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R_2O-CaO-SiO_2系统微晶玻璃相变过程与机理的研究

宋树欣  
【摘要】: R20-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃具有断裂韧性高、强度高、加工性能好等一系列突出的优点,可采用压延法进行连续式生产,是一种新型高档的建筑装饰材料。从国内外的研究现状来看,关于R20-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃的研究主要集中在以硅碱钙石和磷灰石为主晶相的生物微晶玻璃上,而关于建筑装饰微晶玻璃并未涉及,即同生产工艺相配套的合理组成、相应相变过程及机理仍未明确。 因此本课题研究R20-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃基础组成同母体玻璃结构之间相互影响关系,以及母体玻璃结构的改变对相变过程的影响,得出合理的组成和工艺制度,以合理控制相变过程,获取预期的结构和性能。 通过研究,取到以下研究成果: (1) R2O-CaO-SiO2-F系统玻璃中K2O、Na2O和CaO含量较高,且引入F,因此高温粘度较小,成形温度大约处于1100℃,能较好地适应压延工艺的成形要求。通过对熔体水淬试样进行研究,发现玻璃的熔体结构在高温下就发生了分相现象,分相区域为层状的,各层中析出了孤岛状的微分相区。结合Raman光谱可以发现这些分相区中析出了CaF2晶体。 (2) R2O-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃的退火温度选取对于微晶玻璃的制备至关重要。当退火温度较高的时候,虽然试样仍然透明,并未发生明显的失透,但是试样中已有部分区域析出CaF2晶核。合适的退火温度为400℃-450℃。 (3) R2O-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃在成核温度范围内发生了明显的分相现象,析出了氟化钙晶核。随着核化温度的升高,分相和成核得到了增强,并对晶化产生了影响。在晶化处理过程中,随着晶化温度的升高,‘晶体含量不断升高,但是晶相种类发生了改变,由硬硅钙石向硅碱钙石转变,且氟化钙含量降低。 (4)当微晶玻璃中氧化钾的引入量为5wt%左右时,微晶玻璃的主晶相为颗粒状的氟化钙和柱状的枪晶石,晶体含量为15%。氧化钾引入量由6wt%增加到8wt%时,其氧硅比由2.56升高到2.64,粘度随氧硅比的上升而急剧下降,玻璃转变点温度降低,于646℃析出氟化钙,而最大析晶峰温度升高,主要析出集束状a-硅碱钙石,次晶相为少量的氟化钙,晶体含量由35%增大到40%。综合考虑,合适的氧化钾含量应为7wt%左右。 (5)在微晶玻璃中,氧化铝都以四配位参与到硅氧网络结构当中。随着氧化铝的引入量由2.5 wt%增加到4.5 wt%,玻璃的网络结构得到加强,高温下玻璃中的质点,尤其是碱金属的迁移受到限制,影响主晶相的析出。当氧化铝含量为2.5 wt%时,微晶玻璃的主晶相为集束状的a-硅碱钙石,当氧化铝含量为3.5wt%时微晶玻璃的主晶相转变为颗粒状的氟化钙和板条状的硬硅钙石。当氧化铝引入量为4.5 wt%时,微晶玻璃析出a-硅碱钙石和氟化钙。 (6)随着氧化钙的引入量由10.8 wt%增加至16.8 wt%, R2O-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃析出的晶相由硅碱钙石逐渐转变为硬硅钙石、硅酸钙及方石英等晶相。氧化钙含量的升高导致微晶玻璃析晶速率加快,晶粒尺寸变大,导致样品力学性能的降低。随着氧化钙的引入量由10.8 wt%增加至16.8 wt%,试样抗折强度由85 MPa降低至72 MPa。 (7)随着氟的引入量由3.4 wt%增加到6.4 wt%,促进了R2O-CaO-SiO2-F系统中硅碱钙石和a硅碱钙石的析出。氟含量的适量增加,可以通过提高析晶量起到提高样品力学性能作用。但氟引入量过高的也会使其析晶速率太快,生成粗大晶粒,导致样品力学性能的降低,使其抗折强度由86 MPa降低到66 MPa左右。 (8)采用两步法进行热处理,R2O-CaO-SiO2-F系统微晶玻璃析出硅碱钙石与a硅碱钙石晶体,且晶相含量较高,而采用一步法进行热处理所得主晶相为a硅碱钙石。在700℃热处理1小时的母体玻璃析出硬硅钙石,但通过延时热处理出现晶型转变,主晶相转变为硅碱钙石晶相,析出晶相的尺寸比两步法要小,但微观结构相似。研究结果表明:合适的核化温度位于450℃-550℃,合适的晶化温度位于750℃-850℃之间。


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