稀土摻雜對(duì)Na2O-CaO-SiO2系玻璃結(jié)構(gòu)與性能的影響.pdf

1、高溫熔體的物性對(duì)于高溫行業(yè)來(lái)說(shuō)是制定工藝參數(shù)非常重要的依據(jù)之一。特別是對(duì)于煉鐵、煉鋼、玻璃熔制以及陶瓷燒結(jié)等過(guò)程至關(guān)重要,因此在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)有關(guān)人員對(duì)高溫熔體的物理化學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。其中高溫熔體粘度的研究尤為突出。玻璃生產(chǎn)的各個(gè)階段,從熔制、澄清、均化、成形、加工,直到退火的每一工序都與粘度密切相關(guān)。稀土元素由于其特殊的4f電子層結(jié)構(gòu)在光、電、磁等物理方面表現(xiàn)出特殊的性能,被譽(yù)為開(kāi)發(fā)新功能材料的寶庫(kù)。稀土在玻璃中的應(yīng)用有大量的研

2、究報(bào)道,但是稀土對(duì)玻璃高溫物性的影響卻鮮有報(bào)道。此外,平板玻璃風(fēng)化是一個(gè)世界性的普遍問(wèn)題,對(duì)玻璃使用危害極大。玻璃風(fēng)化會(huì)影響許多使用性能如降低玻璃的透明度及機(jī)械強(qiáng)度,影響光學(xué)性能,外觀惡化,嚴(yán)重的發(fā)霉甚至在包裝箱中會(huì)出現(xiàn)粘片、整箱玻璃報(bào)廢等問(wèn)題,同時(shí)也不能再用于鍍膜、制鏡等深加工工序。
　　 針對(duì)以上問(wèn)題,本文以普通Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃為研究對(duì)象,利用傅立葉變換紅外光譜儀和激光拉曼光譜儀等測(cè)試手段研究稀土摻雜列N

3、a2O-CaO-SiO2系平板玻璃結(jié)構(gòu)的影響,利用熱膨脹儀和高溫旋轉(zhuǎn)粘度儀等測(cè)試手段研究稀土摻雜對(duì)Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃熱膨脹性能、高溫粘度、玻璃熔制溫度及料性的影響,利用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、酸度計(jì)、光學(xué)顯鐒鏡、電子顯微鏡和能譜分析儀等測(cè)試手段研究稀土摻雜對(duì)Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃化學(xué)穩(wěn)定性和風(fēng)化性能的影響。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地研究稀土摻雜對(duì)Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃的結(jié)構(gòu)、流變學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性及抗風(fēng)化

4、性能等的影響,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　 La2O3、CeO2、Gd2O3、Y2O3等稀土氧化物的摻雜使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃結(jié)構(gòu)中具有不同非橋氧的結(jié)構(gòu)單元Qn之間發(fā)生一定的轉(zhuǎn)換、非橋氧增多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)鏈接程度降低,稀土氧化物作為網(wǎng)絡(luò)修飾體存在玻璃結(jié)構(gòu)中,提供非橋氧。隨著Gd2O3摻雜量的增加,Na2O—CaO-SiO2系玻璃中結(jié)構(gòu)單元Qn分布寬度先變寬后變窄；隨著Y2O3摻雜量的增加,Qn分布寬度先變窄后變寬。Gd2O3和

5、Y2O3復(fù)合摻雜使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃中非橋氧數(shù)增加,網(wǎng)絡(luò)連接程度降低,但是Gd2O3和Y2O3復(fù)合摻雜的作用并沒(méi)有Gd2O3或Y2O3單獨(dú)摻雜的作用明顯。隨著溫度的升高,FG和FGG玻璃中非橋氧數(shù)逐漸增加,網(wǎng)絡(luò)連接程度逐漸降低。
　　 摻雜1mol％的非鑭系元素(Y2O3)使得Na2O-CaO-SiO2玻璃的熱膨脹系數(shù)稍有減?。粨诫s1mol％的鑭系元素(La2O3、CeO2、Pr6O11、Nd2O3、Eu2O3、

6、Gd2O3和Yb2O3)使得Na2O-CaO-SiO2玻璃的膨脹系數(shù)都增大,且隨著對(duì)應(yīng)鑭系陽(yáng)離子場(chǎng)強(qiáng)的增大而減小(FGN樣品除外)。La2O3、CeO2、Pr6O11、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和Y2O3等稀土氧化物的摻雜均降低了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度與對(duì)應(yīng)的熔制溫度,其中Gd2O3的效果最為明顯,Y2O3的效果次之；而Nd2O3的摻雜增大了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度(1100-1400℃)、

7、降低了熔制溫度。少量Y2O3取代等量的Gd2O3使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度及相應(yīng)的熔制溫度增大,隨著Y2O3取代量的逐步增加,Na2O-CaO-SiO2系玻璃高溫粘度及熔制溫度又逐步降低。稀土氧化物的摻雜縮短了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的料性,隨著Gd2O3和Y2O3摻雜量的增加,玻璃的料性逐漸變短,脆性動(dòng)力學(xué)指數(shù)逐漸增大。
　　 發(fā)現(xiàn)了稀土摻雜對(duì)Na2O-CaO-SiO2玻璃中堿金屬離子R+(主要是N

8、a+)的壓制效應(yīng),抑制了R+與H+(或H3O+)之間的交換作用,從而提高了玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。其中La2O3、Nd2O3、Gd2O3和Y2O3的摻雜對(duì)該玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的提高最為顯著。發(fā)現(xiàn)了影響稀土摻雜提高Na2O-CaO-SiO2玻璃耐酸性和耐堿性主要因素是摻雜稀土離子的半徑及陽(yáng)離子場(chǎng)強(qiáng)的大小。當(dāng)Gd2O3和Y2O3的總摻雜量一定時(shí),隨著Y2O3逐步取代Gd2O3的過(guò)程中鈉鈣硅平板玻璃的耐水性并沒(méi)有單調(diào)地增大或減小,而是出現(xiàn)了類似于硅酸鹽