鋁硅酸鹽玻璃黏度、析晶及物理性能的研究

唐冰杰 牛桃霞 樊晶 楊露 彭利歡 李靖波

（彩虹集團（邵陽）特種玻璃有限公司 咸陽 712000）

0 引言

鋁硅酸鹽玻璃作為新型電子顯示玻璃，具有高應變點、高軟化點，良好的耐化學侵蝕與熱穩定性，也因其硬度高、耐刮擦性能良好而廣泛應用于蓋板保護玻璃。

產品的性能主要由其組成決定，在進行玻璃料方設計時，玻璃中各組分對于玻璃性能的作用方向與作用程度則為最基礎、也是最重要的基礎研究。本文分別用B2O3、 K2O 、P2O5等 量替代Na2O，研究其含量變化對鋁硅酸鹽玻璃黏度、析晶性能及物理性能（包含退火點、軟化點、應變點及熱膨脹系數）的影響。

1 實驗

1.1 化學組成設計與制備

本實驗所用原料均以分析純試劑的形式引入，為相應的氧化物或對應的酸及碳酸鹽；所設計的鋁硅酸鹽玻璃的化學組成如表1所示。在空白對比組（1#）的基礎上，以B2O3、 K2O 、P2O5分別等量替代1%Na2O（2#～ 3#），研究其含量變化對鋁硅酸鹽玻璃黏度、析晶性能及物理性能（包含退火點、軟化點、應變點及熱膨脹系數）的影響。

表1 各料方化學組成（摩爾分數） %

將表1所列鋁硅酸鹽玻璃的化學組成轉化成玻璃配合料，稱重并混合均勻后加到鉑金坩堝中，然后將裝有玻璃配合料的鉑金坩堝置于高溫馬弗爐中進行熔制；待玻璃配合料熔化成均質的玻璃熔體后，將其在1500～1650 ℃溫度下迅速取出并倒入預熱好的耐熱模具中澆注成型，然后將固化后的玻璃塊放入退火爐中退火。

1.2 性能測試

使用Orton RSV 1600型高溫黏度計，測試玻璃的高溫黏度；

采用Orton SP-1000軟化點儀測試玻璃的軟化點；

采用Orton ANS-800退火、應變點測定儀測試玻璃的退火、應變點；

采用Orton 膨脹系數測定儀測試玻璃的熱膨脹系數，測試溫度范圍30～380 ℃；

采用GTF-MD-16溫度梯度爐測試玻璃的析晶上限溫度；結合Scope A1光學顯微鏡，觀察確定析晶樣品中晶體形貌和析晶位置，計算析晶上限溫度。

2 結果與討論

2.1 等量替代1% Na2O對玻璃黏度的影響

將1#～ 4#玻璃樣品進行高溫黏度測試，測試溫度范圍1150～1600 ℃，將各樣品黏度測試數據作圖進行對比分析，其黏度—溫度曲線如圖1所示。

圖1 各料方的黏度—溫度曲線

由圖1可以 看 出：Na2O分別被B2O3、 K2O、P2O5等量替代后，各玻璃高溫黏度基本變化不大，但低溫黏度有所差異。

Na2O被B2O3等量替代后（1#、 2#曲線），玻璃的低溫黏度稍有提高，主要是由于在玻璃組成中，Na2O為玻璃網絡外體氧化物，主要提供自由氧，起斷網作用；低溫時，當以等量B2O3替代Na2O后，B3+有奪取游離氧形成硼氧四面體的趨勢，使結構趨向緊密，表現為提高玻璃的低溫黏度，因替代量較少，故而低溫黏度僅稍有提高［1-3］。

Na2O被K2O等量替代后（1#、 3#曲線），玻璃的低溫黏度基本保持不變；分析認為是由于K2O與Na2O同屬于堿金屬氧化物，K+和 Na+同屬于惰性氣體型離子，二者在玻璃的物理化學性和工藝性能方面的作用比較類似，因此，當進行少量（1%）的等量替代后，玻璃的黏度幾乎無變化。

Na2O被P2O5等量替代后（1#、 4#曲線），玻璃的低溫黏度明顯提高：同一溫度1150 ℃下，4#玻璃樣品的黏度（約20271 Pa·s）比1#樣品的黏度（約12804 Pa·s）高7467 Pa·s；當黏度一定時，如在140000 Pa·s時，4#樣品的溫度比1#樣品約高36 ℃。這與P2O5屬于網絡形成體，本身可形成玻璃有關，其含量的增加與斷網氧化物含量的減少共同作用，使得玻璃結構趨于緊密，從而使玻璃的黏度大幅度增大。

2.2 等量替代1 % Na2O對玻璃物理性能的影響

表2列舉了各化學組成玻璃的物理性能。

表2 各料方物理溫度

玻璃的退火點、軟化點、應變點的高低取決于玻璃中各鍵的鍵能的大小和玻璃網絡的致密程度［4,5］。對比表2中數據可以看出，與1#各物理性能相比，用B2O3、 K2O分別等量替代1%Na2O后，Na2O含量的降低使得玻璃斷鍵能力減弱，因此玻璃的退火點、軟化點、應變點稍有降低，而K2O給出游離氧的能力較Na2O大，適量補償了Na2O因含量降低而引起的斷鍵能力減弱問題，綜合作用使得玻璃網絡結構疏松，熱膨脹系數增大。對比1#、 4#數據可知，以P2O5等 量替代Na2O后，玻璃的熱膨脹系數減小，退火點、軟化點和應變點均有所增大，此結果與其對黏度的影響相一致，即以P2O5等 量替代Na2O后，玻璃整體表現為黏度增大。

2.3 等量替代1% Na2O對玻璃析晶性能的影響

析晶性能對于蓋板玻璃量產來說，是關鍵評估參數。在實際生產中，必須控制玻璃的析晶性能，保證玻璃的析晶上限溫度與生產成型溫度有足夠的溫差，以避免因玻璃析晶而引起的產品品質不良及生產異常、中斷等問題。各料方的特征溫度如表3所示。

表3 各料方的特征溫度

從表3可以看出：相較于1#，用B2O3等量替代Na2O后，玻璃的成型溫度變化稍有增大，但玻璃的析晶上限溫度提高了約24 ℃，即縮小了玻璃成型溫度與析晶上限溫度的溫差，增大了玻璃的析晶趨勢；用K2O等量替代Na2O后，玻璃的成型溫度基本不變，玻璃的析晶上限溫度降低了約15 ℃；用P2O5等 量替代Na2O后，玻璃的成型溫度提高了約35 ℃、析晶上限溫度提高了19 ℃，即適量增加K2O 、P2O5含量有利于增加玻璃成型溫度與析晶上限溫度的溫差，有利于控制玻璃的析晶性能滿足生產需求［6］。

3 結論

Na2O分別被B2O3、 K2O 、P2O5等量替代后，對各樣塊黏溫、析晶及物理性能的影響：

（1）等量替代后，各料方高溫黏度變化不大，但低溫黏度差異性較大，其中P2O5對增加低溫黏度的作用最為明顯；各料方的膨脹系數雖有變化，但變化量不大，約為3×10-7/℃；

（2）被B2O3、 K2O等量替代后，玻璃的退火點、軟化點、應變點均稍有降低，降幅約10 ℃；被P2O5等量替代后，玻璃的退火點、軟化點和應變點均稍有增大，增幅約20 ℃；

（3）被B2O3等量替代后，玻璃成型溫度變化不大，但析晶上限溫度增加，即玻璃成型溫度與析晶上限溫度的溫差減小，增大了玻璃生產時的析晶趨勢；

（4）被K2O等量替代后，玻璃成型溫度基本不變，但析晶上限溫度降低，即玻璃成型溫度與析晶上限溫度的溫差增大，有利于減小玻璃生產時的析晶趨勢；

（5）被P2O5等量替代后，玻璃成型溫度、析晶上限溫度雖均增大，但前者的增幅較大，即玻璃成型溫度與析晶上限溫度的溫差影響增大，也有利于降低玻璃生產時的析晶趨勢。