復(fù)合晶核劑對(duì)混合玻璃體系制備微晶玻璃的影響

王語(yǔ) 何方

摘 要：為了在低溫下制備出微晶玻璃陶瓷結(jié)合劑，以適用于超硬磨具的制備，本實(shí)驗(yàn)以兩種玻璃料的混合體系作為研究對(duì)象，以ZrO2和P2O5作為晶核劑，探究了晶核劑的復(fù)合添加量、不同復(fù)合比例對(duì)混合玻璃體系析晶性能與力學(xué)性能的影響。同時(shí)，對(duì)燒結(jié)樣品進(jìn)行X射線衍射分析、抗彎強(qiáng)度測(cè)試和掃描電鏡分析。結(jié)果表明，在ZrO2+P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%的情況下，且ZrO2與P2O5的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，燒結(jié)樣品中析出的晶體數(shù)量最多，此時(shí)抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)了最大值，為74.95 MPa。

關(guān)鍵詞：微晶玻璃;復(fù)合晶核劑;分相體系;玻璃析晶

中圖分類號(hào)：TQ171.733文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）08-0126-03

Effect of Compound Nucleating Agent on Preparation of

Glass-Ceramics by Mixed Glass System

WANG Yu HE Fang

（School of Materials Science and Engineering， Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： In this experiment， the mixed system of two kinds of glass materials was used as the research object， and ZrO2 and P2O5 were used as nucleating agents in order to prepare glass-ceramic binder at low temperature to suit for super hard grinding tools. The effects of adding amount of nucleating agent and different composite proportion on the crystallization and mechanical properties of the mixed glass system were investigated. The sintered samples were analyzed by X-ray diffraction， flexural strength and scanning electron microscopy. The results show that when the mass fraction of ZrO2 + P2O5 is 4.5%， and the mass ratio of ZrO2 to P2O5 is 2 ∶ 1， the amount of precipitated crystals in the sintered samples is the most， and the bending strength reaches the maximum value of 74.95 MPa.

Keywords： glass-ceramics;compound nucleating agent;phase separation system;glass crystallization

用于制備超硬磨具的陶瓷結(jié)合劑包括陶瓷、玻璃和微晶玻璃三種。其中，陶瓷的晶化溫度和燒結(jié)溫度較高，超過(guò)800 ℃就再不適合用于制備金剛石磨具;玻璃的燒結(jié)溫度較低，可以用來(lái)制備超硬材料磨具，但是玻璃結(jié)合劑較低的強(qiáng)度也限制了其在超硬磨具方面的應(yīng)用[1];作為陶瓷和玻璃的結(jié)合體，微晶玻璃具有母體玻璃的低熔點(diǎn)，同時(shí)微晶體的存在增強(qiáng)了微晶玻璃的強(qiáng)度，并使其具有更高的斷裂韌性[2-3]，微晶玻璃能夠很好地滿足超硬磨具對(duì)結(jié)合劑的各項(xiàng)性能要求。

隨著對(duì)微晶玻璃性能要求的提高，新的制備工藝不斷涌現(xiàn)，但都是根據(jù)熔融法、燒結(jié)法、溶膠-凝膠法這三種基礎(chǔ)制備方法進(jìn)行延伸的結(jié)果。制備微晶玻璃的過(guò)程中，析晶機(jī)理大致相同：通過(guò)控制玻璃成分，影響玻璃結(jié)構(gòu)，燒結(jié)過(guò)程中均勻液相發(fā)生相分離，即玻璃分相。玻璃分相增加了相之間的界面，而且分散相能量較低，成核總是優(yōu)先發(fā)生于相界面。例如，P2O5在玻璃中通過(guò)刺激外部成核，從而形成微小的非均質(zhì)相，然后玻璃發(fā)生分相，進(jìn)而析晶。

此外，為了在相界面處更有效地進(jìn)行形核析晶，通過(guò)向玻璃體系中加入相應(yīng)晶核劑，如氟化物MgF2和NaF[4]，能夠減小形核所需要的能量，從而促進(jìn)析晶。玻璃在分相的同時(shí)，晶核劑的組分能富集于其中一相，減小形核功[5-6]。ZrO2的作用機(jī)理是先從母相中析出富含鋯氧的結(jié)晶（或生成約5 nm的富含微不均勻區(qū)），進(jìn)而誘導(dǎo)母體玻璃形核。ZrO2在硅酸鹽熔體中的溶解度較小，一般超過(guò)3%就會(huì)從熔體中析出，可復(fù)合添加少量P2O5，提高ZrO2的溶解度[7]。在硅酸鹽系列的玻璃中，P2O5可以作為成核劑來(lái)促進(jìn)玻璃析晶，這主要是由于P5+具有電荷高、場(chǎng)強(qiáng)大的特點(diǎn)，能夠增大周圍原子的遷移率，從而加速玻璃分相，而分相可以使界面能減小，降低成核勢(shì)壘，從而有利于晶體的析出[8]。

為了制備出低溫?zé)Y(jié)的微晶玻璃，本文將兩種耐火度接近的玻璃料混合后進(jìn)行燒結(jié)，兩種不同的玻璃相使得混合燒結(jié)坯體相當(dāng)于分相的狀態(tài)，利用混合體系中已存的分相環(huán)境，同時(shí)添加一定的晶核劑輔助析晶，在混合玻璃系統(tǒng)中的相界面處析出晶體，從而制得微晶玻璃，增強(qiáng)了基礎(chǔ)玻璃的強(qiáng)度;基礎(chǔ)玻璃料的燒結(jié)溫度在800 ℃以下，保證了混合體系具有較低的燒結(jié)溫度。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以實(shí)驗(yàn)自制的A、B兩種玻璃料為研究對(duì)象，耐火度分別為710 ℃和665 ℃，且在各自燒結(jié)溫度下無(wú)晶體析出。實(shí)驗(yàn)以ZrOCl2·8H2O和C8H15PO4分別作為ZrO2和P2O5晶核劑的前驅(qū)體，探究了復(fù)合添加量、不同復(fù)合比例對(duì)混合玻璃體系析晶性能與力學(xué)性能的影響。

首先，按比例稱取一定量晶核劑的前驅(qū)體，溶解于適量水或者無(wú)水乙醇中，可適當(dāng)加熱，促進(jìn)溶解。然后，將A、B兩種玻璃料以1∶1的質(zhì)量比混合，加入前驅(qū)體溶液中，攪拌混勻后干燥，過(guò)300目篩網(wǎng)，壓制樣品條。通過(guò)對(duì)體系進(jìn)行差熱分析、耐火度及燒結(jié)點(diǎn)測(cè)試，確定各體系的燒結(jié)制度，然后對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)致密化處理，得到燒結(jié)樣品條，進(jìn)行X射線衍射分析（XRD，德國(guó)Bruker AXS公司D8ADVANCE型X射線晶體衍射儀）、抗彎強(qiáng)度測(cè)試（美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司CMT 6104型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)）和掃描電鏡分析（SEM，美國(guó)FEI有限公司INSPECT F50型掃描電子顯微鏡）。

同時(shí)，對(duì)不添加晶核劑的A+B混合玻璃體系（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%）進(jìn)行平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了ZrO2+P2O5的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.0%、4.0%、4.5%、5.0%、6.0%時(shí)A1+A3玻璃體系的各項(xiàng)性能，并對(duì)ZrO2和P2O5的質(zhì)量比分別為1∶2、1∶1和2∶1時(shí)混合玻璃體系的析晶性能進(jìn)行進(jìn)一步探究。按照表1的比例，分別向A+B玻璃體系中添加入一定量ZrOCl2·8H2O、C8H15PO4。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZrO2+P2O5對(duì)A+B玻璃體系析晶性能的影響

在表1的各組樣品中，當(dāng)ZrO2+P2O5的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、4%和4.5%且二者含量比分別為1∶1、1∶1和2∶1時(shí)，分別將這三組記作3%（1∶1）、4%（1∶1）和4.5%（2∶1），其燒結(jié)樣品的XRD圖譜中出現(xiàn)了衍射峰，均對(duì)應(yīng)石英晶體，其他組未出現(xiàn)析晶，各樣品的析晶情況如圖1所示。不加晶核劑的A+B混合玻璃體系中存在分相環(huán)境，但相界面之間成核勢(shì)能較高，不足以析出晶體。當(dāng)體系中存在ZrO2+P2O5復(fù)合晶核劑時(shí)，可以達(dá)到“雙堿效應(yīng)”，增加了網(wǎng)絡(luò)外體離子的堆積密度，可以降低玻璃網(wǎng)絡(luò)體的緊密程度，同時(shí)降低界面能，使成核活化能降低。當(dāng)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，衍射峰強(qiáng)度最大。

2.2 ZrO2+P2O5對(duì)A+B玻璃體系抗彎強(qiáng)度的影響

樣品燒結(jié)之后，用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行三點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)，每組待測(cè)玻璃料分別制備三個(gè)以上的樣品，以每組樣品多次測(cè)試結(jié)果的平均值為其抗彎強(qiáng)度值。各組樣品的抗彎強(qiáng)度結(jié)果及變化趨勢(shì)如圖2所示。

首先，以ZrO2+P2O5的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為參照點(diǎn)，對(duì)圖2進(jìn)行縱向分析，即在A+B玻璃體系中晶核劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的情況下，分別選取燒結(jié)樣品的最大抗彎強(qiáng)度值進(jìn)行對(duì)比。如圖2所示，當(dāng)ZrO2+P2O5的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，比例為2∶1的樣品抗彎強(qiáng)度最大，達(dá)到74.95 MPa。有晶體析出的燒結(jié)樣品的強(qiáng)度整體高于未發(fā)生析晶的樣品強(qiáng)度。相比之下，不加晶核劑的A+B混合玻璃體系抗彎強(qiáng)度為53 MPa。

2.3 含ZrO2+P2O5的A+B玻璃體系的微觀形貌分析

將測(cè)試過(guò)彎曲強(qiáng)度的樣品段進(jìn)行處理之后，用掃描電鏡對(duì)其橫截?cái)嗝孢M(jìn)行微觀形貌測(cè)試。結(jié)果表明，復(fù)合晶核劑的加入使得混合玻璃體系中析出了微晶體，但是微晶體的整體數(shù)量較少，與3%（1∶1）和4%（1∶1）復(fù)合添加比例的體系相比，4.5%（2∶1）的體系中微晶體尺寸由50 nm增大到80～100 nm。

3 結(jié)論

本文以A+B混合玻璃體系為研究對(duì)象，向其中引入了ZrO2、P2O5兩種晶核劑，探究了晶核劑復(fù)合添加量和不同復(fù)合比例對(duì)混合玻璃體系析晶性能與力學(xué)性能的影響。當(dāng)同時(shí)添加ZrO2和P2O5這兩種晶核劑，A+B玻璃體系在ZrO2+P2O5的總含量為4.5%，且ZrO2與P2O5的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，燒結(jié)樣品中析出的晶體數(shù)量最多，微晶體尺寸為80～100 nm，抗彎強(qiáng)度出現(xiàn)了最大值，為74.95 MPa。

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