MgO-Al2O3-SiO2透明微晶玻璃結(jié)構(gòu)與性能的研究.pdf

1、MgO-Al2O3-SiO2(MAS)系統(tǒng)微晶玻璃具有優(yōu)異的介電性能、機(jī)械性能、較好的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的熱膨脹系數(shù)，使得其應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，具有十分重要的科學(xué)研究意義。本文以MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃為研究對(duì)象，采用XRD、DSC、FE-SEM、熱膨脹儀、高溫旋轉(zhuǎn)粘度儀、UV-Vis-NIR等測(cè)試手段，探索MAS系統(tǒng)透明微晶玻璃的組成——工藝——結(jié)構(gòu)——性能之間的關(guān)系。首先，研究了晶核劑配比對(duì)MAS微晶玻璃結(jié)構(gòu)和性能的影響，確

2、定了合理的晶核劑組成及制備透明微晶玻璃合理的熱處理制度。然后，對(duì)MAS微晶玻璃中引入一定量的堿土金屬及堿金屬，降低MAS微晶玻璃熔制難度，改善微晶玻璃性能。最后，通過(guò)對(duì)MAS微晶玻璃中摻雜稀土離子，探索了稀土離子對(duì)其物理性能、成核、析晶性能以及光透過(guò)性能的影響。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:
　　 使用5％TiO2+3％ZrO2（wt％，下同）是制備MAS透明微晶玻璃較為合理的晶核劑配比。該晶核劑配比的基礎(chǔ)玻璃在800℃/4h+950

3、℃/1.5h熱處理，可得到以尖晶石為主晶相，可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到86％的接近無(wú)色透明的微晶玻璃，其平均晶粒尺寸為34nm。單獨(dú)使用8％TiO2作為晶核劑時(shí)，在800℃/4h+950℃/1.5h熱處理得到的微晶玻璃含MgTi2O5、MgAl2O4兩種晶相，呈藍(lán)紫色且可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到83％。單獨(dú)使用3～8％ZrO2作為晶核劑時(shí)，僅有含8％ZrO2的MAS玻璃在900℃/6h+1060℃/6h熱處理后得到了無(wú)色透明微晶玻璃，其主晶相為堇青石，但其

4、熔制難度很大。
　　 用0～4％的ZnO部分取代MAS玻璃中的MgO，采用二步法熱處理制度800℃/4h+950℃/1.5h制備了透明微晶玻璃，其主晶相均為立方晶系的尖晶石晶體，隨著ZnO含量增加，鋅尖晶石比例逐漸增加。當(dāng)ZnO取代量在0～3％時(shí)，MAS微晶玻璃在可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率均大于85％;但是當(dāng)ZnO含量增加至4％時(shí)，微晶玻璃在可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率下降至79％。在紫外光波段，隨著ZnO的量增加，紫外截止波長(zhǎng)逐漸向短波方向移動(dòng)。其中加

5、入2％的ZnO就能顯著細(xì)化晶粒尺寸、并使晶粒均勻分布，此時(shí)透明微晶玻璃平均晶粒尺寸僅為29.4nm，晶粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差為7.5。當(dāng)ZnO取代MgO的量為2％～4％時(shí)，MAS微晶玻璃在800℃/4h+1000℃/1.5h熱處理仍能保持外觀透明。
　　 將MAS玻璃中堿金屬的含量控制在2％，分別用0.5％，1.0％，1.5％及2％的Li2O代替MAS玻璃中Na2O，玻璃粘度先降低后升高，在取代量為1％時(shí)，降低高溫粘度效果最明顯，熔制溫

6、度最低。比較含2％Na2O、1％Li2O+1％Na2O及1％K2O+1％Na2O三種玻璃樣品的粘度及析晶性能，其粘程活化能分別為306.04kJ/mol、284.01 kJ/mol、288.78 kJ/mol，熔制溫度為1612℃、1508℃、1573℃。與僅含2％Na2O的玻璃樣品相比，1％Li2O的引入使MAS玻璃晶體的生長(zhǎng)方式由二維析晶向整體析晶轉(zhuǎn)變，同時(shí)主晶相變?yōu)槭⒐倘荏w，但對(duì)析晶活化能影響較小;1％K2O的引入將MAS玻璃的

7、析晶活化能由370.1kJ mol-1降低為275.3kJmol-1，而對(duì)晶化指數(shù)改變較小，該組成在880℃～1000℃的晶化溫度范圍內(nèi)均能獲得以尖晶石為主晶相的透明微晶玻璃。
　　 在含1％Li2O的MgO-Al2O3-SiO2中摻雜0～0.015mol的Y2O3，隨著Y2O3摻雜量增加，對(duì)MAS玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變溫度幾乎沒(méi)有影響，膨脹軟化溫度由791℃增加至814℃，熱膨脹系數(shù)由41×10-7/℃增加至45×10-7/℃，顯微硬

8、度由605kg/mm2增加至652kg/mm2。隨著Y2O3含量的增加，對(duì)玻璃析晶的抑制作用越明顯。當(dāng)Y2O3的摻雜量為0～0.01mol時(shí)，MAS玻璃在840℃～1120℃晶化時(shí)均析出石英固溶體晶相（β-/α-quartz solid solution），在高于1000℃晶化時(shí)，主晶相β-石英固溶體在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生相變，成為α-石英固溶體。Y2O3摻雜量為0.015mol的MAS玻璃樣品在840℃晶化時(shí)保持為非晶態(tài)固體，在940℃～1