微晶泡沫玻璃

微晶泡沫玻璃（精选九篇）

微晶泡沫玻璃 篇1

关键词：微晶泡沫玻璃,固体废弃物,墙体材料

0 引言

“秦砖汉瓦”延续至今仍然是我国墙体材料的主要组成。由于依靠粘土作为原料,其生产损毁大量耕地,严重损害环境。节能、节土、废弃物利用、低污染的多功能新型墙体材料及制品的工艺研究被国家建筑材料工业跨世纪发展战略列为重点扶持项目之一[1]。微晶泡沫玻璃是在研制微晶玻璃和泡沫玻璃基础上,使其能综合两种材料的优点[2,3],如优越的隔热、吸声、防潮、防火且轻质高强等的新型环保建筑材料。由于具有以上优点,微晶泡沫玻璃解决了微晶玻璃容重大、保温差和泡沫玻璃机械强度低等性能缺陷,同时作为墙体材料,又降低了建筑物的自重,提高了建筑物内在质量。

早在20世纪60年代,I.I.Kitaigorodskii等人[4就通过在泡沫玻璃中添加Ti O2作为形核剂,高温发泡后析晶处理的方式制备出微晶泡沫玻璃。我国对微晶泡沫玻璃研究起步较晚,1996年,吴义军等人[5]以石英、长石等非金属矿产为原料,掺加发泡剂后混合均匀,经高温热处理制备出内部均匀分布着针状、毛发状纤细晶体的微晶泡沫玻璃。近年来,国内外关于微晶泡沫玻璃的制备工艺、结构与性能、原料的选择、应用及快速确定热处理制度等[6,7,8,9,10]均有研究,但多集中在微晶泡沫玻璃和固体废弃物的循环利用方面。本文概述了微晶泡沫玻璃的制备工艺原理及流程,从结构方面讨论了微晶泡沫玻璃的性能及应用,同时介绍了废玻璃、粉煤灰、尾矿、冶炼渣、硼泥、煤矸石、陶瓷废料等固体废弃物在微晶泡沫玻璃中的应用。

1 微晶泡沫玻璃的制备工艺

微晶泡沫玻璃是是以废玻璃、粉煤灰、非金属矿等为主要原料,加入发泡剂、成核剂和外加剂等[11],经粉碎后混合均匀形成配合料,然后将装有配合料特制的模具放入电炉中加热,经过预热、熔融、发泡、析晶、退火等工艺制成的新型墙体材料[12]。

1.1微晶泡沫玻璃的制备工艺原理

微晶泡沫玻璃的核心制备工艺在于泡孔的形成和析晶的控制。微晶泡沫玻璃的泡孔形成过程可分为三个阶段:泡核形成、泡孔长大和泡体的固化定型。首先,当温度达到混合料低共熔点时,玻璃开始软化,同时混合料中发泡剂产生的气体被包裹在软化玻璃中,形成泡核;随着保温时间的延长,由于玻璃黏度的变化及大量产生的泡核保证了足够的气体压力,导致了泡孔的长大;最后,当泡孔长大到合适情况后,控制温度急速下降,玻璃固化的同时泡体也被固化定型。泡沫玻璃微孔结构形成关键在于玻璃基料的黏度变化与发泡剂放气速度之间的协调[13]。为了取得大量、均匀、细小的微孔,就需要发泡剂的放气温度恰好位于玻璃的软化温度区间内,放气数量应能保证产生足够的气体压力,以克服玻璃软化体的黏滞阻力,又不至于使气泡破裂、合并或逸出。

微晶泡沫玻璃的析晶过程与微晶玻璃基本相同,玻璃体的结晶过程一般要经过两个步骤:先形成晶核,然后是晶体长大[14]。对于微晶泡沫玻璃而言,一般需要加入形核剂或具有形核效力的物质来诱导析晶,形核剂的效能取决于它的原子结构和被核化的原子结构的相似程度。因此,成核过程对微晶泡沫玻璃的最终性能尤为重要[15,16,17]。

1.2 微晶泡沫玻璃的制备工艺流程

微晶泡沫玻璃的制备既涉及发泡过程,又涉及析晶过程,因此在制备过程中,通常以一方面为主,兼顾另一方面,常见以发泡过程为主,兼顾析晶过程。根据退火工艺的不同,可分为“一步法”和“二步法”微晶泡沫玻璃[18]。

“一步法”微晶泡沫玻璃制备方法:在基础配方料或熔融水淬后制备的基础玻璃料中掺加适量的发泡剂、助溶剂及稳泡剂等添加剂,在合适的温度制度下,运用一次热处理方式,让玻璃发泡的同时产生晶体,最后退火得到微晶泡沫玻璃。“一步法”微晶泡沫玻璃制备工艺流程如图1所示[19]。

“二步法”微晶泡沫玻璃制备方法:在基础配方料或熔融水淬后制备的基础玻璃料中掺加适量的发泡剂、助溶剂及稳泡剂等添加剂,采用二次烧成工艺,先完成发泡过程,退火冷却得到泡沫玻璃;再对泡沫玻璃进行核化、晶化热处理,最后退火得到微晶泡沫玻璃。“二步法”微晶泡沫玻璃制备工艺流程如图2所示[20]。

“一步法”微晶泡沫玻璃相对“二步法”微晶泡沫玻璃,具有工艺简单,能耗小等优势,但是由于其发泡过程与析晶过程同时发生,玻璃体产生析晶,产生的晶体与玻璃的热膨胀系数相差很大,退火冷却过程很容易产生试样变形或微裂纹,使气体逸出孔泡,闭孔结构减少,开口气孔增多,导致对流传热增加,热导率升高,隔热性能和机械强度降低[21]。

2 微晶泡沫玻璃的性能及应用

微晶泡沫玻璃兼具了微晶玻璃及泡沫玻璃的优点,在建筑领域有得天独厚的优势。

微晶玻璃容重大(>2700kg/m3)、造价高,适用于高档次非建筑行业,或如马赛克等装饰材料。泡沫玻璃质轻(≤500kg/m3),但机械强度低,适合做保温材料而不宜做墙体材料。表1为微晶泡沫玻璃与一般建筑材料性能指标的对比[22]。

2.1 微晶泡沫玻璃的结构和性能

微晶泡沫玻璃是由玻璃相、晶体和气孔三部分组成。相比泡沫玻璃,更多晶体分布在具有均匀气孔结构的玻璃基体中,形成玻晶结构,明显提高了材料力学性能;相比微晶玻璃,更多均一气孔分布在玻晶交织基体中,降低了材料的容重的同时提高了保温隔热性能。

当孔泡多为闭孔结构时,微晶泡沫玻璃的传热以孔泡中气体的对流、辐射为主,孔壁、孔泡中的气体的热传导为辅。气体被微小均一的孔泡完全包裹,与其他泡孔中包裹的气体不能相互运动产生对流,而是处于相对静止状态,有利于阻隔热量的传递,起到保温隔热作用[23]。因此,闭孔结构的微晶泡沫玻璃具有良好的保温隔热、不吸水、不吸湿、防水防冻等性能。

当孔泡多为开孔结构时,微晶泡沫玻璃具有一定的通气性,当接受到入射声波后,可能会以两种方式[24]导致声能逐渐转变为热能而衰减,直至消失:入射声波的振动引起孔泡内或间隙间的空气运动,造成与孔壁的摩擦,由于摩擦和粘滞力的作用,不同区域空气运动快慢不同导致了一部分声能转变成热能,从而衰减声波;同时,入射声波振动产生的热能会在孔泡空气与孔壁间的热交换过程中造成损失,从而达到衰减声波效果。因此,开孔结构的微晶泡沫玻璃具有吸音降噪、渗透等性能。

同时,大量存在的晶相使得微晶泡沫玻璃具有良好的理化性能[25],如机械强度高、易于加工、耐化学侵蚀、不老化风化、无放射性和腐蚀性等。

2.2 微晶泡沫玻璃的应用

微晶泡沫玻璃由于具有以上结构和性能,可以广泛应用于化工、石化、建筑、环保、仓储等领域作为保温保冷、吸声材料[26]。例如:作外墙保温、外表面安装玻璃幕墙;滑冰场水泥地砂浆底层上作保温层;建筑物地下室的绝热工程材料;工业烟囱烟道内衬材料;化工厂管道保温、炼油化工储罐绝热材料;液化气天然气管道路的保冷;压缩机、风机房的隔音和吸音墙;冷库、冷藏车船,以及造纸、烟草、纺织等行业的生产厂房防潮、恒温材料。

3 固体废弃物在微晶泡沫玻璃中的应用

2011年12月17日,工信部发布了[2011]600号文件《大宗工业固体废弃物综合利用“十二五”规划》,旨在全面推进我国大宗工业废弃物综合利用工作,提高综合利用技术水平。大宗工业废弃物主要包括:尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、赤泥等,它们不仅因大量搁置堆积对环境造成巨大压力,而且量大、利用途径少及利用率低下,一直得不到根本性的合理利用。这里介绍了国内外关于固体废弃物在一种新型无机材料-微晶泡沫玻璃中的应用。表2为大宗固体废弃物综合利用“十一五”情况[27]。

3.1 利用废玻璃研制微晶泡沫玻璃

随着科技的进步和人民生活水平的提高,不同用途、不同功能的玻璃制品在日常生活、工业应用及科学研究等方面扮演着重要的角色。同时,生产过程带来的大量废弃玻璃也是无法避免的。我国每年产生的玻璃废弃物约有1000万t,占固体废弃物量的5%左右。

Bernardo E等人[28]以废玻璃为原料,添加SiC和MnO2粉末,在40Mpa下压制成型,利用粉末烧结法,经900~1050℃下烧结15~60min,制备出主晶相为硅灰石、最大抗压强度达3.7MPa的微晶泡沫玻璃。Mear F等人[29]利用含铅的阴极射线管为原料,添加SiC或TiO2粉末,在800~900℃下烧结制备出主晶相为石英相、最大抗压强度达2.49MPa的微晶泡沫玻璃。

3.2 利用粉煤灰研制微晶泡沫玻璃

粉煤灰是火力发电排放的主要固体废弃物,我国粉煤灰年排放量约为8000万t,2010年粉煤灰产生量达到近5亿t。虽然粉煤灰在建筑材料、农业、污水处理及金属回收等领域有一定的应用,但是与世界发达国家相比,综合利用率低且集中在低附加值方面。

Fernandes H R等人[30]利用废玻璃和粉煤灰为原料,添加1~2%白云石粉末作为发泡剂,在850℃下烧结,制备出密度为0.36~0.41g/cm3、抗压强度为2.40~2.80MPa、晶相为辉石和石英的微晶泡沫玻璃。Chen B等人[31]利用粉煤灰为主原料,添加发泡剂硅酸钠和稳泡剂磷酸钠,在15MPa下压制成型,在800℃下烧结1小时,制备出主晶相为钠长石、最大抗压强度达10.51MPa的微晶泡沫玻璃。

3.3 利用尾矿研制微晶泡沫玻璃

我国矿产资源共伴生矿多,单一矿少,因而在选矿过程中产生了大量尾矿。2010年,我国尾矿产生量已超过12亿t,成为产出量最大、利用率第二低的大宗工业废弃物。

郭宏伟等人[32]发明了一种利用金尾矿生产微晶泡沫玻璃的方法:先将金尾矿,废玻璃粉,萤石粉等配比熔制后水淬成基础玻璃粉,在基础玻璃粉中加入三氧化二铁、二氧化锰等添加剂,放入模具经发泡烧结制备出微晶泡沫玻璃。刘媛媛等人[33]以山东莱芜钢厂的铁尾矿为原料,添加一定量膨润土作为粘结剂,并加入发泡剂,在1135℃下发泡

30分钟制备出晶相为石英与斜长石、体积密度为503kg/m3、导热系数为0.17W/(m·K)、吸水率4%、抗压强度为7.5Mpa的微晶泡沫玻璃。

3.4 利用冶炼渣研制微晶泡沫玻璃

高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣,含有SiO2、Al2O3、MgO、CaO等制备无机材料的主要成分,属于冶金行业中产生数量最多的一种废渣,年排放量在3000万吨左右。随着钢铁工业的发展,各种冶炼渣的堆积量日益增多,2010年,冶炼渣的产生量已超过3亿t。

Portnyagin D.G等人[34]利用高钙渣和废玻璃为原料,在800℃下保温20分钟,制备出颗粒状和块状微晶泡沫玻璃,颗粒状材料体积密度为180~200kg/m3,抗压强度为1.0~1.1MPa;块状材料体积密度为320~400kg/m3,抗压强度为4.1~5.3MPa。杨合等人[35]以含钛高炉渣为原料,碳酸钙为发泡剂,磷酸钠为稳泡剂烧结制备出含少量钙铁透辉石相的微晶泡沫玻璃。

3.5 利用硼泥研制微晶泡沫玻璃

硼泥是以硼矿石为原料,生产硼砂以及硼酸等硼化工产品剩余的固体废弃物,以生产硼砂为例,生产1t硼砂将导致了4~5t硼泥。硼泥中含有氧化镁、氧化钙、氧化钠等碱性物质,若不经过任何环保技术处理直接露天堆积排放,将导致土壤环境恶化,寸草不生。

王晴等人[36]以脱镁硼泥和废玻璃为原料,碳粉和二氧化锰为复合发泡剂,磷酸钠为稳泡剂,氧化锆和二氧化钛为晶核剂,氟硅酸钠为助溶剂,利用粉末烧结法制备出透辉石和硅灰石共存晶相,耐腐蚀性能良好的微晶泡沫玻璃。

3.6 利用煤矸石研制微晶泡沫玻璃

煤矸石是煤炭开采、洗选过程中的废弃物,它共生或伴生于煤的形成过程中。2010年,我国的煤矸石产生量近6亿t,成为仅次于尾矿的第二大产出量的大宗固体废弃物。大量废弃的煤矸石堆积而成的矸石山不仅侵占农田、污染水质,而且自然放出H2S、SO3等有毒气体污染空气,造成酸雨,造成恶劣的环境问题。

李玉华等人[37]以煤矸石和废玻璃为原料,掺加碳酸钠、碳酸钙、碳粉、硼砂、氧化钛和聚乙烯醇,在800~900℃烧结制备了主晶相为透辉石和硅灰石的微晶泡沫玻璃。

3.7 利用陶瓷废料研制微晶泡沫玻璃

我国是世界陶瓷生产大国,自1992年起,日用陶瓷和建筑卫生陶瓷的产量就雄居世界首位。目前,我国每年有超1800万t的陶瓷废料伴随着陶瓷生产而产生。大量堆积的陶瓷废料挤占土地,严重污染人类赖以生存的水、空气和土壤环境。

曾令可等人[38]以陶瓷抛光砖废渣、高温砂、低温砂和黏土为原料,经过高温烧结制备含有大量莫来石相和玻璃相的多孔墙体保温材料。

4 结语

微晶玻璃阅读答案 篇2

微晶玻璃是一种我国刚刚开发的新型的建筑材料，它的学名叫做玻璃陶瓷它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一而微晶玻璃象陶瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强

把微晶玻璃与天然石材的对比实验我们把墨水分别倒在大理石和微晶玻璃上，稍等片刻，微晶玻璃上的墨汁可以轻易的擦掉，而大理石上的墨迹却留了下来这是为什么呢？大理石、花岗岩等天然石材表面粗糙，可以藏污纳垢，微晶玻璃就没有这种问题大家都知道，大理石的主要成分是碳酸钙，用它做成建筑物，很

容易与空气中的水和二氧化碳发生化学反应，这就是

武汉模具流分析

大理石建筑物日久变色的原因，而微晶玻璃几乎不与空气发生反应，所以可以历久长新

专家介绍说，这项发明的突破点主要有两个，分别是原 料的配比和工艺的设计其中，工艺的设计是技术的关键置备微晶玻璃首先要把原材料按照比例配好，放到窑炉里烧熔，等全部融化之后，把熔液倒在冰冷的铁板上，这叫做淬火，淬火之后，原料已经变成了一块晶莹的玻璃，这一步是烧结的过程现在，我们把玻璃捣碎，装入模具，抹平，再次放入窑炉，这次煅烧使它的原子排列规则化，是从普通玻璃到微晶玻琉的过程

一般的废渣土中都含有制作微晶玻璃的大多数成分，我们通过电脑检测，确定现有原料的化学组成，添加所缺部分，大大降低了成本微晶玻璃利用废渣、废土做原材料，有利于环境治理，可以变废为宝，与各地

环保工作同步进行

答案：

13．微晶玻璃与普通玻璃、陶瓷相比有哪些特性？（3分）

14．通过微晶玻璃与天然石材的对比实验，得出了怎样的结论？（3分）

15．文中加点的“大多数”一词能否删去？为什么？

16．从文中看，微晶玻璃的工艺设计是制作技术的关键，概括地说，它包括两步，一是，二是

答案

13．比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性好

14．微晶玻璃与天然石材相比，表面光滑，几乎不与空气发生反应，可以历久常新

15．不能删去“大多数”是指绝大部分，说明废渣土中含制作微晶玻璃的成分多

绿色建材与新型微晶玻璃制品 篇3

绿色建材，又称生态建材、环保建材和健康建材，指健康型、环保型、安全型的建筑材料，在国际上也称为“健康建材”或“环保建材”，绿色建材不是指单独的建材产品，而是对建材“健康、环保、安全”品性的评价。它注重建材对人体健康和环保所造成的影响及安全防火性能。它具有消磁、消声、调光、调温、隔热、防火、抗静电的性能，并具有调节人体机能的特种新型功能建筑材料。

绿色建材是指采用清洁生产技术、少用天然资源和能源、大量使用工业或城市固态废物生产的无毒害、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑材料。它具有消磁、消声、调光、调温、隔热、防火、抗静电的性能，并具有调节人体机能的特种新型功能建筑材料。在国外，绿色建材早已在建筑、装饰施工中广泛应用，在国内它只作为一个概念刚开始为大众所认识。绿色建材是采用清洁生产技术，使用工业或城市固态废弃物生产的建筑材料。中国目前已开发的“绿色建材”有纤维强化石膏板、陶瓷、玻璃、管材、复合地板、地毯、涂料、壁纸等。如“防霉壁纸”，经过化学处理，排除了发霉、起泡滋生霉菌的现象。“环保型内外墙乳胶漆”不仅无味、无污染，还能散发香味，并且可以洗涤、复刷等。“环保地毯”既能防腐蚀、防虫蛀，又具有防止阴燃的作用。“复合型地板”，是用天然木材，经进口漆表面处理而制成，具有防蛀、防霉、防腐、防燃、不变形特点。总而言之，绿色建材是一种无污染、不会对人体造成伤害的装饰材料。建材工业是中国重要的材料工业。建材产品包括建筑材料及制品、非金属矿及制品、无机非金属新材料三大门类，广泛应用于建筑、军工、环保、高新技术产业和人民生活等领域。

目前，中国已经是世界上最大的建筑材料生产国和消费国。主要建材产品水泥、平板玻璃、建筑卫生陶瓷、石材和墙体材料等产量多年居世界第一位。同时，建材产品质量不断提高，能源和原材料消耗逐年下降，各种新型建材不断涌现，建材产品不断升级换代。

二、微晶玻璃

微晶玻璃（CRYSTOE and NEOPARIES）又称微晶玉石或陶瓷玻璃。是综合玻璃，是一种外国刚刚开发的新型的建筑材料，它的学名叫做玻璃水晶。微晶玻璃和我们常见的玻璃看起来大不相同。它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象陶瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强。

专家介绍说，这项发明的突破点主要有两个，分别是原料的配比和工艺的设计。其中，工艺的设计是技术的关键。置备微晶玻璃首先要把原材料按照比例配好，放到窑炉里烧熔，等全部融化之后，把熔液倒在冰冷的铁板上，这叫做淬火，淬火之后，原料已经变成了一块晶莹的玻璃，这一步是烧结的过程。现在，我们把玻璃捣碎，装入模具，抹平，再次放入窑炉，这次煅烧使它的原子排列规则化，是从普通玻璃到微晶玻琉的过程。

一般的废渣土中都含有制作微晶玻璃的大多数成分，我们通过电脑检测，确定现有原料的化学组成，添加所缺部分，大大降低了成本。微晶玻璃利用废渣、废土做原材料，有利于环境治理，可以变废为宝，与各地环保工作同步进行。

低膨胀系数的微晶玻璃可用于激光导航陀螺、光学望远镜等重要科技领域，我国目前生产激光导航陀螺所用微晶玻璃基本依赖进口，日前，厦门航空工业有限公司称已研制出可适用激光导航陀螺的微晶玻璃，质量可与德国等进口玻璃相媲美。

微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重优点，优于天石材和陶瓷，可用于建筑幕墙及室内高档装饰，还可做机械上的结构材料，电子、电工上的绝缘材料，大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热列器皿、化工与防腐材料和矿山耐磨材料等等。是具有发展前途的21世纪的新型材料。

目前建筑用微晶玻璃均采用烧结法，而且不加入晶核剂。它的基本原理是，玻璃是一种非晶态固体，从热力学观点看，它处于一种亚稳定状态，较之晶体有较高的内能，所以在一定条件下，可以转化为结晶态。从动力学观点来看，玻璃熔体在冷却过程中，粘度急剧增加，抑制晶核的形成和晶体长大，阻止了结晶体的成长壮大。建筑用微晶玻璃利用了不加晶核剂的非均相结晶化机理，充分应用了热力学上的可能和动力学上的抑制，在一定条件下，使这种相反相成的物理过程，形成一个新的平衡，而获得的一种新材料。

三、一种能实现建材工业清洁生产的新型装饰装修材料

——玻晶砖

玻晶砖属于微晶玻璃制品，而所谓清洁生产，是指将环境保护策略持续应用于生产和产品中，表明从产品生产到产品应用全过程的广义污染防治途径。以碎破璃为主要原料生产的玻晶砖，是一种既非石材又非陶瓷的绿色环保建材，完全符合清洁生产的要求。

第一，生产中使用的粘土等为地球上不断枯竭的资源，玻晶砖的用量比其它相似产品要少得多；并且与陶瓷相比，由于不用喷雾干燥、烧成温度较低且生产周期短，可节约能源，二氧化碳等废气排放量可减少25%以上，生产成本低于其它相类似产品，因此符合减量化原则。

第二，产品性能优于粉煤灰水泥砌块、水磨石、陶瓷砖，与烧结法微晶玻璃国内叫微晶石或玉晶石相当。它的莫氏硬度可达6左右，远高于水磨石，因而它的使用寿命比水磨石或石塑板要长得多；它的抗折强度约为40-50Mpa，远大于陶瓷砖；由于它的孔隙率比花岗岩少得多，因而更易清洁，而且色差小，无放射性，较好地解决了困扰花岗岩乃至陶瓷砖作外墙或地面装饰时的“吸脏”难题；由于废物利用、能耗低、工艺流程短和投资小，所以生产成本较低，并由于这种新型建材使用范围很广，可长期反复使用于不同场合，因此符合再使用原则。

第三，废品站已不愿收购日益增多的碎玻璃，特别是最近国家限制啤酒瓶的重复使用后，废旧啤酒瓶量剧增，国家又要求关闭原来大量消耗碎玻璃的小玻璃厂，使之成为城市固体垃圾处理中的严峻问题之一，玻晶砖的开发为碎玻璃再循环恰好开辟了一条高附加值再利用的新途径；其次，废旧的玻晶砖本身也可以回收再循环利用，而陶瓷砖等其它建材则没有这种可能性，所以也符合再循环原则。

玻晶砖的生产工艺比较简单。首先是用破碎机和球磨机对原料进行粉碎，经混合均匀后成型为各种规格形状，然后进入辊道或隧道窑进行烧结热处理，必要时可进行研磨抛光，以达到花岗石和大理石的表面效果。

玻晶砖经加工后能达到天然石材或玉石的两种效果，加之开发出来的米、绿、棕、白、蓝、紫、红、黑等多种颜色和不同规格，可用于地面、内外墙、人行道、一般道路等装饰，不仅能拼出富有创意、格调优美、质感厚重等花色图案，而且具有防滑、高强、隔热、抗冻、耐腐蚀等优良性能，性能指标与目前备受推崇的烧结法微晶玻璃相当，但成本不及它的1/20，投资也不及它的1/10。

玻晶砖还可在表面上做出各种浮雕效果，如供盲道铺砌的长条或圆形凸台，为体现传统稳重气氛与风格的仿石花纹等。为了满足棱角装饰需要，玻晶砖也可制成各种尺寸的角形砖。

西北轻工学院微晶工程公司从事微晶玻璃、玻晶砖的研究已有20余年的历史，在研究过程中，消化吸化了前苏联和乌克兰成熟的生产技术，其工艺实验及设计获得国家奖励。主要原料为废旧的碎玻璃，辅以少量矿物原料和专用添加剂。生产工艺采用模压法，生产过程主要有：粉碎、混合、成型、配色、干燥、晶化、退火、抛光等。项目产品可做为墙、地装饰材料和高档广场铺设材料，它由玻璃相和结晶相构成，集中了玻璃与陶瓷的特点，是一种高性能的绿色建材产品。

参考文献

[1]《中国建材报》

[2]《绿色建材与建材绿色化》

微晶泡沫玻璃 篇4

泡沫微晶玻璃大多是以工业废弃物为主要原料,掺入发泡剂、稳泡剂和助熔剂等,经过一定热处理工艺制成的由玻璃相、微小气孔和微晶体组成的新型环保材料[1,2],具有轻质、高强、隔音、保温、防潮、耐腐蚀等优点,被广泛用于建筑承重墙、隔音材料、保温材料和石油化工等领域[3]。目前,国内对泡沫微晶玻璃的年需求量存在较大的市场空缺,仍需从美国进口,国内对其研究起步相对较晚,已有学者分别以煤粉炉渣[4]、废玻璃[5]和阴极射线管[6]等为主要原料制备了泡沫微晶玻璃。在攀钢每年大量排放的高钛高炉渣中SiO2、CaO、Al2O3、MgO是构成玻璃体系的基本成分,且其中高含量的TiO2是制备微晶玻璃和泡沫微晶玻璃的优质晶核剂,成分上的优势使其可以作为制备泡沫微晶玻璃的原料。本课题组前期利用自主开发的发泡和析晶同时进行的“一步法”烧结制备了泡沫微晶玻璃[7,8],可望为高钛高炉渣整体利用提供一条新途径。CaCO3作为常用制备泡沫微晶玻璃的添加剂,其分解产生的CO2和CaO对泡沫微晶玻璃组织和性能有较大影响。左李萍[9]、冯宗玉[10]等分别用粉煤灰和油页岩渣制备了泡沫微晶玻璃,过程中所添加的CaCO3主要以分解产生CO2起发泡作用;而徐博[11]以CaO-Al2O3-SiO2玻璃为基体制备了泡沫微晶玻璃,研究表明CaO对泡沫微晶玻璃析晶有影响。本实验以缓冷高钛高炉渣为主要原料,通过发泡和析晶同时进行的“一步法”制备泡沫微晶玻璃,主要探究CaCO3对泡沫微晶玻璃的影响。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用主要原料为攀钢高炉冶炼后产生的缓冷高钛高炉渣,其物相主要是钙钛矿、普通辉石和钙钛辉石(见图1);化学组成为24.72%SiO2、28.39%CaO、21.40%TiO2、13.64%Al2O3、7.05%MgO、2.76%FeO(质量分数)等;由于缓冷渣中SiO2含量低且熔点高,添加废玻璃砂以提高泡沫微晶玻璃制备体系中SiO2含量并降低体系软化温度。此外,添加Na2B4O7·10H2O作为助熔剂,Na3PO4·12H2O作为稳泡剂。

1.2 实验方法

将缓冷渣和废玻璃砂分别球磨2h后过200目筛,按37%缓冷渣、53%废玻璃粉、4%Na3PO4·12H2O、6%Na2B4O7·10H2O(质量分数)配料,再在此基础上分别添加1%、2%、3%、4%、5%的CaCO3(质量分数)。将配制的原料球磨混匀后压制成圆柱形生坯(Φ13mm×15mm)。

为了制定合理的烧结工艺,取含3%CaCO3的配合料20mg,使用NETZSCH STA 449C型差热分析仪,按10℃/min的升温速率测定DSC曲线。

将生坯放入箱式电阻炉中,以5℃/min加热至400℃保温20min,再以10℃/min快速升温至980℃保温30min,随后快冷至500℃以稳定气孔,再缓冷以降低试样内应力,最终得到泡沫微晶玻璃。

1.3 泡沫微晶玻璃的组织和性能检测

对试样进行XRD分析,并按式(1)计算材料中晶相含量:

式中:C0为晶相含量;Ac为结晶相衍射峰面积;Aa为非晶相散射波峰面积;k为晶体与非晶体的相对散射系数,可认为晶体和非晶体具有相同的散射能力,即k取1[12]。

将烧结试样用5%HF(体积分数)溶液腐蚀后进行SEM观察显微组织。

使用万能测试机测量抗压强度;并分别采用Archimedes法和比重瓶法测量体积密度ρ1和真密度ρ2,根据式(2)、式(3)分别计算气孔率P和吸水率W。

式中:m1为试样干重,m2为试样在水中浸泡24h后的质量。

2 结果与分析

2.1 差热分析与烧结工艺制定

配合料差热分析曲线如图2所示,在49.4℃和127.8℃时出现吸热峰,这是由于配合料中水分蒸发所致;230℃左右Na3PO4·12H2O和Na2B4O7·10H2O开始脱去结晶水,出现微弱的吸热峰,在400.5℃达到峰值。据此选择以5℃/min较慢的速度加热使水分在发泡前蒸发,且不会出现由于配合料导热性差而引起的表面玻璃粉过早熔融等问题。曲线在692.9℃时出现吸热峰,这是由于配合料中玻璃粉开始软化以及发生少量形核作用;由于CaCO3在750~950℃分解[13],而配合料在820℃后逐渐软化,曲线出现明显的吸热峰,且在967.3℃达到峰值;在967.3℃后,曲线出现明显的放热峰,这是由于随温度进一步升高,CaCO3分解产生的CaO与配合料中SiO2等发生固相反应产生CaSiO3等新的晶相(即“SiO2+CaO→CaSiO3”)[13]放热,以及晶体发生相变从晶界处释放热量。由图2大致可得配合料的软化、发泡和析晶过程主要在820~1000℃,为了兼顾泡沫微晶玻璃制备过程中发泡和析晶过程,将烧结温度选定为980℃。

2.2 CaCO3对泡沫微晶玻璃晶相的影响

图3的XRD结果表明:CaCO3对泡沫微晶玻璃主要晶相的衍射峰强度有影响,对晶相种类无影响,即都以透辉石Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6和普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6为主晶相,以硅辉石CaSiO3为次晶相。由式(1)计算泡沫微晶玻璃的晶相含量,结果如表1所示,CaCO3添加量从1%增至3%时,泡沫微晶玻璃晶相含量显著增加,说明材料体系中晶化程度提高,晶体数量增多[14],这与图3中主晶相衍射峰的强度明显增强是一致的。其原因是随CaCO3含量增加,分解产生的CaO与配合料中Al2O3、SiO2等发生的反应加剧,生成物增多,容易提供异质物质来形核,从而促进析晶行为。CaCO3添加量从3%增至5%时,主晶相衍射峰强度相当,材料中晶相含量不再明显增加。这是由于随CaCO3添加量继续增多,晶体析出量增加,但过多析出晶体会使其生长时受到周围其它晶体撞击的几率增大,这些晶体间的相互撞击阻碍了晶体生长。故晶相含量虽有所增加,但增加趋势不明显。

2.3 CaCO3对泡沫微晶玻璃微观形貌的影响

图4是CaCO3添加量为1%、3%和5%的泡沫微晶玻璃的微观形貌。从图4可以看出,在980℃时制备的泡沫微晶玻璃的发泡效果和析晶程度与CaCO3添加量有较大关系。CaCO3分解产生CO2和CaO,CO2形成气孔起到发泡作用,CaO中阳离子Ca2+电价较高且离子半径不大,故键力较金属离子大,有可能夺取小型四面体群的氧离子于自己的周围,使体系粘度和表面张力增大[15]。当CaCO3添加量为1%时,材料中有较多交叉分布的大孔和通孔,孔壁较薄,且微孔结构均匀性差,材料晶化不明显,孔壁仅有少量不规则形状晶体析出。这是由于CaCO3分解产生CO2和CaO较少,形成的气孔较少,且部分气孔由于大的表面张力使其穿越其它组织而不破裂形成深孔,部分气孔冲破孔壁形成连通孔。当CaCO3添加量为3%时,体系的表面张力与气孔内部压力相平衡,材料孔径减小,直径从0.8mm减至0.5mm左右,气孔由不规则形状变成类似蜂窝结构的圆形,孔壁厚度增大,且气孔均匀性变好。材料孔壁上晶体数量增多,形状变为针状和粒状,且针状和粒状晶体交织存在泡孔中。结合XRD推测配合料在该阶段晶化作用增强,同时CO2在内压力作用下冲破孔壁稳定后所释放的能量以及晶体发生相变从晶界处释放的热量共同促进了晶体移动和生长,使得析出晶体增多。当CaCO3添加量增至5%时,孔径迅速减小,孔壁厚度增大,析出晶体增多且晶体间的相互撞击阻碍了晶体生长,使其不能正常发育成针状,最终变成短柱状。这是由于CO2迅速增加,但CaO含量继续增多,同时析出的微小晶体也增加了体系粘度[16],使得气孔内压和表面张力失去平衡,大量的小气孔不易长大,最终形成许多微小气孔,导致气孔数量增加,孔径减小,孔壁厚度增大。这与H.R.Fernandesa[17]的实验结果吻合。

综上所述,在利用缓冷渣制备泡沫微晶玻璃的体系中,CaCO3对发泡和析晶都有影响。CaCO3分解释放的CO2有利于气孔形成,但同时CaO可促进晶体析出,使玻璃体系粘度增大,阻碍气泡长大。综合表现为CaCO3对泡沫微晶玻璃泡孔大小,微晶体的数量、大小、形貌都有较大影响。

2.4 CaCO3对泡沫微晶玻璃性能的影响

图5为泡沫微晶玻璃的体积密度、气孔率和吸水率测定结果,随着CaCO3添加量增加,试样体积密度逐渐增大,气孔率和吸水率逐渐减小。这是由于材料体积密度、气孔率和吸水率与气孔结构密切相关。当CaCO3添加量为1%时,体系中液相成分的表面张力不足以维持气孔气压,导致气体逸出,气孔坍塌或合并成开孔,使材料气孔率较大,体积密度较小,而连通孔和开孔的出现使吸水率较大;当CaCO3添加量为3%时,气孔大小适中、分布均匀,并且孔壁上有大量晶体析出,这些析出的晶体填充了材料中尺寸较小的孔和连通孔,体积密度增大,气孔率和吸水率减小,使材料具有较合适的体积密度和气孔率,体积密度为0.73g/cm3,气孔率为71.50%,吸水率为11.12%;随着CaCO3含量继续增加,气孔数量增加,孔径迅速减小,孔壁厚度增大,导致体积密度增大,气孔率和吸水率下降。

抗压强度不仅受试样体积密度、气孔率的影响,还与孔的形态、分布、晶体类型和晶体结构有密切联系。随着CaCO3添加量从1%增至5%,抗压强度逐渐增大。其原因是CaCO3添加量增加,试样孔径减小,且孔壁上析出许多微小晶体,这些微小晶体使孔壁厚度增加[8];另外,这些微小晶体相互交织,可造成裂纹尖端的弯曲和钝化,进而提高试样的抗压强度。

3 结论

(1)在利用缓冷高钛高炉渣制备泡沫微晶玻璃体系中,CaCO3对发泡和析晶都有影响。即CaCO3分解释放的CO2有利于气孔形成,但同时CaO促进晶体析出,使玻璃体系粘度增大,阻碍气泡长大。二者综合作用下,当CaCO3添加量从1%增至5%时,微晶泡沫玻璃气孔孔径减小。

(2)CaCO3添加量(1%~5%)对泡沫微晶玻璃主要晶相类型无显著影响,即都以透辉石Ca(Mg,Al)(Si,Al)2O6和普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6为主晶相,以硅辉石CaSiO3为次晶相;但CaCO3由1%增至3%时晶相含量明显增加,而在3%~5%范围内晶相含量变化不大。随着CaCO3含量增加,晶体由不规则颗粒状变成针状和短柱状。

(3)随着CaCO3添加量增加,泡沫微晶玻璃气孔率和吸水率减小、体积密度和抗压强度增大。过多或过少的CaCO3都不利于获得好的综合性能。当CaCO3添加量为3%时,泡沫微晶玻璃的密度为0.73g/cm3,气孔率为71.5%,吸水率为11.12%,抗压强度为10.91MPa,综合性能最好。

摘要：利用缓冷高钛高炉渣和废玻璃为主要原料,通过发泡和析晶同时进行的“一步法”在980℃烧结制备泡沫微晶玻璃。研究了CaCO_3对制备泡沫微晶玻璃的影响。结果表明,CaCO_3对发泡和析晶过程都有影响。在不同的CaCO_3添加量(1%~5%,质量分数)下,泡沫微晶玻璃的主要晶相类型无明显差异,都以透辉石Ca(Mg,Al)(Si,Al)_2O_6和普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)_2O_6为主晶相,以硅辉石CaSiO_3为次晶相;CaCO_3添加量由1%增至3%时晶相含量明显增加,而在3%~5%范围内晶相含量增加不大。随着CaCO_3含量增加,泡沫微晶玻璃晶体由不规则颗粒状变成针状和短柱状,泡孔孔径减小,气孔率和吸水率减小,体积密度和抗压强度增大,其中当CaCO_3含量为3%时泡沫微晶玻璃的综合性能最佳。

粉煤灰微晶玻璃制备工艺研究 篇5

微晶玻璃是把加有晶核剂(或不加晶核剂)的特定组成的玻璃在可控条件下进行晶化热处理而制备出的一种微晶相和玻璃相均匀分布的复合材料,具有优良的力学、热学、电学和化学等性能,在国防、电子、化工、机械工程和建筑等领域得到了广泛应用。

与天然石材装饰材料如大理石和花岗岩板相比,微晶玻璃建筑装饰材料具有强度高、硬度大、耐磨损、不吸水、防污抗冻和化学稳定性好等特点,广泛用作建筑物的内墙、地面、台面、柱石和外墙的装饰[1]。然而,传统的微晶玻璃制备工艺是采用化工原料,使得制品的成本较高。为了降低生产成本,提高市场竞争力,人们开展了利用赤泥、钢渣、煤矸石等固体工业废渣[2,3,4]制备微晶玻璃的研究,而作为排出量最大的固体废弃物之一,粉煤灰制备微晶玻璃也逐渐受到了人们的关注[5,6,7,8]。本文开展了以粉煤灰为主要原料,利用烧结法制备微晶玻璃的研究。

1 实验过程

1.1 实验原料与配方

粉煤灰采自郑州某电厂,化学成分分析结果如表1所示,X射线衍射分析如图1所示。

表1显示,该粉煤灰中Si O2、A12O3、Fe2O3的含量较高,而Ca O的含量低。在这些成分中,除Fe2O3会对玻璃的颜色产生不良影响外,其它成分对玻璃的形成是必要的。当然,粉煤灰中的铁、钛杂质离子又可作为硅酸盐玻璃中的晶核剂。XRD分析显示(图1),粉煤灰主要由玻璃相组成,同时含有少量的石英和莫来石晶体。

根据粉煤灰原料的化学成分,本实验选用Ca O-A12O3-Si O2系统作为基础玻璃配方组成。但是,由于粉煤灰中A12O3的含量较高,Ca O的含量较低,为了能制备出性能良好的粉煤灰微晶玻璃,必须引入其它原料调整Si O2、Ca O和A12O3的含量。此外,还须根据生产工艺调整基础玻璃组成。当然,在满足玻璃形成及析晶的基础上,最大程度地提高粉煤灰添加量是仍是本实验配方设计的首要目标,经过初步实验后,制定出如表2所示的微晶玻璃配方。

1.2 实验步骤

各种原料按表2配料、称量、球磨、干燥后,将混合料置入刚玉坩埚,用高温箱式电阻炉加热熔化,熔化温度为1300o C,熔制时间2h。熔体水淬后,球磨至74μm。将玻璃粉体与适量有机粘结剂混合,然后置于φ30 mm和4×5×40 mm的模具中压制成型。坯体干燥后,放入高温箱式电阻炉中烧结。最后,炉冷至室温。

1.3 样品测试与表征

利用STA 449C型差示扫描量热—热重(DSC—TG)仪对玻璃粉体进行热分析,从而确定核化、晶化温度。利用D/MAX-2550V型X射线衍射仪(XRD)分析样品的物相组成;利用CSM-950型扫描电子显微镜(SEM)观察粉煤灰微晶玻璃的显微结构。

根据阿基米德原理,采用排水法测定微晶玻璃样品的体积密度、显气孔率和吸水率;利用Z030型万能实验机,采用三点弯曲法测定样品的抗弯强度;利用HX-1000TM型显微硬度计测试显微硬度。

2 实验结果与讨论

图2是经过熔融、水淬、球磨所得玻璃粉的DSC曲线。其中,736℃的微弱吸热峰对应着微晶玻璃的核化过程;出现于960℃的最大放热峰可能是硅灰石晶化的结果。此外,在828℃和1010℃还出现两个小的放热峰,显示体系中还有其它晶相析出。由于核化峰较小且与最大的晶化峰相距较远,因此,本文采用类似一步法的烧结工艺,即不在核化温度保温,而是直接加热至晶化温度保温。另外,由于图2有三个晶化放热峰,因此,选择在晶化峰较大的828℃和960℃进行晶化处理。

图3是先在828℃晶化2h,然后再在960℃晶化2h的粉煤灰微晶玻璃的XRD图谱。可以发现,样品的主晶相为硅灰石(Ca Si O3),并含有少量钙长石(Ca Al2Si2O8)和钙铝黄长石(Ca2Al2Si O7)晶体。其它烧结制度所得样品的XRD图谱与此相似。显然,烧结坯体中的玻璃相大多已转化为晶体。

图4给出的SEM图显示,晶化温度和晶化时间不同,微晶玻璃样品的显微结构也不一样。总体看来,析出的晶体为针状和长柱状(图4a、图4b、图4e)。当在828℃晶化2h,再在960℃晶化2h后,晶粒较小且为粒状(图4d)。然而,当在828℃分别晶化1h、3h,然后再在960℃晶化3h时,晶粒均显著长大并呈现片状和板状(图4c、图4f)。

实验所得粉煤灰微晶玻璃的性能测试结果如表3所示。可以发现,当在828℃的晶化时间为1h时,改变960℃的晶化时间对样品的显气孔率、吸水率和体积密度均影响不大。然而,当在828℃的晶化时间从1h增加至2h以上时,无论再在960℃晶化多长时间,样品的吸水率、显气孔率均降低至零,而体积密度略有升高。

就样品的力学性能看,当先在828℃晶化1h,然后再在960℃分别晶化1h、2h的样品的抗弯强度均为116MPa左后,但前者的显微硬度较高,因此其耐磨性好。当在960℃的晶化时间延长至3h后,抗弯强度急剧下降至80MPa,显微硬度也降低至551MPa,这显然是晶粒长大的缘故(图4c)。当828℃晶化2h、然后再在960℃晶化2h时,样品的力学性能与828℃晶化1h、960℃晶化3h时的变化不大。当960℃的晶化时间延长为3h时,样品的抗弯强度提高至119MPa,显微硬度为597MPa,是所有样品中最高的。然而,当在828℃和960℃的晶化时间都增加至3h时,样品的力学性能又有较大幅度的降低,这显然是晶粒长大并转变为片状和板状的结果(图4f)。

3 结论

以粉煤灰为主要原料,采用烧结法可以制备出以硅灰石为主晶相,并含有钙长石和钙铝黄长石晶体的微晶玻璃。微晶玻璃的显微结构和性能随晶化温度和和晶化时间的变化而变化。其中,先在828℃晶化2h、然后再在960℃晶化3h的样品性能最好。

摘要：以粉煤灰为主要原料,采用烧结法制备出微晶玻璃。利用差示扫描量热仪(DSC)确定了核化温度和晶化温度。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究微晶玻璃的物相组成和显微结构。通过研究晶化温度和晶化时间对微晶玻璃性能的影响,发现在828℃晶化2h、960℃晶化3h时,微晶玻璃的性能最好,其抗弯强度、显微硬度分别达到119MPa和597MPa。

关键词：粉煤灰,微晶玻璃,显微结构,性能

参考文献

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[3]韩复兴,路静贤,李小雷等.多种工业矿渣微晶玻璃的研制[J].佛山陶瓷,2005,15(4):8-10

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[6]何峰,李钱陶,胡王凯等.粉煤灰在微晶玻璃装饰板材中的应用研究[J].武汉理工大学学报,2002,24(12):18-20

[7]程伟明,何涌,雷文.粉煤灰堇青石多孔微晶玻璃的初步研究[J].陶瓷科学与艺术,2002,(6):6～8

新工艺制备矿渣微晶玻璃初探 篇6

微晶玻璃是由基础玻璃经控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的材料[1]。微晶玻璃由于结合了玻璃和陶瓷的优良性能,因而作为结构材料、技术材料、光学和电学材料、建筑材料、装饰材料等广泛应用于电子、化工、生物医学、机械工程、军事、建筑及生活各个领域,具有广泛的应用前景。

对于矿渣微晶玻璃的开发研究,国外起步较早,早在20世纪60年代前苏联就开始尾矿微晶玻璃的研究,并实现了工业化生产,随后国内外许多学者对各种矿渣微晶玻璃的成分、结构和析晶等方面进行了广泛研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。目前制备矿渣微晶玻璃的方法主要有压延法、浇注法和烧结法等3种。压延法的在国内技术还不成熟,且生产中析晶难以控制,板材炸裂严重,成品率低。浇注法是将熔化澄清好的玻璃液浇注在模具上,再置于晶化炉中晶化和退火处理,浇注法对模具质量要求高,生产效率、成品率低,生产大规模板材困难,但对某些异形板的生产有一定优势。烧结法为日本首创,特点是将熔融的玻璃液水淬而得颗粒料与晶化分成二次烧成。烧结法目前最大的问题是表面层致密化深度浅(2 mm左右),内部气孔难以排除,板材容易变形(尤其是大规格板材),尽管国内许多学者对上述问题进行了大量研究,但至今仍未解决。

综上所述,现有3种制备矿渣微晶玻璃的方法都存在不同缺陷,比较而言烧结法技术相对成熟,目前矿渣微晶玻璃的制备绝大部分采用烧结法。本文在充分吸收浇注法和烧结法优点的基础上提出一种制备矿渣微晶玻璃的新方法,并以钽铌尾矿为主要原料进行了微晶玻璃研究。

1 试验

1.1 微晶玻璃的制备

试验主要原料为钽铌尾矿、碳酸钙、氧化铝和无水碳酸钠等,其中氧化铝和碳酸钙为工业级,无水碳酸钠为化学纯,钽铌尾矿来自江西宜春钽铌矿,其氧化物化学组成见表1。

%

以往的研究也表明,Ca O-Al2O3-SiO2系统应用在制备矿渣微晶玻璃上效果显著,适合基础玻璃成分的调整,以及主晶相的设计。因此,结合宜春钽铌尾矿的主要化学成分,考虑到尾矿利用率应尽可能高,本试验配方设计的理论都是基于CaO-Al2O3-SiO2系统的基础上。该系统中各氧化物的化学组成为:SiO2,40%～80%;Al2O3,10%左右;CaO,15%～30%;Na2O,5%～15%,基础玻璃的化学组成见表2。

%

将混合均匀的配合料装入刚玉坩埚中,然后放入硅钼棒箱式电阻炉中熔制,控制温度1450～1550℃,保温2 h,把熔制好的玻璃液从电炉中取出,倒入装冷水的铁桶中,玻璃液水淬成细小的玻璃颗粒,水淬过程中动作要迅速,冷却后把玻璃颗粒烘干,将烘干的玻璃颗粒过20目标准筛,筛上与筛下分开装入杯中备用。按上述步骤再熔制玻璃液,把熔制好的玻璃液从电炉中取出,然后玻璃液中加入一定量的水淬玻璃颗粒,迅速搅拌均匀,再浇注在600℃预热的不锈钢板上成型,最后放入450℃电炉中随炉冷却至室温,得到母体玻璃试样。母体玻璃经热处理后制得微晶玻璃。工艺流程见图1[13]。

1.2 表征

采用美国PE公司的PYRISDIAMOND TG/DTA型综合热分析仪,参比样为α-Al2O3粉,试验采用的样品为小于0.074 mm的玻璃粉。由室温开始,按照10℃/min速率升温至1000℃。根据玻璃的DTA曲线,分析玻璃的析晶特性。

物相分析采用日本理学miniflex型X射线衍射分析仪,采用Cu靶Kα线辐射(λ=1.54178),扫描范围为10°～100°,将经过不同制度处理过的玻璃样品进行研磨,取小于0.074 mm的粉末测定样品的XRD谱,然后利用Hanawalt方法检索JCPDS卡片,确定样品中含有的晶相种类。

采用日立公司的S-570扫描电镜观察各处理样品的组织结构和显微结构。采用1%的HF溶液对样品的抛光表面腐蚀30～60 s,然后镀上1层金或碳膜,进行观察。

2 结果分析与讨论

2.1 DTA分析

图2为玻璃试样的DTA曲线,TGC1为水淬玻璃试样,TGC2为水淬玻璃加入到熔体中混合后冷却得到的玻璃试样。

由图2可知,TGC1和TGC2都有较明显的析晶放热峰,析晶放热峰的温度分别为819.2、800.8℃,说明以该基础玻璃配方经过热处理后容易获得微晶玻璃,但经对比发现,TGC2试样的析晶放热峰更尖锐,且析晶峰温度更低。根据Rocherulle J[14]研究结果,晶化峰值温度越低和晶化峰的高度越高,热处理时晶核数目越多,即TGC2比TGC1更容易核化,同时也说明水淬玻璃加入可能会促进玻璃的析晶。

2.2 XRD分析

以TGC系列(TGC1采用烧结法,TGC2～9采用新工艺)试样做可行性试验,在这一系列试样中化学组成相同,加入的水淬玻璃粉末均为9.43%[水淬玻璃/(玻璃液+水淬玻璃)],所不同的是热处理制度,主要考察热处理制度对新工艺的可行性影响,详细的热处理工艺制度见表3。

各试样的XRD图及结晶相分别见图3及表3。

从表3可知,随着热处理制度的不同,析出的晶相差别很大。从TGC-1、TGC-2、TGC-3这一组可看出,尽管这一组的核化温度、核化时间和晶化温度都相同,变化的只是晶化时间,但主晶相却分别是Ca2Al2O5、Ca3SiO5和Ca3Al2O6;一般来说,随着晶化时间的减少,衍射峰的强度是逐渐降低的,但从图3可以看出,随着晶化时间减少,衍射峰的强度并不是逐渐降低,反而有所增强,这可能是由于随着晶化时间减少,析出晶相发生改变的缘故,Ca3Al2O6的量增加,而Ca2Al2O5的量减少。在TGC-4、TGC-5、TGC-6、TGC-7这一组中,主晶相开始为NaAlSiO4(霞石),随着晶化时间的减少,霞石的衍射峰强度降低,到TGC-7时,主晶相由霞石转变为SiO2。在TGC-8、TGC-9这一组中,由于晶化温度低,晶相比较杂乱,主要以霞石为主,但随着晶化时间的减少,结晶量也大大减少,在TGC-9中主要以玻璃相存在,晶相不明显。TGC-1与TGC-5、TGC-2、TGC-6与TGC-8,TGC-3、TGC-7与TGC-9比较可知,晶化温度低(750℃)时,首先析出的主晶相为NaAlSiO4,随着晶化温度上升到800℃,析出的主晶相仍然为NaAlSiO4,但上升到900℃时,析出的主晶相为Ca3Al2O6、Ca3SiO5或Ca2Al2O5。

2.3 SEM分析(见图4)

从图4可以看出,(1)各试样都出现结晶相,但还有较多的玻璃相。TGC-2晶粒分布最为均匀,且晶粒尺寸也较小,在1～5μm,微观结构相对比较致密,未见气孔出现,但TGC-4和TGC-6试样有大量微裂纹,且裂纹几乎贯穿了整个观察区域,这可能是由于冷却速度控制不当所致;(2)大部分晶相都是粒状结构或片状结构,这与XRD分析的结果一致;(3)几个试样的粒状晶粒表面都被一层大片状的结晶相覆盖。对比图4(b)和(c)可以看出,随着晶化时间的延长,结晶相的颗粒尺寸有所增大,这与晶体生长理论一致,说明晶化时间延长有利于晶粒长大;对比图4(c)和(d)可看出,随着晶化温度的提高,尽管二者结构相似,但晶粒长大并不明显,这可能与晶化温度相差太小有关。

3 结语

(1) 以钽铌尾矿为主要原料,选择CaO-Al2O3-SiO2系统为基础玻璃的配方依据,采用新方法来制备微晶玻璃在试验上是可行的,尾矿的用量可达43.38%。

(2) 采用新方法制得的母体玻璃比水淬玻璃有更低的析晶峰温度,且析晶放热峰更尖锐,有利于核化,说明水淬玻璃加入可能会促进玻璃的析晶。

(3) 采用新方法制备微晶玻璃,热处理制度的变化会影响玻璃的析晶转变过程和微晶玻璃的微观结构。

摘要：目前制备矿渣微晶玻璃的方法主要有压延法、浇注法和烧结法,在充分吸收浇注法和烧结法优点的基础上,提出一种制备矿渣微晶玻璃的新工艺。并以钽铌尾矿为主要原料,基础玻璃组成选择在CaO-Al2O3-SiO2系统的玻璃形成区内,利用DTA、XRD和SEM等测试方法研究了热处理工艺制度对晶化过程、晶相组成、显微结构的影响。结果表明,采用新工艺制备微晶玻璃在实验室是可行的,热处理工艺制度的变化会影响玻璃的析晶转变过程和微晶玻璃的微观结构。

微晶玻璃的制备、分类及应用评述 篇7

随着社会的飞速进步和现代科技的不断发展, 人们对新产品、新技术的需求也越来越大。而支撑这些新产品和新技术的关键因素归根结底为新材料, 正是那些不断发明和使用的新材料在日益改变着人们的生活。在这些诸多新材料中, “微晶玻璃”扮演着一个重要的角色。1953年, 美国康宁公司申请了第一个微晶玻璃的专利[1]。随后, 他们又迅速将其发展成为一种装饰材料。20世纪60年代至70年代, 美国、前苏联、日本等国家生产出了多种微晶玻璃装饰板。我国在90年代初才获得制备微晶玻璃装饰板的关键技术[2]。早期的微晶玻璃只是作为结构材料用于建筑装饰方面。随着科学技术的进步, 微晶玻璃也逐步作为功能材料应用于各种尖端领域。

微晶玻璃, 也称玻璃陶瓷, 一般是指对添加了成核剂的具有特定组成的基础玻璃进行热处理后所得的微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料。微晶玻璃同时具有玻璃和陶瓷的优点, 并且这些优异性能是许多常规材料难以达到的。它的制造工艺与普通玻璃的相近, 但其特性却与普通玻璃截然不同。微晶玻璃中微晶体的大小一般可从10纳米到几微米, 晶体数量可高达50%~90%。因此, 微晶玻璃具有高机械强度、低电导性、良好的可加工性、耐化学腐蚀等优良性能。微晶玻璃自问世以来, 就以成分复杂、种类繁多而著称。这不仅是由于其组成成分有很大的选择空间, 而且即使成分相同, 当热处理制度不同或选择的晶核剂不同时, 制备得到的微晶玻璃在性能上也有很大的差异。

自微晶玻璃问世以来, 其研究和发展高歌猛进。截至目前已报道的微晶玻璃有1 000多种, 其应用遍及建筑、电子、生物、医学、国防等诸多领域, 并且具有巨大的发展前景。更重要的是, 制备微晶玻璃的原料可以是粉煤灰、煤矸石、废玻璃、各种尾矿矿渣和炉渣废弃物等, 这就实现了变废为宝, 为解决环境污染和资源的重复再生利用提供了一条良好途径。

2 微晶玻璃的制备方法

目前, 制备微晶玻璃的方法主要有以下三种:第一, 对通过熔融法制得的基础玻璃进行热处理得到微晶玻璃, 该方法简称为熔融法。第二, 通过溶胶-凝胶法制得干凝胶进行热处理而制得微晶玻璃, 该方法简称为溶胶-凝胶法。第三, 通过原料的混合、压型、干燥和烧结得到微晶玻璃, 该法简称为烧结法。

2.1 熔融法

微晶玻璃最初即是由熔融法制备得到的。该方法至今仍然是制备微晶玻璃的主要方法。该方法的首要条件是基础玻璃要具有析晶的能力。通常情况下, 在原材料中加入适量的形核剂从而使玻璃在热处理过程中充分完成形核, 形核后继续升高温度使晶核长大成微晶体。采用熔融法制备微晶玻璃时, 通常都要经历形核和晶化两步。当然也有部分析晶能力较强的玻璃在加热过程中即可完成核化, 这种情况下, 将样品直接加热到晶化温度即可获得微晶玻璃。

对于给定成分的基础玻璃, 其晶核剂的选择至关重要。通常, 制备微晶玻璃的成核剂为金属氧化物、硫化物、氟化物等。良好的晶核剂需具备以下性能:首先, 在玻璃熔融阶段需具有很好的溶解性, 而在热处理阶段应具有较小的溶解性;其次, 晶核剂质点需要较容易地在玻璃中扩散;第三, 晶核剂与初晶相的晶格参数要相差较小, 一般在15%以内。

熔融法制备微晶玻璃有诸多优点:第一, 可以采用任何一种玻璃的成形方法, 这将有利于生产各种形状复杂的制品, 同时也便于机械化生产;第二, 玻璃成分的调制范围可以很宽;第三, 所得到的制品致密度高且无气孔。但是, 该方法也有其不足之处:熔制温度通常都在1 400℃以上, 能耗较大;在实际生产中, 晶化温度高, 时间长, 热处理制度较难控制。

2.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是在近期才发展起来的一种制备玻璃微晶的新方法, 该方法能有效替代高温固相合成反应。通过溶胶-凝胶技术制得预设成分的凝胶, 进一步对凝胶做干燥处理得到干凝胶, 最后再经过热处理使其转化为想要得到的固体材料。近年来, 该方法作为一种新技术广泛应用于陶瓷和玻璃等材料领域。溶胶-凝胶法制备微晶玻璃的优点包括:原料可以在液态下实现分子级的混合, 因而得到的材料的均匀性也更佳;该方法可以在较低温度甚至室温下完成, 较熔融法的温度低很多;该方法获得的材料更纯;该方法还很容易调控材料结构, 易于制得各种复相材料。该方法的缺点是生产周期较长、成本较高且烧结过程中制品易变形。

2.3 烧结法

烧结法是一种通过传统的烧制陶瓷的方法来制备微晶玻璃的方法。1962年, Schonborn等[3]首先提出了利用这种方法制备微晶玻璃。该方法的工艺流程如下:

烧结法的优点包括:熔融时间短, 温度相对较低;经过水淬后的玻璃粉末更容易晶化, 可以制得晶相含量较高的微晶玻璃;生产过程易控制, 有利于机械化和自动化生产;另外, 该方法制备的产品质量好, 成品率高, 并且规格可控性好。当然, 烧结法也存在一定的缺点:首先, 在冷却过程中, 微晶玻璃中晶相和玻璃相间会产生应力, 最终给产品带来一定的缺陷;其次, 使用该方法时, 材料内部气孔难以排除, 容易导致烧结变形, 同时也大大降低了产品的成品率。

3 微晶玻璃的分类

微晶玻璃有多种分类方法。从微晶化原理上可分为光敏型和热敏型微晶玻璃;从透明度上可分为透明和非透明微晶玻璃;按照材料性能可分为高强度、耐磨损、耐高温、强磁性、低膨胀、易加工、低损耗和易生物相容等微晶玻璃;按基础玻璃成分可分为硅酸盐、氟硅酸盐、铝硅酸盐、磷酸盐等微晶玻璃。

3.1 硅酸盐微晶玻璃

硅酸盐微晶玻璃主要是由碱金属或碱土金属的硅酸盐晶相组成, 这些微晶玻璃的性能往往由这些晶相的性能决定。碱金属硅酸盐微晶玻璃主要是以锂硅酸盐作为基体材料, 通常还添加少量的氧化物 (如Na2O、K2O、B2O3、Al2O3、Zn O等) , 添加物的质量分数一般小于5%。该体系微晶玻璃通常使用的形核剂为P2O5, 所形成的主晶相为Li2Si O3或Li2Si2O5, 以及各种Si O2相, 如:石英、方石英、鳞石英等。这类微晶玻璃通常可用于与金属材料的封接。

3.2 氟硅酸盐微晶玻璃

常见的氟硅酸盐微晶玻璃主要有四个体系:Si O2-R2O3-Mg O-RO-R2O-F、Si O2-Al2O3-Mg O-Ca O-Zr O2-F、Si O2-Ca O-R2O-F、Si O2-Mg O-Ca O-R2O-F, 它们的主晶相分别为云母、云母和二氧化锆、硅碱钙石、闪石。就Si O2-R2O3-Mg O-RO-R2O-F体系来说, 该类微晶玻璃还可分为金云母和四硅云母微晶玻璃。氟硅酸盐微晶玻璃具有良好的可加工性和生物相容性, 可用于制造耐火纸、电和热的绝缘体、电容器、催化剂载体、建筑装饰材料等。

3.3 铝硅酸盐微晶玻璃

国内外科研工作者对该系统微晶玻璃进行过大量的研究, 最常见的体系有Li2O-Al2O3-Si O2、Na2O-Al2O3-Si O2、Mg O-Al2O3-Si O2、Ca O-Al2O3-Si O2、Ba O-Al2O3-Si O2、Cu O-Al2O3-Si O2等。该系列微晶玻璃主要以锂、镁、钙或钡铝硅酸盐为基体材料, 通常所使用的形核剂为Ti O2、Zr O2或二者的混合物。该系列微晶玻璃的主晶相包括二氧化硅、β-石英 (Si O2) 、β-锂辉石 (Li Al (Si O3) 2) 、β-锂霞石 (Li2O·Al2O3·2Si O2) 、堇青石 (Mg2Al4Si5O18) 、硅灰石 (Ca Si O3) 、榍石 (Ca Ti Si O5) 、钡长石 (KAl Si3O8) 和顽辉石等。其中, Mg O-Al2O3-Si O2和Ba O-Al2O3-Si O2体系具有高强度、低介电常数、低介电损耗等诸多优良特性。该系统微晶玻璃广泛应用于建筑材料、餐具、代石英玻璃、天文望远镜镜坯、高温热交换器、辐射档板等。

3.4 磷酸盐微晶玻璃

磷酸盐微晶玻璃成本较高, 且其耐化学浸蚀性较差, 因此在商业上的重要性比同类硅酸盐低。然而, 许多磷酸盐具有生物相容性这种独特的优点, 这也使得它在某些特定应用领域优于硅酸盐。常见的硅磷酸盐系统有以下七种:Si O2-Ca O-Na2O-P2O5、Si O2-Mg O-Ca O-P2O5-F、Si O2-Mg O-Na2O-K2O-Ca O-P2O5、Si O2-Al2O3-Mg O-Ca O-Na2O-K2O-P2O5-F、Si O2-Mg O-Ca O-Ti O2-P2O5、Si O2-Al2O3-Ca O-Na2O-K2O-P2O5、Si O2-Al2O3-Ca O-Na2O-P2O5-F, 它们的主晶相包括磷灰石、硅灰石、云母、钛酸镁、白榴石等。

4 微晶玻璃的应用

微晶玻璃具有诸多优异性能, 如:机械强度较高、耐化学腐蚀、热膨胀性可控、抗热震性好、电绝缘性佳、低介电损耗等优越的物理化学性能。这也使得该类材料不仅具有良好的经济效益, 而且在某些场合更有希望代替许多传统材料。目前, 微晶玻璃已经在诸多领域得到了广泛应用。

4.1 建材领域

建筑用微晶玻璃是一种新型的绿色装饰材料, 该材料已迅速发展成为最具应用前景的建筑装饰材料。由于其优异的综合性能, 其各方面的装饰效果甚至全部优于玻璃、瓷砖、大理石板材和花岗石等传统材料。该类材料具有较高的硬度和强度, 并且体积密度较低, 几乎不吸水, 耐酸碱腐蚀, 抗冻, 无放射污染, 镜面效果好。因此, 随着技术的不断进步, 微晶玻璃可以广泛作为结构材料、热绝缘材料等应用于建筑装饰领域。

4.2 机械工程领域

微晶玻璃具有耐高温、抗热震、耐浸蚀、耐磨、不导电、不导磁等特性, 这些性质是传统金属难以企及的。另外, 作为结构材料, 微晶玻璃在强度高的同时还具有易切削的性能。因此, 通过综合利用其力学和热学性能, 我们可以制造出各种满足机械力学要求的关键材料。目前, 在机械工程领域, 微晶玻璃已经广泛应用于旋转叶片、活塞、吹具等方面, 甚至在航空航天等高端应用场合, 如飞机、火箭、人造地球卫星上也出现了微晶玻璃的身影。

4.3 光学领域

某些特定的微晶玻璃具有低膨胀和零膨胀的特性, 它们对温度的变化特别不敏感, 这使得其在对尺寸变化要求特别敏感的领域得到了应用, 如望远镜和激光器外壳。近年来研发出的用锂系微晶玻璃材料制造出的光纤接头, 它表现出的性能远远优于传统使用的氧化锆材料, 因为它的硬度和热膨胀系数与石英玻璃光纤的更为匹配, 并且更易于高精度加工, 还能保持良好的环境稳定性。另外, 某些用金、银作核化剂的微晶玻璃具有较好的光学敏感性, 因此可以起到“显影”的作用。从而这些微晶玻璃在光纤放大器、透红外仪表、激光导航陀螺仪、光敏电阻、光太阳能电池等方面得到广泛应用。

4.4 电子领域

微晶玻璃具有膨胀系数可调的优势, 它可以实现从负膨胀到100×10-7/℃以上的热膨胀系数, 这使得它可以实现与很多材料膨胀特性相匹配, 因此可以制备各种微晶玻璃基板、电容器及高频电路。其中Mg O-Al2O3-Si O2系微晶玻璃已经大量应用于电子材料和航空领域。某些微晶玻璃还具有独特的介电性能, 它们在精密部件、电子、航空领域具有广泛的应用前景。另一种新型的功能材料———极性微晶玻璃, 它含有定向生长的非铁电体极性晶体, 因此同时具有压电和热释电性能, 该类材料在超声、水声等领域有广阔的应用前景。

4.5 生物医学领域

许多微晶玻璃尤其是磷酸盐微晶玻璃具有良好的生物相容性。经过模拟体液浸泡的钙铁硅铁磁体微晶玻璃, 其表面生成了碳酸羟基磷灰石, 该材料具有良好的生物活性和强磁性能, 能起到人体骨骼修复和温热治癌作用。此外, 以Ti O2 (PO4) 3-0.9Ca3 (PO4) 2为基体的多孔微晶玻璃具有良好的抗菌作用;将Ag离子载入Li Ti2 (PO4) 3磷酸盐多孔微晶玻璃后也实现了其抗菌剂方面的应用。主晶相为云母的微晶玻璃已经作为牙齿和脊骨的替代物实现成功应用, 使用Zr O2增韧的Ca O-Al2O3-Si O2微晶玻璃也十分有望作为一种新型的牙科材料实现应用。另外, 人们利用微晶玻璃的抗热冲击性得到的红外辐射, 已实现在医疗保健产品中的应用。微晶玻璃义眼是目前世界性能最佳的义眼材料。

4.6 化学化工领域

微晶玻璃具有良好的化学稳定性, 它因其几乎不被腐蚀的特性而广泛地应用于化工领域。在盛装和输运腐蚀性液体方面, 微晶玻璃可作为槽或者管道, 具有良好的效果。在新能源和控制污染应用领域, 微晶玻璃也找到了其相应的用途, 例如在硫化钠电池中, 微晶玻璃可以作密封剂;在喷射式燃烧器中, 微晶玻璃可作为过滤器以消除汽车尾气中碳氢化合物。

4.7 其他领域

在核工业方面, 微晶玻璃已经用作制造核反应堆的控制棒、核反应堆密封剂、核废料存储装置。此外, 利用某些云母微晶玻璃的记忆效果, 人们还开辟出了微晶玻璃在记忆材料方面的应用。同时, 人们还利用一些低膨胀、高强度微晶玻璃, 制造出了炊具、餐具等日用品。

微晶玻璃的应用领域是十分广泛的, 随着人们的更进一步研究, 必将发现更多新的应用领域。

5 结语

作为一类重要的无机非金属材料, 微晶玻璃的某些独特性能是其他材料无可比拟的。近年来, 微晶玻璃在组成、核化、晶化、工艺与应用开发等方面都取得了重大进展, 并有大量的材料已经实现商品化, 为了进一步推动微晶玻璃的应用, 可以在以下方面做更深入的支持和研究: (1) 国家和政府加大对微晶玻璃研究单位的经费支持力度, 以生产出具有更高科技含量的微晶玻璃材料; (2) 研究单位要大胆尝试、勇于创新, 在充分了解微晶玻璃结构-组成-性能关系的基础上, 进一步开发出具有高技术含量的微晶玻璃材料, 努力做到降低成本, 并形成规模化生产所需的工艺技术; (3) 大力开展微晶玻璃作为功能材料方面的应用研究, 实现变废为宝, 从工业废料中提炼出具有更高附加值的产品。

摘要：微晶玻璃是一种将基础玻璃进行热处理而制成的微晶体与玻璃体均匀分布的复合材料。由于其独特且优良的物理和化学性能, 已在建筑、光学、电子、生物医药、国防等诸多领域得到了广泛的应用。本文重点介绍了微晶玻璃的制备方法、种类及其应用。

关键词：微晶玻璃,制备,分类,应用

参考文献

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[4]张常建, 肖卓豪, 卢安贤.透明微晶玻璃的研究现状与展望[J].材料导报, 2009, 23 (7) :38.

低成本微晶玻璃的研究与应用 篇8

1 试验

1.1 配比设计

以β-硅灰石为主晶相的CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃[1]的主要成分为SiO2、Al2O3、CaO、ZnO、BaO、Na2O, 氧化锌在其中起着助熔、降低体系膨胀系数、促进析晶、增加板面光泽度等作用。鉴于氧化锌的以上作用, 考虑用同它具有近似作用的氧化物等量替代。

经过在元素周期表中的筛选, 确定了两种替代氧化物——BaO和SrO[2]:BaO能加速玻璃熔化, 促进析晶, 且能增加玻璃折射率、光泽度和化学稳定性, SrO除具有与BaO的类似作用外, 对玻璃膨胀系数的影响介于ZnO与BaO之间, 能缓解BaO增加量对玻璃体系膨胀系数的影响。BaO、SrO添加量的选择:少量的BaO能加速玻璃的熔化, 且有促进析晶的作用, 但添加量过多时, 反而使玻璃液澄清困难, 且析晶量增加, 晶体过分长大, 影响微晶玻璃的结构稳定性;SrO添加过多会增加玻璃液的高温粘度, 导致水淬工艺难以操作。根据以上理论分析, 最终确定了试验的四个配比, 其中0#配方是原基础配方。

1.2 熔化、晶化试验

1.2.1 基础玻璃的熔制

按表1的配比计算其原料用量, 各配方称量配合料600克, 充分混合均匀, 分别装入500毫升的高铝坩埚中;熔制设备选用硅钼棒电阻炉;温度为1510℃;时间5h。熔制好的玻璃液在室温 (20℃) 下水淬成0-5mm玻璃颗粒;各配比的熔化效果见表2。将制得的玻璃颗粒烘干, 过筛后取1-2mm粒度料, 每25克装入小瓷舟若干, 待晶化。

1.2.2 晶化处理

晶化曲线的设定:0-850℃, 升温速率20℃/min;到850℃时保温0.5h;850℃-960℃, 升温速率20℃/min;到960℃时保温1h;960℃-1100℃, 升温速率20℃/min;1100℃, 保温1h。各配比的晶化效果见表3。

1.2.3 精确晶化参数的确定

通过对比, 配方2的熔化、晶化效果优于其他3个配方, 故确定配方2为新基础配方。基础配方变动, 其具体晶化温度点也必然变动, 为更准确地掌握新配方的晶化温度, 摸索出对应的晶化曲线以指导生产, 用配方2做晶化曲线摸索, 具体步骤如下。

(1) 将配方2水淬后的玻璃料装入若干小瓷舟中, 同时放入设置好温度程序的梯度炉内;

(2) 以20℃/min为升温速度, 从750℃开始每隔10℃保温1h;从850℃起每隔20℃保温1h;每次保温结束后取出一个小瓷舟急冷, 观察玻璃体的表面玻璃料颗粒形状、粘结情况、透明状况, 流平情况。

(3) 观察小舟情况发现:

760℃:玻璃料粒棱角变圆始粘结。

840℃:玻璃料表面成半圆状, 体积收缩变大, 整个玻璃料块清澈透明, 基本无析晶现象。

850-890℃:表面始失透, 目测约10%左右, 断层颗粒界面初析晶, 颗粒中心透明。

890-970℃:表面失透开始明显增多, 至970℃表面析晶目测达到80%, 断层颗粒界面至中心逐渐失透。

990-1050℃:表面析晶目测达到100%, 基本无差异, 断层颗粒界面至中心逐渐失透至界面完全消失, 与中心颜色一致。

1050-1090℃:表面、断层均完全析晶, 基本无差异。

1110℃:表面始失透。

(4) 结论:870℃为核化温度, 需要短暂保温使核化完全;870℃-990℃充分核化阶段, 应该缓慢升温;990℃-1050℃析晶阶段, 1050-1110℃是晶体长大阶段, 这两过程基本同时进行。

2 结果分析

2.1 微晶玻璃的XRD谱分析

通过到山东大学环境学院分析所对配方2试样进行XRD谱分析, 与X射线粉末衍射数据卡片中β-硅灰石的标准d值进行对照, 可以判断低成本配方微晶玻璃试样析出的晶体是β-硅灰石, 与现生产微晶玻璃析出晶体相一致。根据报告结果显示, 配方2微晶玻璃析出的晶体含量稍高, 为50%左右 (原配方为40%左右) 。

2.2 微晶玻璃的各项理化性能分析

将配方2晶化后试样送到国土资源部济南矿产资源监督检测中心进行物理性能检测, 结果如表4。

由表4可见, 低成本配方微晶玻璃试样的各项物理性能指标均满足建筑用微晶玻璃的性能使用要求。

3 结论

(1) 实验证明低锌配方微晶玻璃是可行的, 通过成本核算, 每平方微晶玻璃生产成本降低15元左右。

(2) 低锌配方投产后, 其生产情况与中试试验情况相符, 产品质量稳定。

(3) 低锌配方的正常生产为下一步无锌配方微晶玻璃的生产提供了一种可能性思路。

摘要：针对微晶玻璃的原料成本结构, 以降成本、稳性能为目标, 对微晶玻璃的基础配方进调整, 同时摸索新基础配方的烧成曲线。

关键词：微晶玻璃,低成本,氧化锌

参考文献

[1]程金树, 李宏, 汤李缨等.微晶玻璃[M].北京:化学工业出版社, 2006.1.

微晶玻璃压延成型机压辊部件设计 篇9

微晶玻璃又名玻璃陶瓷 (glass ceramic) 或微晶陶瓷, 是新型微晶材料的一种, 将加有成核剂 (个别也可不加) 的特定组成的基础玻璃或其它材料在加热过程中进行控制晶化而得到的一种含有大量微晶体和玻璃体均匀分布的复合固体材料。它兼有玻璃和陶瓷的优点, 具有许多常规材料难以达到的优异性能, 如高机械强度、低电导性、良好的可加工性、耐化学腐蚀等。微晶玻璃主要有四种工艺方法:压延法、烧结法、浮法和渗胶—凝胶法。压延法生产微晶玻璃是指将原材料 (矿渣) 按一定化学组成的配合料熔化成矿渣玻璃, 经成型机成型为制品后, 再经过热处理过程生长成微晶玻璃结晶材料。其生产工艺流程如下:配合料制备→玻璃熔制→压延成型→热处理→冷加工→成品。

国内压延法生产建筑微晶玻璃起始于20世纪80年代中后期, 通过技术交流方式, 获得了一些微晶玻璃压延成型机的设计资料, 在此基础上进行改进设计。目前我国对建筑微晶玻璃的发展速度较快, 现已初具规模。但在生产和市场方面仍存在着微晶玻璃的生产技术和工艺尚不完善, 综合能耗高等问题。

设计的原始参数:

本次设计是根据国内微晶玻璃生产中存在的问题, 设计一台高速、高生产率和低成本的微晶玻璃压延成型机。此设备生产的微晶玻璃幅宽为0.9m, 厚度在8~14mm之间, 预计出料速度在20~100m/h, 年产量:70万m2, 比重:2.7g/cm3, 合格率:90%, 成品率:70%。

1 总体设计方案的拟定

压延法是指两个压辊将从玻璃窑炉里出来的熔融态玻璃液辊压成型的生产方式, 压延生产方式具有生产效率高, 生产工艺简单等优点, 能够实现连续压延而具有更高的生产率, 在微晶玻璃生产行业里得到广泛应用。压延机根据两个压辊的布置方式不同可分为三类:即水平布置、垂直对正布置和倾斜布置。水平布置方式在成型玻璃板引辊的牵引下即可实现退火等热处理。但是其垂直方向的尺寸比较大, 布置困难。而且两压辊应安置在玻璃窑炉内, 工作环境恶劣, 冷却困难, 不利于维修。垂直对正布置方式对成型玻璃板引出较为方便, 但是对玻璃液的引入困难。倾斜布置方式对玻璃液的引入和引出均较方便, 故本次设计采用倾斜布置方式如图1所示:

根据以上对压延成型机的分析, 本次设计采用压辊垂直倾斜布置方式。根据设计原始参数, 本压延成型机应包括压辊支架、上辊调节机构、机架、整机的上下调节机构、出料槽和机座。现具体拟定设计方案如图2所示:

根据设计原始参数, 本压延成型机应包括压辊支架、上辊调节机构、机架、整机的上下调节机构、出料槽和机座等。

2 压辊结构设计及材料选则

压辊是压延成型机的工作部件, 它直接将玻璃辊压成型。熔融态微晶玻璃可达1300℃并且具有弱酸腐蚀性, 故压辊承受着玻璃液的高温和腐蚀。为提高产品的质量, 压辊部件在结构设计和材料选择是要能够提高压辊的高温特性。

2.1 结构设计

为提高压辊的高温特性, 我们考虑对压辊内通冷却液进行冷却。按生产实际中用冷却水作为冷却液, 效果较好, 因此我们选用冷却水作为冷却液。但是压辊在工作时, 冷却水进水管不能随压辊一起运动, 而且冷却系统的密封要良好。所以在结构设计是运动分离和密封成为主要要解决的问题。

因为上下辊工作原理相同、结构相似, 现只对上辊结构设计进行讨论。根据总体布局图及上辊结构设计时解决的问题, 设计出上辊结构如图3, 下辊结构如图4:

下面对方案的可行性进行分析:

(a) 运动分离。从图中可见, 左右半轴与支架之间通过滑动轴承实现了运动分离;管接头与锥接头之间通过滚动轴承实现了运动分离。

(b) 密封。管接头与锥接头因离压辊工作区较远, 故它们之间采用通用的毡圈密封即可。锥接头与左右半轴之间通过锥接头本身的锥度即可实现密封。左右半轴与连接法兰之间采用焊接, 故不存在泄漏。考虑到辊筒是易损件, 上辊更换相对频繁, 而且将上辊进行雕刻就可以生产压花玻璃等其它规格的玻璃, 为了降低更换成本辊筒与连接法兰之间不宜采用焊接;该处密封离工作区较近, 不宜采用通用的橡胶垫圈密封;此处采用铜垫圈有效的解决了以上问题。

(c) 本方案中锥接头的使用, 使更换辊筒时无需拆卸管接头与锥接头之间的联接, 既提高了更换效率, 又使滚动轴承免去频繁拆卸, 从而提高它们之间联接的可靠性。

(d) 为能生产出各种厚度规格的微晶玻璃, 在上辊设计一螺旋调节机构来调节上下辊之间的距离。因为此调节只在更换产品规格时使用, 故采用人工调节方式。

综上分析, 此方案能够满足设计要求。

2.2 压辊材料选择

根据前面分析, 压辊的材料应该具有耐高温、耐腐蚀性的能力。经过查阅资料, 高温不锈钢1Cr18Ni9Ti能耐约1000℃的高温, 但是对辊筒再通水冷却就能够满足此要求。株洲玻璃厂的压延机辊筒采用该材料并对辊筒通水冷却取得良好的效果。因此我们选用1Cr18Ni9Ti作为辊筒的材料。

3 结论

传动系统采用两级传动。第一级用减速器传动;第二级采用链传动。因为本设计对象是以传递动力为主, 不宜采用带传动;且传递距离较远, 不宜采用齿轮传动;结合设计对象以上两特点, 所以第二级采用链传动。采用链传动时, 我们用一条链条将上下压辊与减速器输出轴连在一起, 使上下压辊的转速比保持稳定。通过对压辊的变形和各主要零件进行强度校核计算, 上下压辊的变形量均小于0.5mm, 在误差的允许范围内, 各主要部件的强度均满足设计要求。

摘要：本文通过对微晶玻璃及其生产工艺发展现状的了解, 为适应当前对微晶玻璃的大规模需求, 设计出一台高速、高生产率、低成本的微晶玻璃压延成型机。根据总体设计方案, 压辊部件采用两压辊垂直倾斜的布置方式。在压辊部件设计时, 首先通过对压辊部件工作性状进行了分析, 即压辊应具有耐高温、耐腐蚀的能力。接着为提高压辊的高温特性, 从压辊材料选择和结构设计两方面进行了深入地探讨。在压辊材料方面, 选用高温不锈钢1Cr18Ni9Ti。在结构设计方面, 设计中空的压辊, 在其内部通水冷却;通过滑动轴承和滚动轴承配对使用, 有效的实现了进水管与压辊之间的运动分离;在上辊设计一个螺旋调节机构来调节两压辊之间的距离, 从而实现生产不同厚度规格的微晶玻璃。通过对生产实际的实地考察, 证明此设计方案能有效地提高压辊部件的高温特性。

关键词：微晶玻璃,压延,压辊,高温特性

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