硼硅玻璃的研究與應用

1硼硅玻璃的性能硅硅玻璃被稱為硅硅玻璃。在國際標準iso8021：1988中，5%13%b2o3（m，m）被定義為玻璃。然而，在1997年的《國際攝影公司》中，硅硅玻璃被定義為含有8%b23的玻璃。硼硅酸鹽玻璃是指基本成分為SiO2、B2O3、Na2O的玻璃,研究表明,其中Na2O提供游離氧,使硼氧三角體[BO3]轉變?yōu)榕鹧跛拿骟w[B04],硼的結構由層狀轉變?yōu)榧軤?為B2O3與SiO2形成均勻一致的玻璃創(chuàng)造條件;B2O3以[BO3]或[BO4]進入玻璃結構,尤其是當其以[BO4]與[SiO4]共同組成結構網絡時,使網絡完整性和緊密程度增加,因此硼硅酸鹽玻璃具有許多優(yōu)良的性能:如良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)低、軟化溫度高、機械性能和工藝性能好等。硼硅酸鹽玻璃具有許多優(yōu)良的性能,但在普通池爐熔化硼硅酸鹽玻璃時,存在如下問題:熔化溫度高、黏度大、澄清時間長,硼揮發(fā),分層和分相等。尤其是熔化溫度高、黏度大、腐蝕性大等特點導致其難以滿足浮法成形工藝,進而難以生產平板玻璃。這使得其應用領域主要集中在耐熱玻璃儀器、玻璃化工設備、玻璃器皿等方面。而硼硅酸鹽玻璃本身具有良好的耐熱性能:熱膨脹系數(shù)低、軟化溫度高、耐熱沖擊性好等,因此其潛在的應用領域為器皿炊具玻璃、太陽能集熱管、防火玻璃等耐熱領域。2實驗2.1聚合物、氧化鋁實驗所用原料:二氧化硅,硼酸,硼砂,純堿,硝酸鉀,氧化鋁,輕質氧化鎂,碳酸鈣,碳酸鋇,氧化鋅,氯化鈉。實驗設備及型號:TS328B分析天平,TCW-32A硅鉬爐,SX2-4-10馬弗爐,J5075/2F內徑切割機,J28800-1/2F磨拋機,PCY超高溫臥式膨脹儀,HVS顯微硬度計,HT16/17Nabertherm高溫爐。2.2熔制熔制組分的設計和制定根據所查資料選取幾組有代表性的硼硅酸鹽玻璃組分作為參考組分A做實驗,化小樣,作定性分析,再以合適組分為基礎進行調整和設計,然后進行性能測試。根據參考組分A的熔制情況選定其中2個基本組分進行設計,制定組分B和C,如表2和3所示。樣品制備過程:原料稱量混合后置于200ml剛玉坩堝內,再將坩堝放入TCW-32A硅鉬爐中在1570℃熔化,保溫3h后澆鑄在石墨模具上,立即轉入馬弗爐在560℃下退火,制成40mmX70mm×15mm的塊狀樣,經磨拋切割后制成性能測試所需樣品。2.3測試進行了密度測試、維氏硬度測試、熱膨脹系數(shù)和軟化點測試、抗熱沖擊性測試。2.4實驗現(xiàn)象硼硅酸鹽玻璃以其高熔化溫度、高黏度而使熔化制樣困難,為了便于分析,本文將B、C組熔化制樣情況進行了對比,見表4和表5。3硼硅玻璃的熔制將配合料經過高溫加熱形成均勻、無氣泡并符合成形要求的玻璃液的過程,稱為玻璃的熔制。玻璃熔制過程是玻璃生產中的重要環(huán)節(jié)。玻璃的許多缺陷都是在熔制過程中產生和造成的。尤其對于硼硅酸鹽玻璃來說,高熔化溫度、高黏度嚴重影響其熔制和成形,進而影響其性能。以下將分析組分對熔化、成型及性能的影響。3.1玻璃的下溫系統(tǒng)考慮到硼硅玻璃的高熔化溫度和影響氧化硼揮發(fā)的工藝因素,硼揮發(fā)主要發(fā)生在1000℃以前,所以本實驗熔化溫度定為1570℃,保溫3h;并在700～1000℃溫度段,將升溫速率定為2℃/min。對B、C組整體來看,B組熔化情況較C組要好,這其中主要原因是C組含有A1203的原因。Al203能顯著提高玻璃的黏度,且影響比SiO2要大。從熔化情況來看,總體效果較好,未發(fā)現(xiàn)有結石。說明在1570℃下保溫3h的工藝參數(shù)對本系統(tǒng)的玻璃是可行的。此外,堿金屬、堿土金屬、氧化硼均有助熔的作用,三者總量不應低于16%,否則熔化速度慢,且熔化溫度高。3.2玻璃的澄清實驗在玻璃的熔制過程中,溫度繼續(xù)升高,其粘度降低,并從中放出氣態(tài)混雜物,去除可見氣泡的過程成為玻璃的澄清。對于硼硅酸鹽玻璃,澄清一般發(fā)生在1500～1600℃,對應的黏度≈10Pa·S。本實驗所用澄清劑為1.5%的NaCl,NaCl沸點1413℃,蒸氣有一個大氣壓,它在高溫時揮發(fā),促進玻璃澄清。從實驗澄清效果看,產生的灰泡和少量大氣泡在工業(yè)生產中通過攪拌可以得到解決。玻璃的均化過程,通常是在玻璃形成時開始,而在澄清過程的后期同澄清一起進行和完成的,均化的作用就是在玻璃液中消除條紋和不均勻體,使玻璃液的各部分在化學組成上預期達到均勻一致。玻璃液的均化過程主要由于分子的擴散運動而進行,而擴散速度隨玻璃液粘度的降低而增加。從玻璃液的余料看,高溫下均化效果較好,但在出料成形時,溫度降低黏度增大,影響了玻璃液的擴散速度,所以產生了條紋,影響了均化效果。3.3b4成形對硼硅玻璃黏度的影響以c玻璃的成形,是指熔融玻璃液轉變?yōu)榫哂泄潭◣缀涡螤钪破返倪^程。一般分為成形和定型兩個階段。玻璃必須在一定的溫度范圍內才能成形,確切的說是要在一定的黏度范圍內才能成形。一般認為玻璃形成范圍為102～106Pa·S,成形開始黏度為102Pa·S,對應的普通鈉鈣硅玻璃溫度為1178℃,而硼硅酸鹽玻璃則高些,約為1270℃在實驗中,玻璃液從高溫爐中出來后溫度劇降,黏度陡增,尤其某些黏度溫度梯度大的短性玻璃,黏度增大更快,從而影響其擴散速度,進而影響了成形。這也正是制備高粘度的硼硅酸鹽玻璃之困難所在。如B4相比C,來說,B4成形效果好主要由于其Na2O比C1的高1.68%,Na2O提供游離氧,發(fā)生網絡斷鍵,降低黏度;同時B4不含A1203,而C1含2%,前面已經介紹了A1203回顯著提高玻璃液的黏度,即C1的黏度溫度梯度大于B4,所以其成形較B4要困難。3.4硼硅玻璃的熱膨脹性將實驗中成形較好的B1、B4和C2、C3進行了相關耐熱性能測試,見表6所示。從表中可以看出,C組比B組的耐熱性能要好,主要是由于C組中SiO2+B203的含量達到或超過90%,而B組為89.25%和89.69%;同時C組含有2%的Al2O3,這三個組分能提高玻璃的網絡致密度和完整性,進而降低其熱膨脹系數(shù),提高其熱穩(wěn)定性。C3相對C2來說,主要是多含1.5%的Na20,而Na2O提供游離氧破壞網絡結構,從而增大了熱膨脹系數(shù),降低了熱穩(wěn)定性。和普通玻璃相比,硼硅酸鹽玻璃由于其Si02和B203的含量較高,堿金屬氧化物的含量相對較低,因此具有許多良好的性能。如良好的抗熱沖擊性、良好的機械性能、較高的軟化溫度等。下面以B4組分為例與普通玻璃進行比較,所測性能列于表7中。從表7中可看出,B4組分的硼硅酸鹽玻璃密度比普通玻璃的密度小,硬度大約是普通玻璃的三倍,膨脹系數(shù)要小得多,幾乎是普通玻璃的一半,因此其耐熱性能比普通平板玻璃要好,可以被用在加熱炊具、集熱管和防火玻璃等耐熱領域。4熱穩(wěn)定性能ndf玻璃的組成(1)對于本實驗所作硼硅酸鹽系統(tǒng)玻璃,在1570℃下熔化,保溫3h,使用1.5%的NaCl做澄清劑,可以得到熔化澄清效果良好的玻璃。(2)得到具有良好耐熱性能的硼硅酸鹽玻璃組成范圍(質量分數(shù)%):SiO270%～80%、B2O38%～15%、(Na2O+K20)4%～10%、Al2O30～5%;并得到熱膨脹系數(shù)小于40×107/℃,軟化點高于750℃,抗熱沖擊性ΔT大于150℃的玻璃。(3)Si02+B203的總量達到90%以上是硼硅酸鹽玻璃具有良好耐熱性能的基礎,但此時熔化成型困難;堿金屬、堿土金屬、氧化硼均有助熔的作用,三者總量不應低于16%。5硼硅硅復合防火玻璃對于硼硅酸鹽玻璃,由于其熔化溫度高、黏度大、腐蝕性大等特點對熔窯耐火材料的要求極高。尤其是若要進行浮法生產,則對熔窯和錫槽中的耐火材料、加熱元件將提出更高的要求?，F(xiàn)在國內,主要用燃料燃燒的熔窯中,熔鑄氧化鋁已經被用于大碹,以熔制優(yōu)質玻璃。熔鑄氧化鋁碹頂已經成功地應用于1700℃的高溫,這為難熔玻璃的熔制提供了更多的靈活性。德國在熔制硼硅酸鹽玻璃方面走在世界前列,它最突出的一面是浮法生產硼硅酸鹽透明鋼化防火玻璃而著稱于世界。德國的Schott公司制造的Pyrans防火玻璃產品,是世界上唯一的用浮法工藝生產的單片硼硅酸鹽防火玻璃,它集優(yōu)良的抗熱沖擊性能及浮法玻璃極好的光學性能于一身,提供近乎完美的視覺效果,受到極大的歡迎。該