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浮法硼硅酸盐平板玻璃组成、结构与性能的研究

作　者: 万军鹏
导　师: 程金树
学　校: 武汉理工大学
专　业: 建筑材料与工程
关键词: 硼硅酸盐玻璃浮法热膨胀粘度分相析晶
分类号: TQ171.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

硼硅酸盐玻璃与普通钠钙硅玻璃相比，性能上具有非常明显的优势。然而目前该系统的玻璃仍主要应用在仪器玻璃、器皿玻璃等非平板领域。若能实现浮法大规模生产硼硅酸盐平板玻璃，则其应用领域可以扩展到建筑防火，液晶显示器，以及太阳能电池等领域。但熔化温度高、高温粘度大、易分相等问题导致其难以满足浮法生产工艺，限制了其优良性能的完全发挥和大规模的应用。因此本课题希望通过系统深入研究硼硅酸盐玻璃的组成、结构与性能之间的规律，寻求适合浮法生产工艺要求，不易分相与析晶，且性能优良稳定的耐热硼硅酸盐平板玻璃组成。本论文研究探讨了不同因素对硼挥发和玻璃熔化澄清的影响，以此为基础制定了本实验的熔制工艺制度。参考普通钠钙硅玻璃浮法成型工艺的特点，从玻璃熔化和成型温度要求、粘度——温度曲线要求、析晶温度上限要求等方面探讨了硼硅酸盐玻璃浮法成型的特点和要求，发现耐热硼硅酸盐玻璃的料性比普通钠钙硅玻璃的料性长。本论文分别从B₂O₃／SiO₂、Al₂O₃／SiO₂、混合碱金属氧化物以及混合碱土金属氧化物四个方面研究了硼硅酸盐玻璃基本组成对其结构和性能的影响。采用XRD、SEM、红外光谱测试分析了玻璃的结构变化，并重点研究了各基本组成对硼硅酸盐玻璃热膨胀性能、分相及粘度的影响规律。在本论文所研究的硼硅酸盐玻璃组成范围内，研究发现：B₂O₃取代SiO₂后，随着B₂O₃／SiO₂增大，热膨胀系数出现一个极小值：转变温度T_g和膨胀软化温度T_f逐渐降低；玻璃结构中[BO₃]逐渐增加，并引起玻璃的分相程度逐渐加重；玻璃的高温粘度有所降低，料性变短。Al₂O₃取代SiO₂后，发现Al₂O₃对含B₂O₃和不含B₂O₃的玻璃的影响不一样，甚至相反：随着Al₂O₃／SiO₂的增大，热膨胀系数逐渐增大，玻璃的T_g和T_f都逐渐升高：引入少量Al₂O₃后，对玻璃分相的影响变化不大；而玻璃的高温粘度却逐渐增大，料性变长。随着Li₂O替代Na₂O的增加，玻璃的分相逐渐加重：玻璃的热膨胀系数线性减小，膨胀软化温度先升高，而后当分相非常严重时有所降低。随着K₂O替代Na₂O，玻璃的热膨胀系数明显增大且膨胀软化温度逐渐提高；K₂O对玻璃的分相没有产生明显的影响。二元和三元混合碱的硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数和膨胀软化温度都没有出现“混合碱效应”，而膨胀软化温度由于存在离子间的相互阻挡而显著提高。碱土金属氧化物替代Na₂O，产生的“混合离子效应”，使得玻璃的膨胀软化温度显著提高。但碱土金属离子由于场强大，对加重玻璃分相的影响要比一价碱金属离子的影响要大。最后，在总结以上基本组成对硼硅酸盐玻璃各种性能的影响规律的基础上，设计出4组具有不同热膨胀性能，不易分相与析晶，且基本满足浮法工艺的耐热硼硅酸盐平板玻璃组成。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-24
  1.1 硼硅酸盐玻璃介绍  13-19
    1.1.1 硼硅酸盐玻璃的组成与性能  13-15
    1.1.2 硼硅酸盐玻璃的应用现状  15-17
    1.1.3 硼硅酸盐玻璃的发展趋势  17-19
  1.2 国内外研究现状  19-22
    1.2.1 有关基础理论的研究  19-21
    1.2.2 有关产品开发与应用的研究  21-22
  1.3 存在的主要问题  22
  1.4 课题来源及目的意义  22-23
  1.5 课题的研究目标及研究内容  23-24
第2章实验与测试  24-46
  2.1 玻璃组成设计  24-34
    2.1.1 玻璃耐热性能的要求  25-26
    2.1.2 玻璃的相图  26-27
    2.1.3 玻璃形成区域图  27-28
    2.1.4 避免玻璃分相的要求  28-29
    2.1.5 浮法生产工艺要求  29-34
  2.2 实验原料  34-35
  2.3 实验仪器与设备  35
  2.4 实验工艺流程  35-36
  2.5 玻璃的结构测试  36-38
    2.5.1 X射线衍射(XRD)测试  36
    2.5.2 傅立叶变换红外光谱(FTIR)测试  36-37
    2.5.3 扫描电镜(SEM)测试  37-38
  2.6 玻璃的性能测试  38-44
    2.6.1 热膨胀性能测试  38-39
    2.6.2 粘度测试  39
    2.6.3 析晶性能测试  39-40
    2.6.4 密度测试  40
    2.6.5 显微硬度测试  40-41
    2.6.6 抗折强度测试  41
    2.6.7 可见光透过率测试  41-42
    2.6.8 化学稳定性测试  42-43
    2.6.9 玻璃软化温度测试  43
    2.6.10 抗热冲击性测试  43-44
  2.7 其它测试  44-46
    2.7.1 等离子体发射光谱测试  44
    2.7.2 差热(DTA)分析  44-46
第3章硼挥发与玻璃熔化澄清效果的研究  46-54
  3.1 引言  46
  3.2 硼挥发的研究  46-51
    3.2.1 实验过程  46-47
    3.2.2 硼含量对硼挥发的影响  47-48
    3.2.3 引入原料对硼挥发的影响  48
    3.2.4 升温速度对硼挥发的影响  48-49
    3.2.5 保温时间对硼挥发的影响  49-50
    3.2.6 不同起始温度对硼挥发的影响  50-51
  3.3 玻璃熔化澄清的研究  51-53
    3.3.1 澄清剂的选择  51-52
    3.3.2 熔制工艺制度的选择  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第4章 B_2O_3/SIO_2对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响  54-71
  4.1 实验组成  54
  4.2 红外光谱分析  54-57
  4.3 热膨胀分析  57-60
  4.4 SEM分析  60-68
    4.4.1 SEM测试的酸处理条件  60-65
    4.4.2 玻璃分相的分析  65-68
  4.5 粘度分析  68-70
  4.6 本章小结  70-71
第5章 AL_2O_3/SIO_2对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响  71-81
  5.1 实验组成  71
  5.2 红外光谱分析  71-73
  5.3 热膨胀分析  73-76
  5.4 SEM分析  76-78
  5.5 粘度分析  78-80
  5.6 本章小结  80-81
第6章混合碱金属氧化物对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响  81-95
  6.1 实验组成  81-82
  6.2 熔化质量分析  82
  6.3 热膨胀分析  82-91
    6.3.1 Na_2O-Li_2O二元混合碱  83-85
    6.3.2 Na_2O-K_2O二元混合碱  85-88
    6.3.3 Li_2O-Na_2O-K_2O三元混合碱  88-91
  6.4 SEM分析  91-94
    6.4.1 Na_2O-Li_2O二元混合碱  91-93
    6.4.2 Na_2O-K_2O二元混合碱  93-94
  6.5 本章小结  94-95
第7章混合碱土金属氧化物对硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响  95-106
  7.1 实验组成  95-96
  7.2 热膨胀分析  96-101
    7.2.1 热膨胀测试结果  96-98
    7.2.2 结果综合分析  98-99
    7.2.3 计算值与实测值对比分析  99-101
  7.3 SEM分析  101-105
  7.4 本章小结  105-106
第8章硼硅酸盐玻璃分相的研究  106-120
  8.1 引言  106
  8.2 玻璃分相的机理  106-109
  8.3 化学组成对分相的影响  109-112
  8.4 热历史对分相的影响  112-119
    8.4.1 分相发生的温度过程  112-115
    8.4.2 退火温度制度的影响  115-119
  8.5 本章小结  119-120
第9章耐热硼硅酸盐浮法玻璃的组成与性能  120-131
  9.1 玻璃的组成  120-122
  9.2 玻璃的基本性能  122-124
    9.2.1 热学性能  122-123
    9.2.2 其它性能  123-124
  9.3 玻璃的浮法成型粘度  124-125
  9.4 玻璃的分相  125-128
  9.5 玻璃的析晶性能  128-131
第10章结论  131-133
参考文献  133-138
致谢  138-139
附录攻读博士学位期间发表的论文  139

浮法硼硅酸盐平板玻璃组成、结构与性能的研究

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