硼硅酸盐玻璃结构与熔体性能的研究

摘要

硼硅酸盐玻璃具有优良的化学稳定性、较低的热膨胀系数和良好的力学性能，其在防火玻璃、平板显示及太阳能电池等领域有着重要的应用价值。目前硼硅酸盐玻璃生产中存在着玻璃熔化温度高，澄清均化困难，玻璃易分层分相等问题，严重制约了其大规模平板浮法工艺生产。探索合适的组分和添加剂，达到降低高温粘度和熔制温度的效果，是硼硅酸盐玻璃生产拟解决的首要问题。
　　 本文以硼硅酸盐玻璃为研究对象，在组成上进行R(R=(Na2O-Al2O3)/B2O3)系数调整、Li2O取代以及掺杂Bi2O3三种优化处理，利用高温旋转粘度仪研究组成优化对高温粘度的影响规律，利用FTIR和MAS-NMR研究玻璃结构的变化，同时对玻璃的热学性能、化学稳定性以及力学性能进行了表征。研究结果发现:
　　 R系数增大导致硼硅酸盐玻璃的高温粘度与熔制温度下降，且缩短了玻璃的料性，有利于快速成形，但析晶倾向加剧。结构上，R的增大，Q3含量增加，玻璃的硅氧网络连接程度下降，但在R≤0.5区域内，R增大促进[BO3]转变为[BO4]，从而使结构致密。当R=0.5时，硼硅酸盐玻璃力学性能、化学稳定性最优异，热膨胀系数低于40×10-7℃-1，理论熔制温度为1783.81℃。运用NMR研究结果表明，高温状态下[BO3]及Q3比例相对低温更高。
　　 Li2O取代对粘度的作用与Li2O含量有关，含量小于1.00 mol％时，Li+的反极化作用导致粘度降低;反之，Li2O的积聚作用使得玻璃的粘度升高。Li2O的取代，体系中[BO3]比例增大，同时由于Li+的高阳离子场强，导致玻璃分相严重，且分相的微观形态为连通状，使得硼硅酸盐玻璃的化学稳定性急剧下降。建议在硼硅酸盐玻璃组分中添加0.50 mol％的Li2O，降低熔体熔制温度45℃，性能基本与未添加Li2O的样品持平。
　　 Bi2O3的外掺降低硼硅酸盐玻璃的高温粘度。Bi2O3对硼硅酸盐玻璃中碱金属离子的压制效应，从而提高了玻璃的化学稳定性。Bi2O3对玻璃其他性能影响不大，对结构的影响有待进一步深入研究，推测其充当网络修饰外体。外掺Bi2O3含量0.25 wt％，光学透过率保持在91％，熔制温度降低20℃;外掺1.00 wt％Bi2O3，降低熔制温度53℃，但影响玻璃的颜色和可见光透过率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 硼硅酸盐玻璃概述

1．1．1 硼硅酸盐玻璃的性能

1．1．2 硼硅酸盐玻璃的应用现状

1．1．3 硼硅酸盐玻璃生产工艺现状

1．1．4 存在的问题

1．2 玻璃熔体的粘度概述

1．2．1 粘度及粘度对应的特征温度

1．2．2 组成与粘度的关系

1．2．3 熔体粘温关系及主要模型

1．3 问题的提出

1．4 目的、意义和内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

第2章 实验

2．1 玻璃组成的选择

2．2 实验设备及试剂

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验设备

2．3 实验过程

2．3．1 样品制备

2．3．2 结构表征及性能测试

第3章 R对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响

3．1 R对硼硅酸盐玻璃熔体流化性能的影响

3．1．1 R对硼硅酸盐玻璃熔体高温粘度的影响

3．1．2 R对硼硅酸盐玻璃料性的影响

3．1．3 R对硼硅酸盐玻璃高温轮廓的影响

3．2 R对硼硅酸盐玻璃结构的影响

3．2．1 R与密度的关系

3．2．2 FTIR分析

3．2．3 硼硅酸盐玻璃结构与温度的关系

3．3 R对硼硅酸盐玻璃性能的影响

3．3．1 热学性能分析

3．3．2 化学稳定性分析

3．3．3 力学性能分析

3．4 本章小结

第4章 Li2O对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响

4．1 Li2O对硼硅酸盐玻璃熔体流化性能的影响

4．1．1 Li2O对硼硅酸盐玻璃熔体高温粘度的影响

4．1．2 Li2O对硼硅酸盐玻璃高温轮廓的影响

4．2 Li2O对硼硅酸盐玻璃结构的影响

4．2．1 Li2O与密度的关系

4．2．2 FTIR分析

4．2．3 Li2O对硼硅酸盐玻璃分相的影响

4．3 Li2O对硼硅酸盐玻璃性能的影响

4．3．1 热学性能分析

4．3．2 化学稳定性分析

4．3．3 力学性能分析

4．4 本章小结

第5章 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响

5．1 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃熔体流化性能的影响

5．1．1 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃熔体高温粘度的影响

5．1．2 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃高温轮廓的影响

5．2 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃结构的影响

5．2．1 Bi2O3与密度的关系

5．2．2 FTIR分析

5．3 Bi2O3对硼硅酸盐玻璃性能的影响

5．3．1 热学性能分析

5．3．2 化学稳定性分析

5．3．3 力学性能分析

5．3．4 光学透过率分析

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢