稀土摻雜對Na2O-CaO-SiO2系玻璃結(jié)構(gòu)與性能的影響.pdf

1、高溫熔體的物性對于高溫行業(yè)來說是制定工藝參數(shù)非常重要的依據(jù)之一。特別是對于煉鐵、煉鋼、玻璃熔制以及陶瓷燒結(jié)等過程至關重要,因此在過去半個世紀有關人員對高溫熔體的物理化學性能進行了大量的研究。其中高溫熔體粘度的研究尤為突出。玻璃生產(chǎn)的各個階段,從熔制、澄清、均化、成形、加工,直到退火的每一工序都與粘度密切相關。稀土元素由于其特殊的4f電子層結(jié)構(gòu)在光、電、磁等物理方面表現(xiàn)出特殊的性能,被譽為開發(fā)新功能材料的寶庫。稀土在玻璃中的應用有大量的研

2、究報道,但是稀土對玻璃高溫物性的影響卻鮮有報道。此外,平板玻璃風化是一個世界性的普遍問題,對玻璃使用危害極大。玻璃風化會影響許多使用性能如降低玻璃的透明度及機械強度,影響光學性能,外觀惡化,嚴重的發(fā)霉甚至在包裝箱中會出現(xiàn)粘片、整箱玻璃報廢等問題,同時也不能再用于鍍膜、制鏡等深加工工序。
　　 針對以上問題,本文以普通Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃為研究對象,利用傅立葉變換紅外光譜儀和激光拉曼光譜儀等測試手段研究稀土摻雜列N

3、a2O-CaO-SiO2系平板玻璃結(jié)構(gòu)的影響,利用熱膨脹儀和高溫旋轉(zhuǎn)粘度儀等測試手段研究稀土摻雜對Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃熱膨脹性能、高溫粘度、玻璃熔制溫度及料性的影響,利用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、酸度計、光學顯鐒鏡、電子顯微鏡和能譜分析儀等測試手段研究稀土摻雜對Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃化學穩(wěn)定性和風化性能的影響。經(jīng)過系統(tǒng)地研究稀土摻雜對Na2O-CaO-SiO2系平板玻璃的結(jié)構(gòu)、流變學性能、化學穩(wěn)定性及抗風化

4、性能等的影響,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):
　　 La2O3、CeO2、Gd2O3、Y2O3等稀土氧化物的摻雜使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃結(jié)構(gòu)中具有不同非橋氧的結(jié)構(gòu)單元Qn之間發(fā)生一定的轉(zhuǎn)換、非橋氧增多、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)鏈接程度降低,稀土氧化物作為網(wǎng)絡修飾體存在玻璃結(jié)構(gòu)中,提供非橋氧。隨著Gd2O3摻雜量的增加,Na2O—CaO-SiO2系玻璃中結(jié)構(gòu)單元Qn分布寬度先變寬后變窄；隨著Y2O3摻雜量的增加,Qn分布寬度先變窄后變寬。Gd2O3和

5、Y2O3復合摻雜使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃中非橋氧數(shù)增加,網(wǎng)絡連接程度降低,但是Gd2O3和Y2O3復合摻雜的作用并沒有Gd2O3或Y2O3單獨摻雜的作用明顯。隨著溫度的升高,FG和FGG玻璃中非橋氧數(shù)逐漸增加,網(wǎng)絡連接程度逐漸降低。
　　 摻雜1mol％的非鑭系元素(Y2O3)使得Na2O-CaO-SiO2玻璃的熱膨脹系數(shù)稍有減??；摻雜1mol％的鑭系元素(La2O3、CeO2、Pr6O11、Nd2O3、Eu2O3、

6、Gd2O3和Yb2O3)使得Na2O-CaO-SiO2玻璃的膨脹系數(shù)都增大,且隨著對應鑭系陽離子場強的增大而減小(FGN樣品除外)。La2O3、CeO2、Pr6O11、Eu2O3、Gd2O3、Yb2O3和Y2O3等稀土氧化物的摻雜均降低了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度與對應的熔制溫度,其中Gd2O3的效果最為明顯,Y2O3的效果次之；而Nd2O3的摻雜增大了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度(1100-1400℃)、

7、降低了熔制溫度。少量Y2O3取代等量的Gd2O3使得Na2O-CaO-SiO2系玻璃的高溫粘度及相應的熔制溫度增大,隨著Y2O3取代量的逐步增加,Na2O-CaO-SiO2系玻璃高溫粘度及熔制溫度又逐步降低。稀土氧化物的摻雜縮短了Na2O-CaO-SiO2系玻璃的料性,隨著Gd2O3和Y2O3摻雜量的增加,玻璃的料性逐漸變短,脆性動力學指數(shù)逐漸增大。
　　 發(fā)現(xiàn)了稀土摻雜對Na2O-CaO-SiO2玻璃中堿金屬離子R+(主要是N

8、a+)的壓制效應,抑制了R+與H+(或H3O+)之間的交換作用,從而提高了玻璃的化學穩(wěn)定性。其中La2O3、Nd2O3、Gd2O3和Y2O3的摻雜對該玻璃化學穩(wěn)定性的提高最為顯著。發(fā)現(xiàn)了影響稀土摻雜提高Na2O-CaO-SiO2玻璃耐酸性和耐堿性主要因素是摻雜稀土離子的半徑及陽離子場強的大小。當Gd2O3和Y2O3的總摻雜量一定時,隨著Y2O3逐步取代Gd2O3的過程中鈉鈣硅平板玻璃的耐水性并沒有單調(diào)地增大或減小,而是出現(xiàn)了類似于硅酸鹽