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(tuán)（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(yīng)變點(diǎn)、高軟化點(diǎn)，良好的耐化學(xué)侵蝕與熱穩(wěn)定性，也因其硬度高、耐刮擦性能良好而廣泛應(yīng)用于蓋板保護(hù)玻璃。

產(chǎn)品的性能主要由其組成決定，在進(jìn)行玻璃料方設(shè)計(jì)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(chǔ)、也是最重要的基礎(chǔ)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(diǎn)、軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)及熱膨脹系數(shù)）的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 化學(xué)組成設(shè)計(jì)與制備

本實(shí)驗(yàn)所用原料均以分析純試劑的形式引入，為相應(yīng)的氧化物或?qū)?yīng)的酸及碳酸鹽；所設(shè)計(jì)的鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)組成如表1所示。在空白對比組（1#）的基礎(chǔ)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(diǎn)、軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)及熱膨脹系數(shù)）的影響。

表1 各料方化學(xué)組成（摩爾分?jǐn)?shù)） %

將表1所列鋁硅酸鹽玻璃的化學(xué)組成轉(zhuǎn)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(jìn)行熔制；待玻璃配合料熔化成均質(zhì)的玻璃熔體后，將其在1500～1650 ℃溫度下迅速取出并倒入預(yù)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(jì)，測試玻璃的高溫黏度；

采用Orton SP-1000軟化點(diǎn)儀測試玻璃的軟化點(diǎn)；

采用Orton ANS-800退火、應(yīng)變點(diǎn)測定儀測試玻璃的退火、應(yīng)變點(diǎn)；

采用Orton 膨脹系數(shù)測定儀測試玻璃的熱膨脹系數(shù)，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(jié)合Scope A1光學(xué)顯微鏡，觀察確定析晶樣品中晶體形貌和析晶位置，計(jì)算析晶上限溫度。

2 結(jié)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(jìn)行高溫黏度測試，測試溫度范圍1150～1600 ℃，將各樣品黏度測試數(shù)據(jù)作圖進(jìn)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(wǎng)絡(luò)外體氧化物，主要提供自由氧，起斷網(wǎng)作用；低溫時，當(dāng)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(jié)構(gòu)趨向緊密，表現(xiàn)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(rèn)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(xué)性和工藝性能方面的作用比較類似，因此，當(dāng)進(jìn)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)形成體，本身可形成玻璃有關(guān)，其含量的增加與斷網(wǎng)氧化物含量的減少共同作用，使得玻璃結(jié)構(gòu)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(xué)組成玻璃的物理性能。

表2 各料方物理溫度

玻璃的退火點(diǎn)、軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)的高低取決于玻璃中各鍵的鍵能的大小和玻璃網(wǎng)絡(luò)的致密程度［4,5］。對比表2中數(shù)據(jù)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(diǎn)、軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)稍有降低，而K2O給出游離氧的能力較Na2O大，適量補(bǔ)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松，熱膨脹系數(shù)增大。對比1#、 4#數(shù)據(jù)可知，以P2O5等 量替代Na2O后，玻璃的熱膨脹系數(shù)減小，退火點(diǎn)、軟化點(diǎn)和應(yīng)變點(diǎn)均有所增大，此結(jié)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(xiàn)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(chǎn)來說，是關(guān)鍵評估參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)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(chǎn)成型溫度有足夠的溫差，以避免因玻璃析晶而引起的產(chǎn)品品質(zhì)不良及生產(chǎn)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(chǎn)需求［6］。

3 結(jié)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(shù)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(diǎn)、軟化點(diǎn)、應(yīng)變點(diǎn)均稍有降低，降幅約10 ℃；被P2O5等量替代后，玻璃的退火點(diǎn)、軟化點(diǎn)和應(yīng)變點(diǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)時的析晶趨勢。