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无氟环保乳浊玻璃的研究

作　者: 高彬
导　师: 陈玉清；刘树江
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 材料学
关键词: 含磷硅酸盐乳浊玻璃分相和析晶网络形成体网络修饰体
分类号: TQ171.733
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

乳浊玻璃在建筑、瓶罐、器皿、艺术和装饰等方面已得到广泛的应用,常用的乳浊剂为氟化物,如萤石、氟硅酸钠、冰晶石、氟化铝、氟化钾等。但是在原料处理、玻璃熔制和成型过程中,氟化物的挥发会造成人类急性和慢性中毒,同时对周围环境产生严重污染;另外,氟化物在玻璃熔制过程中会与耐火材料发生反应从而很大程度上降低玻璃窑炉的使用寿命,使生产成本增加,因此无氟乳浊玻璃的开发已成为解决问题的关键。本文以含磷硅酸盐系统玻璃为研究对象,系统地研究了玻璃组成和热处理制度对玻璃试样的影响。采用X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和其自带的能量色散谱分析（EDS）、差示扫描量热分析（DSC）等测试方法研究了玻璃试样微观结构和乳浊机理,并且测试了试样的白度、密度、三点抗弯强度、热膨胀系数、化学稳定性、硬度等理化性能,以判断其是否达到实用的要求。实验结果表明:通过调整SiO2和P₂O₅两种网络形成体的组成,同时引入碱金属或碱土金属氧化物,可以获得乳浊效果显著的乳白玻璃。玻璃系统中用质量分数为3%的B₂O₃取代Al₂O₃的结果表明:取代前后玻璃试样都会因亚稳分相的不稳分解造成玻璃失透,玻璃试样的白度均达到80%以上;玻璃中出现少量的晶体,并且第二相的颗粒尺寸变得不均匀;玻璃的密度、三点抗弯强度减小,化学稳定性降低,热膨胀系数增加;玻璃的性能改变的原因是B在玻璃中以[BO3]三角体和[BO₄]四面体两种配位方式共存。网络修饰体对玻璃微观结构和性能的影响研究表明:玻璃网络中只含有CaO和Na₂O时,玻璃仍然保持透明,玻璃中析出了NaCaPO₄晶体;MgO和Li₂O的引入不会改变析出晶体的种类,但是会促进玻璃的分相和析晶,改变玻璃的微观形貌,这是造成玻璃失透的主要原因;600℃或700℃热处理20h都会使晶体长大到10-30μm,玻璃乳浊程度明显增加;热处理（600℃,20h）后,玻璃的三点抗弯强度、硬度、韧性均有一定程度的增加。P₂O₅的含量对玻璃粘度影响的研究表明:质量分数为2%的P₂O₅取代SiO₂后,玻璃的粘度会因网络中形成大的阴离子基团(PO₄^3-)增加了原子移动所需的粘滞活化能而增加;Vogel-Fulcher- Tamman（VFT）、Adam & Gibbs（AG）、Avramov （AV）公式拟合粘度数据的方差都小于3.03×10^-6,拟合质量的顺序为VFT>AG>AV;取代后玻璃化转变温度（Tg）减小,Tg时的构型熵（Sc（Tg））增加,脆性指数（CAV）减小。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章绪论  11-21
  1.1 乳浊玻璃  11-12
    1.1.1 乳浊玻璃的概念  11
    1.1.2 乳浊玻璃的应用  11
    1.1.3 乳浊玻璃的分类  11-12
  1.2 分相和析晶的基本理论  12-17
    1.2.1 玻璃分相  12-15
    1.2.2 玻璃析晶  15-17
      1.2.2.1 成核过程  15-17
      1.2.2.2 晶体生长  17
  1.3 无氟乳浊玻璃的研究  17-18
    1.3.1 无氟乳浊玻璃研究的意义  17-18
    1.3.2 无氟乳浊玻璃的研究现状  18
  1.4 课题的提出及研究内容  18-21
第2章实验方案  21-35
  2.1 系统选择与组成  21-22
    2.1.1 系统选择  21
    2.1.2 主要组成  21-22
    2.1.3 试验配方  22
  2.2 玻璃熔制与样品制备  22-24
    2.2.1 配合料的制备  22
    2.2.2 玻璃的熔融  22-23
    2.2.3 玻璃的成型  23-24
  2.3 性能、结构测试方法  24-35
    2.3.1 X 射线衍射分析（XRD）  24-25
    2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）  25
    2.3.3 差示扫描量热测试（DSC）  25-26
    2.3.4 白度测试  26
    2.3.5 密度测试  26-27
    2.3.6 三点抗弯强度测试  27-28
    2.3.7 显微硬度测试  28-29
    2.3.8 化学稳定性测试  29-31
    2.3.9 线膨胀系数测定  31-32
    2.3.10 高温粘度测试  32-35
第3章 R_2O_3(R=Al,B)对含磷硅酸盐乳浊玻璃显微结构和性能的影响  35-47
  3.1 引言  35
  3.2 实验  35-36
    3.2.1 玻璃样品的制备  35
    3.2.2 显微结构测试  35-36
    3.2.3 性能测试  36
  3.3 结果与讨论  36-45
    3.3.1 XRD 图谱分析  36
    3.3.2 SEM 分析  36-38
    3.3.3 含磷酸盐玻璃分相机理讨论  38-39
    3.3.4 玻璃性能研究  39-45
      3.3.4.1 白度测试  39
      3.3.4.2 密度测试  39-40
      3.3.4.3 三点抗弯强度测试  40-41
      3.3.4.4 化学稳定性测试  41-44
      3.3.4.5 热膨胀系数分析  44-45
  3.4 本章小结  45-47
第4章 Me_2O和 MO(Me=Li，Na；M=Mg，Ca)对含磷硅酸盐乳浊玻璃分相和析晶的影响  47-57
  4.1 引言  47
  4.2 实验部分  47-48
    4.2.1 实验配方和初始样品制备  47
    4.2.2 显微结构和DSC 测试  47-48
    4.2.3 机械性能测试  48
  4.3 结果与讨论  48-57
    4.3.1 初始样品外观  48
    4.3.2 失透机理讨论  48-50
    4.3.3 网络修饰体对初始样品分相和析晶的影响  50-51
    4.3.4 样品热处理后晶相和形貌  51-53
    4.3.5 初始样品和热处理后样品机械强度的比较  53-57
      4.3.5.1 硬度测试  53-54
      4.3.5.2 三点抗弯强度测试  54-57
第5章 P_2O_5含量对含磷硅酸盐乳浊玻璃高温粘度的影响  57-67
  5.1 引言  57
  5.2 实验  57
    5.2.1 试验配方  57
    5.2.2 粘度和量热式差热扫描仪（DSC）测试  57
  5.3 结果与讨论  57-65
    5.3.1 玻璃粘度和温度的关系  57-59
    5.3.2 Vogel-Fulcher-Tamman (VFT)公式对粘度和温度数据的拟合  59-60
    5.3.3 Adam & Gibbs (AG)公式对粘度和温度数据的拟合  60-62
    5.3.4 Avramov(AV)公式对粘度和温度数据的拟合  62-65
  5.4 本章小结  65-67
第6章全文总结  67-69
参考文献  69-75
致谢  75-77
攻读学位期间的科研成果  77

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