CMAS浮法微晶玻璃分相、成核和析晶的研究

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在各类特种平板玻璃中,CaO-MgO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃是非常重要的一类,因其具有非常独特的性能,如优良的力学性能、耐磨性、耐腐蚀性,可应用于建筑装饰、新能源汽车、家用电器等领域。相对于现有的烧结法和压延法,浮法工艺具有自动化程度高、产能大、综合能耗低、产品质量高等优点,是制备CMAS平板微晶玻璃的最佳工艺。尤为突出的是,浮法成形后CMAS微晶玻璃表面质量大为提高,这对该微晶玻璃在建筑装饰和电子领域的应用至关重要。但是同浮法钠钙硅玻璃相比,浮法CMAS微晶玻璃在组成、结构、工艺性能上存在很大的差异,无法采用现有的普通浮法技术来制备。因此,要实现CMAS微晶玻璃的浮法制备,亟需解决诸多科学问题和技术难点,其中微晶玻璃的可控晶化使其关键科学问题之一。有鉴于此,本文以CaO-MgO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃为研究对象,采用XRD、FESEM、DSC、AFM、EPMA、Raman、粘度分析等测试方法对CMAS玻璃的浮法成形工艺以及CMAS微晶玻璃的分相、成核和析晶过程进行研究和探索。研究分析了CMAS微晶玻璃与现有浮法工艺的匹配性以及热处理制度、SnO2和微量助熔剂(F-和P2O5)对微晶玻璃微观结构、析晶性能的影响。主要结论如下:(1)当TiO2含量为34wt%时,玻璃的熔制及成形温度分别为1476.5℃和1275.3℃,且玻璃的料性(ΔT=242.6)适中,其析晶温度上限(1130℃)低于玻璃液流入锡槽的起点温度,满足浮法工艺生产要求。此外,浮法工艺制备出的玻璃产品具有表面平整度高、渗锡深度小的特点。(2)通过对热处理以后的试样进行研究,发现700℃处理后,玻璃内部发生了分相,分相尺寸约为55nm。微晶玻璃合适的核化及晶化温度分别为700℃和910℃,此时,微晶玻璃内部的主晶相为枝状透辉石。(3)玻璃的析晶温度随着SnO2含量的增加呈先升后降的趋势,其临界引入量为3wt%。当SnO2含量超过3wt%时,热处理过程中SnO2将首先从玻璃中析出,此时系统中析出的晶相除了透辉石外,还有钙长石和锡石晶体,且晶粒尺寸随SnO2含量的增加而减小。(4)F和P2O5在玻璃中起到网络修饰体的作用,降低了网络聚集程度,使得玻璃的高温粘度和析晶温度降低,其中F和P2O5共掺时作用效果更加明显。通过对热处理以后的试样进行研究,发现F和P2O5的引入会促进玻璃的分相,晶化处理后,微晶玻璃内部的晶体主要为透辉石,而F的引入促进晶粒细小的闪石类晶体析出,P2O5的引入促进玻璃内部钙长石和磷酸钙等晶体的析出,1.5wt%F和0.5wt%P2O5共掺时,玻璃的析晶效果较好。此外,F和P2O5的引入还起到了细化晶粒的作用。
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