玻璃成分對玻璃成品的功能\性質和成本均會產生重大的影響,如特硬質玻璃根據使用條件,要求玻璃線膨脹系數為(32~33)×10-7/K,而普通玻璃的鈉鈣硅酸線膨脹系數在(85~95)×10-7/K之間,因此特硬質玻璃必須設計低堿高硅的玻璃成分,以滿足玻璃制品和功能的要求.玻璃成分不僅決定了玻璃制品的性質和功能,而且在很大程度上還決定了玻璃成本.如有些特種玻璃成分按照性質要求,需引入稀土元素,價格昂貴,在成分設計時用性質相近的其它成分代替稀土元素,則可降低成本.另外成分設計不當,會造成產品質量下降,廢品增加,成本提高,這是由于玻璃成分與生產工業也有特密切光系.通常根據設計的成分來選擇產生工藝,但對于已確定的生產工藝,則需根據生產工藝來選擇相應的玻璃成分,玻璃成分設計不合適,會使熔制\成形困難,退火不良,嚴重時無法進行生產.如用瓷窯生產礦渣微晶玻璃板材時,需將玻璃熔融成形后再進行晶化處理,但玻璃成分設計只考慮到主晶相的組成,晶化速度過快,在成形時完全晶化,達不到微晶結構所要求的性能,而且在池窯的某些部位可能產生整體析晶,此時只得停止生產.其它玻璃品種也有因析晶而影響生產的,不過不像礦渣微晶玻璃那樣嚴重.至于玻璃成分設計不當,造成熔化困難,熔制時發生結石、條紋、氣泡等缺陷,實際生產中時有發生。所以一般情況下根據設計的玻璃成分來制定生產工藝,但對于生產工藝已經確認的工廠,則根據生產工藝來選擇與其匹配的成分。
玻璃成分設計方法與材料設計方法基本相似,也經歷了四個階段。
1、摸索性階段:根據反復試驗、摸索而成,如古代的玻璃工匠是試探性地摸索出玻璃配方,未能去尋找規律,所以偶然能獲得成功,但沒有重復性。
2、經驗性階段:根據經驗和秘方,憑直覺建立經驗規則,如國內藝術玻璃作坊的技師,往往是口傳手教,停留在感性階段,很少將經驗總結為理性文字材料。但此階段比摸索性階段有了較大進步,按經驗配方可以重復地制備出符合性質和功能要求的成品。
3、實驗性階段:根據數據的積累進行數據分析,建立實驗公式,用模擬方法、分析、有限差分法、有限元法來設計玻璃成分。目前國內外玻璃成分設計基本上處于此階段,仍然停留在宏觀計算水平上。只有個別特種成分設計達到了原子、分子水平,如采用分子力學方法、分子動力學方法、蒙卡羅方法等。
對于離子鍵為主的氟化物玻璃用分子動力學方法,按紅外光學性質要求來設計玻璃成分,能達到比較高的精確度。對共價鍵和離子鍵相結合的硅酸鹽玻璃,采用MD法根據性能要求來設計成分,誤差仍比較高。
4、理論性階段:用理論公式進行成分設計,如在電子層次上,用各種分子軌道方法,各種能帶計算方法進行成分設計計算。目前此法仍處在探索時期,只在元素半導體玻璃、化合物半導體玻璃成分設計中能成功地應用。
實用玻璃大都為元成分體系,玻璃組分比較多,結構也很復雜,期望建立結構性質之間模型也很困難,推導理論公式目前還處于探索階段。