Li2O-ZnO-SiO2系高膨胀封接微晶玻璃的制备与性能研究

摘要

锂锌硅(Li2O-ZnO-SiO2)系微晶玻璃由于具有高膨胀性而可以应用于与金属、陶瓷等材料的封接。本文分别采用整体析晶法和烧结法制备出了LZS系微晶玻璃，重点研究了热处理工艺参数对该体系微晶玻璃的晶相、显微结构和性能的影响，并对烧结法制备该体系微晶玻璃作出了探索；本文还根据DSC曲线分别得出了使用P2O5或TiO2作为晶核剂的基础玻璃的析晶动力学参数，讨论了这两种晶核剂对LZS系玻璃晶化的影响；研究了添加剂Al2O3对微晶玻璃耐酸性能的影响；研究了晶化温度对微晶玻璃力学性能的影响；制备了能够与AISI446不锈钢匹配封接用的LZS系微晶玻璃；使用烧结法制备微晶玻璃时，研究了烧结与晶化之间的关系；讨论了烧结制度对LZS系玻璃析晶及性能的影响。
　　 本课题试验中应用热分析仪(DSC)分析基础玻璃的析晶过程，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，并分析了微晶玻璃的热膨胀性能、耐酸性能和力学性能。
　　 试验结果表明：与采用TiO2作为晶核剂相比，使用P2O5作为晶核剂的玻璃的析晶活化能降低，晶化指数增大，体积析晶趋势增大。使用同样的热处理参数处理后，两种玻璃析出的晶相一致，使用P2O5作为晶核剂的玻璃稳定性更强，晶化后可获得更为均匀细密的晶体。
　　 热处理工艺制度对Li2O-ZnO-SiO2微晶玻璃的晶体种类、晶体大小和含量有决定性的影响。其中晶化温度能够决定析出的晶体种类。析晶初始温度下首先析出的晶体为硅酸锂锌(Li3Zn0.5SiO4)和Li2ZnSiO4，晶化温度升高后除这两种晶体外，方石英晶体析出速率增快。得到的微晶玻璃的热膨胀系数(20～600℃)在106×10-7℃-1到162×10-7℃-1之间。
　　 添加Al2O3能够有效提高微晶玻璃的耐酸性能。添加量不超过6％(质量分数)时玻璃析出的晶体种类不会发生改变。与玻璃相比，微晶玻璃的三点抗弯强度有一定程度的降低。在提高微晶玻璃耐酸性能、使微晶玻璃具有高膨胀和高强度性能的前提下，向原始玻璃组分中加入4％Al2O3作为改进的基础玻璃配方。通过多次试验调整热处理参数的方法，制备了热膨胀系数为122×10-7℃-1(50～600℃)，抗弯强度为82.33MPa的能与AISI446钢匹配封接的LZS系微晶玻璃。
　　 使用烧结法制备LZS系微晶玻璃时，微晶玻璃先烧结后晶化，玻璃在725℃时烧结基本完成。晶化温度较低时，主晶相为硅酸锂锌(Li3Zn0.5SiO4)，次晶相为Li2ZnSiO4并伴有极少量石英；晶化温度较高时，主晶相为石英，晶体呈枝状。烧结法制备出的LZS微晶玻璃的热膨胀系数与抗弯强度不仅与析出的晶相种类及含量有关，更取决于试样的致密化程度。所得微晶玻璃的热膨胀系数(20～600℃)与抗弯强度最高为109×10-7℃-1、104MPa。