微晶玻璃的种类繁多、功能迥异,可以兼具高机械强度、高韧性、高耐磨性、高绝缘性、高透光性、耐强酸强碱腐蚀和低热膨胀系数等多种物理化学特性,在国民经济的各个领域与人民的日常生活以及国防军事技术中都已得到了非常广泛而且重要的应用。制备微晶玻璃的原材料来源丰富多样,其中,利用各种尾矿、矿渣和炉渣等工业固体废弃物为原料制备结构性微晶玻璃的研究和应用,因其在矿产资源的高效循环利用、生态安全和环境保护等方面具有极其重要的经济价值和现实意义,在近年来愈来愈受到人们的广泛关注和重视。此前,人们对用白云鄂博矿的稀土尾矿制备的透辉石型微晶玻璃的研究结果表明,含有少量稀土离子的微晶玻璃呈现出异乎寻常的高机械强度、超耐磨性和超强的抗酸碱腐蚀性等优异特性。但是,目前对于稀土离子对透辉石型微晶玻璃的相组成、相结构、晶化过程、显微结构和机械性能等性质的影响规律和机制的认识仍未获得被普遍认可的一致结论。厘清稀土离子的影响机制不仅是一个重要的学术问题,而且对于相关微晶玻璃的功能、成分和工艺等的设计具有重要的理论指导意义。为此,本论文首先以正分成分的具有[Si₂O₆]^4-单链结构的透辉石相CaMgSi₂O₆为主要研究对象,着重于揭示稀土离子Ce⁴⁺以及不同制备工艺过程对于透辉石型单相结晶体本身的成相规律和机械性能等内禀性质的影响规律和相关机制。在此基础上,通过化学纯原料的组分设计合成与常见的各种尾矿渣成分相近的CaO-Al₂O₃–MgO–SiO₂（CAMS）基透辉石型微晶玻璃,系统研究不同稀土氧化物与ZrO₂形核剂晶粒尺度等对微晶玻璃的析晶动力学过程、显微形貌结构、力学性能和耐腐蚀性等的影响和作用机制。本论文主要研究内容和结果如下:1.首次利用直接熔融―降温的工艺技术制备了含CeO₂的透辉石型单相晶态样品Ca_1-x-x Ce_xMgSi₂O₆（x=0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.1）。通过晶体结构分析发现,含Ce样品的晶格常数和晶胞体积总体呈减小趋势,当x超过0.04时趋于稳定数值,意味着Ce⁴⁺很难大量替代Ca²⁺离子的晶格位置或者进入到透辉石的晶格间隙中。在Si/O比为1:3的单链透辉石相中,Ce⁴⁺的晶体半径和有效离子半径远小于位于VIII配位位置的Ca²⁺的相应半径,同时又远大于位于VI配位位置的Mg²⁺或者Al³⁺的相应半径,如果晶位有大量的Ce⁴⁺占据将导致透辉石相结构的不稳定。这一结果与力学性能参数的测试结果相吻合,Ce含量在0.02⁰.04范围内的样品的维氏硬度（⁶700 MPa）略高于其它成分样品的数值（⁶500MPa）。由此可见,少量进入晶格的Ce⁴⁺离子并不能非常显著地影响单链透辉石相的晶体结构和力学性能。但是,利用谢乐公式计算的晶粒尺寸结果表明,Ce⁴⁺的添加明显地有助于透辉石相晶粒的细化。由于目前很难制备出可用于常规力学性能测试用的大块单晶样品,所以,对于Ce的两种作用,即细化晶粒和替代Ca进而改变晶体的本征力学性能,实验上还不能判断哪一种作用对维氏硬度等力学性能参数的影响更重要。2.利用从玻璃相析晶的方法,同样可以制备单相的透辉石型CaMgSi₂O₆结晶态样品。显微结构分析表明析晶首先在样品的外表面开始,晶粒的择优取向为[001]和[010],而在玻璃层与析出晶体层之间的界面附近,晶粒则在[010]方向的择优取向更加明显。当添加2 wt%的CeO₂后,晶粒择优取向变为[001]。Ce的添加使得单相透辉石微晶玻璃的析晶峰、熔化温度、析晶活化能E_a和指前因子V_a都升高。此外,实验还发现当将玻璃粉末经过压型再高温烧结后,能够获得结晶度更完整显微形貌更致密的晶态样品,更为重要的是,其维氏硬度远高于直接降温获得的或者利用大块玻璃析晶的样品,特别是2wt%-Ce可以将样品的维氏硬度提高9.0%,达到了8460 Ma,Ce有利于透辉石晶粒的规则排列.这一结果表明显微结构对透辉石微晶玻璃力学性能的影响更为显著,对制备高硬度的微晶玻璃具有一定的借鉴意义。3.经过成分优化设计的CaO-Al₂O₃-MgO-SiO₂（CAMS）基透辉石微晶玻璃比正分成分的单相透辉石CaMgSi₂O₆微晶玻璃的硬度更高、析晶能力更强、抗腐蚀性能更优异。CeO₂、ZrO₂、Al₂O₃、ZnO等添加剂的存在不影响析出晶体的晶体结构类型,但是会通过影响析晶行为的动力学过程和显微形貌与结构等进而影响微晶玻璃的力学性能和抗腐蚀特性。CeO₂和ZrO₂均有利于整体析晶,相对而言,纳米级ZrO₂可以显著降低活化能从而使得晶化能够在更低的温度进行,对整体析晶的作用效果更明显。与在单相CaMgSi₂O₆微晶玻璃中的作用类似,Ce⁴⁺离子也主要是存在于玻璃相中,通过影响玻璃的致密度、粘度和晶相含量等参数来影响玻璃的力学性能。不含CeO₂的微晶玻璃晶化后的维氏硬度高于晶化前的维氏硬度,而添加CeO₂以后的样品在玻璃态和晶化态时硬度无明显差别。说明稀土提高了CAMS基础玻璃本身的稳定性和粘度,同时又抑制了析晶,二者对力学性能的作用相互抵消。随着稀土氧化物CeO₂的增加,透辉石晶粒尺寸增大,并使得所析出的透辉石晶粒的c轴从垂直于变成平行于玻璃层和析晶层的两相界面,此外,在界面附近发现沿着[010]方向择优排列的纳米尺度的晶体。