玻璃成分对玻璃成品的功能\性质和成本均会产生重大的影响,如特硬质玻璃根据使用条件,要求玻璃线膨胀系数为(32~33)×10-7/K,而普通玻璃的钠钙硅酸线膨胀系数在(85~95)×10-7/K之间,因此特硬质玻璃必须设计低碱高硅的玻璃成分,以满足玻璃制品和功能的要求.玻璃成分不仅决定了玻璃制品的性质和功能,而且在很大程度上还决定了玻璃成本.如有些特种玻璃成分按照性质要求,需引入稀土元素,价格昂贵,在成分设计时用性质相近的其它成分代替稀土元素,则可降低成本.另外成分设计不当,会造成产品质量下降,废品增加,成本提高,这是由于玻璃成分与生产工业也有特密切光系.通常根据设计的成分来选择产生工艺,但对于已确定的生产工艺,则需根据生产工艺来选择相应的玻璃成分,玻璃成分设计不合适,会使熔制\成形困难,退火不良,严重时无法进行生产.如用瓷窑生产矿渣微晶玻璃板材时,需将玻璃熔融成形后再进行晶化处理,但玻璃成分设计只考虑到主晶相的组成,晶化速度过快,在成形时完全晶化,达不到微晶结构所要求的性能,而且在池窑的某些部位可能产生整体析晶,此时只得停止生产.其它玻璃品种也有因析晶而影响生产的,不过不像矿渣微晶玻璃那样严重.至于玻璃成分设计不当,造成熔化困难,熔制时发生结石、条纹、气泡等缺陷,实际生产中时有发生。所以一般情况下根据设计的玻璃成分来制定生产工艺,但对于生产工艺已经确认的工厂,则根据生产工艺来选择与其匹配的成分。
玻璃成分设计方法与材料设计方法基本相似,也经历了四个阶段。
1、摸索性阶段:根据反复试验、摸索而成,如古代的玻璃工匠是试探性地摸索出玻璃配方,未能去寻找规律,所以偶然能获得成功,但没有重复性。
2、经验性阶段:根据经验和秘方,凭直觉建立经验规则,如国内艺术玻璃作坊的技师,往往是口传手教,停留在感性阶段,很少将经验总结为理性文字材料。但此阶段比摸索性阶段有了较大进步,按经验配方可以重复地制备出符合性质和功能要求的成品。
3、实验性阶段:根据数据的积累进行数据分析,建立实验公式,用模拟方法、分析、有限差分法、有限元法来设计玻璃成分。目前国内外玻璃成分设计基本上处于此阶段,仍然停留在宏观计算水平上。只有个别特种成分设计达到了原子、分子水平,如采用分子力学方法、分子动力学方法、蒙卡罗方法等。
对于离子键为主的氟化物玻璃用分子动力学方法,按红外光学性质要求来设计玻璃成分,能达到比较高的精确度。对共价键和离子键相结合的硅酸盐玻璃,采用MD法根据性能要求来设计成分,误差仍比较高。
4、理论性阶段:用理论公式进行成分设计,如在电子层次上,用各种分子轨道方法,各种能带计算方法进行成分设计计算。目前此法仍处在探索时期,只在元素半导体玻璃、化合物半导体玻璃成分设计中能成功地应用。
实用玻璃大都为元成分体系,玻璃组分比较多,结构也很复杂,期望建立结构性质之间模型也很困难,推导理论公式目前还处于探索阶段。