玻璃与基材科学
来料玻璃是不是说好的那种：密度、折射率与荧光的快速鉴别
钠钙、硼硅、碱铝硅和石英玻璃外观几乎一样。本文用阿基米德密度、折射率和紫外观察给出快速鉴别方法，算出区分相邻两类所需的测量精度，并说明为什么钠钙与碱铝硅要靠折射率联合判断。
来料标签写着“硼硅”，切开一看是不是真的？四类常用基材的外观几乎无法分辨：厚片透明、边缘略带绿色，刻线镀铬以后更看不出区别。但它们的密度、折射率和紫外吸收各有不同，用台面上能做的几步测量，就可以把基本类别核对出来。难点在于：测量误差必须小于类别之间的间距，而且相邻类别的批间分布本身就可能重叠。
四类玻璃的“指纹”
下表为典型值（示例，不对应任何牌号，不同厂家有差异）：
| 类别 | 密度 ρ（g/cm³） | 折射率 n_d | 紫外吸收边（量级） |
|---|---|---|---|
| 熔融石英 | 约 2.20 | 约 1.458 | 低于 200–250 nm，254 nm 透过 |
| 3.3 型硼硅 | 约 2.23 | 约 1.473 | 约 280–310 nm，254 nm 基本不透 |
| 碱铝硅 | 2.4–2.5 | 约 1.50–1.51 | 约 280–340 nm，254 nm 不透 |
| 钠钙 | 约 2.50 | 约 1.52 | 约 310–340 nm（含铁），254 nm 不透 |
石英与硼硅的密度差 0.027、折射率差 0.0145，间距大；钠钙与碱铝硅的密度重叠，折射率相差 0.014，是最难分的一对。
阿基米德法：密度能测到几位
试样在空气中称重 m_a，浸入水中称得 m_w，则
ρ = ρ_w·m_a / (m_a − m_w)
其中 ρ_w 为水的密度（20 ℃ 约 0.9982 g/cm³，25 ℃ 约 0.9971），再做空气浮力修正，约 0.0012 g/cm³。误差来自三项：天平读数、水温、吊丝的表面张力。以 ρ = 2.5 g/cm³ 的试样为例：
- 天平 0.1 mg：20 g 试样排开 8 g 水，相对误差约 10⁻⁵，可忽略。
- 水温 ±0.5 K：水的密度每 K 变 2.1×10⁻⁴ g/cm³，对 ρ 的影响约 0.0003 g/cm³。
- 吊丝：φ0.1 mm 的丝穿过水面，表面张力 F = π·d·γ ≈ 2.3×10⁻⁵ N，约等效 2.3 mg，对小试样影响最大。
| 试样质量 | 2 g | 5 g | 10 g | 20 g | 50 g |
|---|---|---|---|---|---|
| δρ（g/cm³） | 0.007 | 0.003 | 0.0015 | 0.0008 | 0.0004 |
所以试样要有 10 g 以上，或者换更细的丝并加微量表面活性剂，同时用恒温水和消泡处理。
联合判别：精度要多高
两类批间分布的标准差设为 σ₁、σ₂（示例值：石英 0.003 / 0.0003，硼硅 0.004 / 0.001，碱铝硅 0.025 / 0.004，钠钙 0.010 / 0.002，前者为 ρ，后者为 n）。要求间距 Δ 达到 3 倍合成标准差，测量允许的最大标准差为
σ_m = √[(Δ/3)² − σ₁² − σ₂²]
| 一对类别 | 密度 σ_m 上限 | 折射率 σ_m 上限 |
|---|---|---|
| 石英 / 硼硅 | 0.0075 g/cm³ | 0.0047 |
| 钠钙 / 碱铝硅 | 无解（批间已重叠） | 0.0013 |
石英与硼硅用 ±0.003 的阿基米德就能分开，折射率用布儒斯特角法也近乎够用：tanθ_B = n，δn = (1+n²)·δθ，读角 ±0.1° 时 δn ≈ 0.0057，略高于上限 0.0047。钠钙与碱铝硅的密度单项不够，批间标准差使两者的密度分布 z 值只有 1.9；折射率要 ±0.0013 以内，浸液法（示例 ±0.002）不够，阿贝折射仪（示例 ±0.0005）才可靠（图3）。两者联合的 z 值约 3.6，图1中的样品只有在折射率精度进入 ±0.0005 后才被定为碱铝硅。
紫外观察用来补充，而不是定量判据。254 nm 灯（注意戴防紫外护目镜）下，只有石英能透过，其他三类都不透；石英的荧光色与强度因熔制方式和杂质而异，要拿已知样对照，不作绝对判据。含锡的浮法玻璃锡面荧光，另见本文库的锡面一篇。
来料核对流程
- 外观与 254 nm 紫外：先把石英和其余三类分开。
- 阿基米德密度（试样 ≥ 10 g，水温 ±0.5 K）：区分 2.20、2.23 与 2.4 以上两大组。
- 折射仪或浸液：把钠钙与碱铝硅分开，精度要优于 ±0.0013。
- 仍有疑问时，再用成分分析或膨胀系数（见本文库另一篇）。
工程要点
- 先问需要分开哪一对：石英/硼硅用密度加折射率；钠钙/碱铝硅必须有 ±0.0013 以内的折射率。
- 阿基米德法试样不少于 10 g，用恒温水、细丝并加表面活性剂，同时做空气浮力修正。
- 布儒斯特角法读角 ±0.1° 只给 ±0.0057 的 δn，适合粗判，不适合区分相邻的钠钙与碱铝硅。
- 报告测量值要同时给出不确定度，并与供应商批间分布比较，不要只看是否落入标称值。
- 紫外灯只作辅助，254 nm 灯有伤眼风险，必须带护目镜。
- 每批留样，建立自己的密度—折射率分布，比引用手册值更可靠。
小结
玻璃类别可由密度、折射率和紫外吸收联合核对。石英与硼硅间距大，±0.003 g/cm³ 的阿基米德密度就能分开；钠钙与碱铝硅的密度分布重叠，折射率精度必须优于 ±0.0013。按这个预算选方法，比“凭手感和牌号”可靠。
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