微晶玻璃兼有玻璃和陶瓷具有的许多优越的性能,在众多领域得到广泛应用。其中的锂铝硅体系是最具研究价值的微晶玻璃体系之一,其低膨胀、高热稳定及优良的机械性能使之成为一种不可或缺的综合材料。目前,锂铝硅微晶玻璃生产成本高,能源消耗大,高性能产品实际生产不易实现,影响了市场应用。如何提高材料性能、降低生产成本成为急需解决的问题之一。本课题从整个微晶玻璃领域特别是低膨胀锂铝硅微晶玻璃的研究现状入手,结合微晶玻璃特殊结构与性能的要求,在锂铝硅系微晶玻璃中引入微量氟,通过对含氟和无氟微晶玻璃的析晶机制、结构及性能的研究与比较,制定合理的热处理制度,改善微晶玻璃结构与性能,降低能耗及生产成本,研究将对实际生产具有十分重要的意义。采用差热分析(DTA)和结晶度(fraction crystallized)分析方法研究了氟离子对锂铝硅微晶玻璃析晶的影响机制。研究结果表明:一方面,氟离子的引入不但降低了锂铝硅微晶玻璃晶化温度,使得锂铝硅系统微晶玻璃的结品活化能从276kJ/mol下降到226kJ/mol,氟离子使得锂铝硅玻璃结构更松散,稳定性降低,促进了玻璃体系中离子扩散;另一方面,在玻璃晶化的不同温度段玻璃析晶机理不同,析晶初始低温阶段以晶体生成为主,高温阶段则以离子扩散为主。结合析晶机理的分析,采用透射电镜(TEM)、差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)研究了含氟和无氟微晶玻璃的分相、核化、晶化等热处理工艺。研究结果表明:氟离子的引入降低了锂铝硅微晶玻璃晶化温度,无氟锂铝硅玻璃的晶化温度在870℃以上,而含氟微晶玻璃在760℃左右。对于无氟玻璃试样,适宜的热处理条件为:核化温度660℃,时间1h;晶化温度870℃,时间4hrs。而对于含氟试样,核化温度660℃,时间1h;晶化温度760℃,时间4hrs。在上述适宜核化、晶化工艺处理后,微晶颗粒呈球形结构,无氟试样的晶粒较大,晶粒度为200nm左右,而含氟试样晶粒较小,晶粒度在50-150nm之间。氟离子的添加削弱了SiO2结构,有利于玻璃中离子的移动,促进晶相成核和生长。对含氟、无氟微晶玻璃物理化学性能的研究结果表明:含氟微晶玻璃机械强度高于无氟微晶玻璃,其平均抗弯强度在137. 1MPa,而无氟锂铝硅微晶玻璃的平均抗弯强度为111. 9MPa;含氟微晶玻璃的耐急冷急热能力高于无氟微晶玻璃,其弹性模量浙江大学顿卜毕业论文(784.4MPa)低于无氟铿铝硅微晶玻璃(852.0MPa);在30一500oC温度范围内,含氟钾铝硅微晶玻璃平均热膨胀系数(7 .8229又10“7K一’)低于无氟微晶玻璃(14.37ox10一’K一’):含氟微晶玻璃的密度略高于无氟微晶玻璃,但耐水侵蚀能力稍低于无氟微晶玻璃。含氟铿铝硅微晶玻璃的综合物化性能好于无氟铿铝硅微晶玻璃,而且低的析晶温度有利于降低了微晶玻璃生产成本和能耗。 为了扩展铿铝硅微晶玻璃的使用范围,采用表面离子交换法对铿铝硅微品玻璃进行表面增强处理。研究结果表明,表面处理可以提高铿铝硅微晶玻璃的机械强度,含氟铿铝硅微晶玻璃抗弯强度从137.IMPa提高到428.5MPa,无氟铿铝硅微晶玻璃抗弯强度从In.gMPa增加到368MPa;但是表面处理会使相应的弹性模量增大,导致材料的耐急冷急热能力下降。离子交换处理时间增长,微晶玻璃的机械强度反而下降,到750℃时,微晶玻璃的强度基本为零。因此,表面处理须根据实际使用条件的需要进行。 以上研究说明,在铿铝硅体系微晶玻璃中引入氟离子有利于促进铿铝硅玻璃核化、晶化过程,获得细晶结构,提高了材料性能,还有利于降低能耗及生产成本,为微品玻璃的低成本生产提供重要参考。关键词:铿铝硅系微晶玻璃氟离子热处理晶化机理物化性能离子交换