析晶促進劑對微晶玻璃性能的影響

滕穎麗

（大連交通大學，遼寧大連116028）

1 引言

微晶玻璃材料不僅具有強度高、硬度大、耐腐蝕等特點，而且也實現了資源循環利用。因此，研究析晶促進劑對微晶玻璃材料性能的影響，具有非常重要的意義。

2 試樣制備與實驗方法

2.1 試樣制備

在6％CaF2為基礎，添加其它類型的析晶促進劑。實驗中微晶玻璃含量的具體配比如表1所示。將按配比稱量好的原料放入球磨罐中，在球磨機上攪拌混合，再放入研磨缽中，加入適量的5％PVA（聚乙烯醇）水溶液黏結劑，攪拌均勻使原料具有一定的粘度，在WE－300萬能材料試驗機上模壓成型，壓強為50MPa，壓制成Φ15mm×15mm的圓柱形試樣和5.5mm×9mm×40mm的矩形試樣。將試樣毛坯放在SX-4-10箱式電阻爐中400℃保溫2h，去除黏結劑。

2.2 實驗方法

2.2.1 燒結實驗

燒結工藝流程為：配料-均勻混合-裝模壓樣-烘干-燒結反應析晶-檢驗。

采用兩種燒結工藝對微晶玻璃進行燒結：1.一步法，將試樣直接加熱至規定溫度保溫一定時間后隨爐冷卻；2.兩步法，將試樣加熱到指定溫度保溫一段時間后，再加熱至更高溫度下保溫一段時間，然后隨爐冷卻。燒結實驗中的具體燒結工藝參數如表1所示。

2.2.2 掃描電鏡實驗

利用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察燒結后微晶玻璃的組織形貌，在測定完抗壓強度的樣品碎片中選取斷面比較平的做組織觀察，觀察前需要在樣品碎片表面噴金。

2.2.3 X射線衍射實驗

將微晶玻璃試樣軋碎磨細，過325目篩，作粉末X射線衍射實驗。分析微晶玻璃中晶相類型。所用儀器為D/maxrB型X射線衍射儀，工作電壓為40kV，工作電流為80mA，Cu-Kα靶，掃描速度4°/m in。

表1 微晶玻璃含量配比（w t.％）燒結工藝Tab.1 Sintering conditions for glass-ceram ics w ith different composition

表2 CaF2系列不同配方促進劑微晶玻璃性能測試結果Tab.2 Properties of glass-ceram ics w ith different CaF2-based crystallization catalyzers

3 實驗結果與分析

3.1 微晶玻璃性能實驗結果與分析

燒結后的試樣外貌基本上沒有任何變化，圓柱形試樣仍然是圓柱形。試樣的燒結率、抗壓強度和抗彎強度等性能指標如表2所示。

在CaF2的基礎上再添加白榴石或堇青石可以改善試樣的性能，以6％CaF2+10％白榴石為促進劑的試樣的密度、抗壓強度、抗彎強度最高，力學性能最好。

3.2 試樣結構與形貌表征分析

圖1為2#樣品和3#樣品的X射線衍射圖譜。與XRD標準卡片對照可知，2#析出晶體的晶相組成為鈣長石（CaA l2Si2O8）（JCPDS，41-1486）和透輝石（Ca（Mg，A l）（Si，A l）2O6）（JCPDS，41-1370）。3#的晶相為鈉長石（Na（Si3Al）O8）（JCPDS，10-0393）和透輝石（Ca（Mg，A l）（Si，A l）2O6）。可見在CaF2的基礎上分別添加白榴石和堇青石，兩種樣品析出同一種主晶相透輝石。

圖2為2#，5#，6#樣品X射線衍射圖譜，與XRD標準卡片對照可知，6#樣品析出的晶體和2#樣品析出的晶體相同，為CaA l2Si2O8（JCPDS，41-1486）和Ca（Mg，A l）（Si，A l）2O6（JCPDS，41-1370），但2#樣品衍射強度高于10#樣品。2#和6#樣品的促進劑類型相同，2#樣品的促進劑配方為6％CaF2+6％白榴石，6#樣品的促進劑配方為6％CaF2+10％白榴石，說明增加白榴石的含量，會使析出晶體數量減少。5#樣品的析晶促進劑配方為3％MgF2+3％CaF2+10％白榴石，從圖2可以看出，此樣品析出一種晶體羅氟硅鈣石Ca（Si3O8F2）（JCPDS，29-0378）。

圖3為2#樣品掃描電鏡圖，析晶促進劑配方為6％ CaF2+6％白榴石－樣品燒結率為32.38％，密度為2.0621 g/cm3。從圖3可以看出，斷面粗糙，小洞較多，洞內有晶體析出，火柴桿狀晶體堆積在一起，比較疏松，燒結率較小，密度也較小。圖4為4#樣品掃描電鏡圖，析晶促進劑配方為6％MgF2+6％白榴石，由表2可知，燒結溫度為900℃，該樣品的燒結率為39.17％，密度為2.1981 g/cm3。從圖4可以看出，斷面比較平坦，洞口邊緣比較平滑，該配方促進燒結，所以洞內晶體被玻璃包圍，晶體連接的比較好，整體來看，該樣品內部洞比較少，燒結率和密度相對于4#樣品都比較大，所以致密性好，強度高，性能好。

圖5為5#樣品掃描電鏡圖，析晶促進劑配方為3％ MgF2+3％CaF2+10％白榴石。由表2可知，燒結溫度為950℃，樣品的燒結率為39.8％，密度為2.2573 g/cm3。從圖5可以看出，由于燒結溫度較高，玻璃熔化，流動性較好，所以析出的晶體被玻璃包圍，晶體連接在一起，燒結率和密度比6#稍大，致密性好，斷面平坦。圖6為6#樣品掃描電鏡圖，析晶促進劑配方為6％CaF2+10％白榴石，與2#配方相似，白榴石的含量增加。由表2可知，燒結溫度900℃，樣品燒結率為40.08％，密度為2.2661 g/cm3。從圖6可以看出，析出晶體大部分被玻璃包圍，桿狀晶體連接在一起，連接性好，比較平滑，與上面幾種樣品比起來，此配方的樣品燒結率和密度是最高的，所以致密性最好，強度很高。

4 結束語

（1）在添加CaF2系列析晶促進劑條件下，再添加白榴石或堇青石可以改善試樣的性能。在添加促進劑的各試樣中，以6％CaF2+10％白榴石+玻璃粉樣品的性能最好，密度、抗壓強度和抗彎強度最高，分別達到392MPa和57MPa。

（2）CaF2+白榴石作析晶促進劑的樣品析出晶體的晶相組成為鈣長石和透輝石，CaF2+堇青石析晶促進劑樣品析出晶體為鈉長石和透輝石。MgF2+CaF2+白榴石為析晶促進劑樣品析出晶體羅氟硅鈣石，添加MgF2+白榴石的樣品析出的晶體是氟閃石。

1王培銘.無機非金屬材料學.上海：同濟大學出版社，1999，150～153

2胡安民，梁開明，周鋒，彭飛，王國梁.形核劑對Li2O-A l2O3-SiO2系微晶玻璃晶化過程的影響.無機材料學報，2005，20（2）：279～284