝氏度的高熱膨脹係數。因此玻璃隨溫度大幅脹縮,一個驟然的變化——把沸水倒進冷杯子——就會建立起使它開裂的應力。這就是為什麼廚房烤皿改用低膨脹的硼矽玻璃,也是為什麼鈉鈣窗玻璃與瓶子通常要退火,而在淋浴門這類攸關安全的用途上要熱回火。
拿一只薄的鈉鈣玻璃杯直接從水壺注入熱水,它可能「叮」地一聲裂開;內表面受熱膨脹,外壁卻還冷著,這種不匹配把玻璃扯裂。對硼矽量杯做同樣的事卻毫無反應。差別不在強度,而在熱膨脹,而鈉鈣玻璃雖便宜,熱膨脹卻很大。
鈉鈣玻璃便宜又好加工,但高熱膨脹使它容易因熱震而開裂。
別以為所有透明玻璃都可互換。鈉鈣玻璃熱膨脹高、熱震阻抗差,因此把鈉鈣罐當烤皿、或把它當燒杯放在火上加熱,都是在自找裂縫。
又稱
另見