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微晶玻璃是一种经玻璃受控晶化而成的多晶相固体材料,其中Li2O-Al2O3-SiO2(简称LAS)系统因具有低膨胀、高机械强度、耐热冲击等特性,成为最具有研究价值、应用最为广泛的微晶玻璃体系之一。
本课题从低膨胀锂铝硅微晶玻璃的研究现状入手,通过差热分析和正交实验确定了玻璃晶化的热处理制度,获得了LAS系统低膨胀微晶玻璃,讨论了热处理制度对微晶玻璃的晶相、显微结构及热膨胀性能和力学性能的影响。采用差热分析的方法研究了LAS玻璃的析晶动力学,讨论了4.5 wt% TiO2和2 wt%TiO2+2.5 wt%ZrO2两种晶核剂对LAS系统玻璃晶化过程和性能的影响。为了降低LAS系统玻璃的熔制温度,向该系统玻璃中掺杂少量La2O3,研究La2O3掺量对该系统微晶玻璃析晶、结构及性能的影响。
本试验应用热分析仪(DSC)分析基础玻璃的转变温度和析晶温度,用X射线衍射仪(XRD)研究微晶玻璃的物相组成,用扫描电镜(SEM)观察微晶玻璃的显微结构,用红外光谱(IR)分析微晶玻璃的配位结构,应用热膨胀测试、抗弯强度测试等分析微晶玻璃的热膨胀和力学性能。
结果表明:通过热处理制度来控制晶相的析出,析晶初始温度下首先析出的晶体为β-石英固溶体,晶化温度升高转变为β-锂辉石固溶体,可以使样品的热膨胀性能符合要求。得到最优的热处理制度(使热膨胀系数最小)为:核化温度720℃,核化时间1.5小时,晶化温度810℃,晶化时间2.5小时。所获得的微晶玻璃的热膨胀系数为9.5×10-7℃-1(20-400℃),可作为低膨胀材料使用。
与采用TiO2单一晶核剂相比,采用TiO2+ZrO2复合晶核剂的玻璃析晶活化能E降低,晶化指数n加大,体积析晶趋势增大;当两种玻璃成核温度和时间相同,各自在最佳的晶化温度晶化后,均可得β-锂辉石固溶体为主晶相的微晶玻璃,其中采用TiO2+ZrO2复合晶核剂所得微晶玻璃的晶粒更细小,抗弯强度更高。
掺杂少量La2O3能有效降低LAS玻璃玻璃液的粘度和玻璃的析晶温度,且对微晶玻璃的结构没有太大的影响,La2O3并未进入玻璃网络成为网络形成体,而只是作为网络修饰体,使Si-O键长和Si-O-Si键角发生轻度的改变;掺杂少量La2O3并不影响主晶相β-锂辉石固溶体的析出,随着掺量的增加,晶粒的尺寸也随之增加;掺杂少量La2O3的微晶玻璃的热膨胀系数较掺杂前增大,抗弯强度降低。综合各项结构和性能,在有效降低玻璃熔制温度同时满足低膨胀和高强度性能要求的前提下,向原始玻璃组分中额外加入0.4mol%La2O3时样品的综合性能最佳。