基本信息
- 项目名称：
- 磷硅酸盐玻璃自发析晶行为研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 微晶玻璃通常是基础玻璃经热处理后获得的，目前还未见利用熔体冷却自发析晶来制备微晶玻璃的报道。本研究以磷硅酸盐系统玻璃为研究对象，对化学组成与熔体流变和热力学性能的关系进行研究，实现对自发析晶的晶体类型的精确控制；利用熔体粘度方程和假想温度计算不同成型方法所对应的熔体冷却速度，实现晶体析晶度的精确控制。最终获得利用玻璃熔体冷却自发析晶的，同时晶体类型、析晶度和透明度可控的微晶玻璃材料。
- 详细介绍：
- 透明微晶玻璃材料通常是基础玻璃经热处理后获得的，需要二次再加热过程，如果析晶过程能够在玻璃熔体冷却时以可控的方式进行，则会节约大量能源，但由于玻璃熔体冷却时自发析晶行为对熔体性质的依赖性尚不清楚，目前还未见这类利用熔体冷却自发析晶来制备透明微晶玻璃的报道。本研究以磷硅酸盐系统玻璃为研究对象，利用其易分相的特点使玻璃熔体产生强和弱两种玻璃相，为其冷却时弱玻璃相的析晶创造了条件。在此基础上对化学组成与玻璃熔体流变和热力学性能的关系进行研究，探索化学组成-流变/热力学性能-晶体类型之间的相关性，实现对自发析晶的晶体类型的精确控制；利用熔体粘度方程和假想温度计算不同成型方法所对应的熔体冷却速度，实现晶体析晶度的精确控制。最终获得利用玻璃熔体冷却自发析晶的，同时晶体类型、析晶度和透明度可控的透明微晶玻璃材料。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本研究以磷硅酸盐系统玻璃熔体为研究对象，研究化学组成对玻璃熔体结构的影响，探索熔体的流变/热力学性能与晶体类型之间的规律，揭示熔体冷却时自发析晶的机制，实现对晶体类型的精确控制；利用玻璃熔体的平衡粘度方程，以及假想温度对熔体冷却速度的依赖性推导出不同成型过程所对应的熔体冷却速度，揭示晶体析晶度与冷却速度之间的相关性。
科学性、先进性及独特之处
- 1）以P2O5代替氟化物，利用玻璃熔体冷却自发分相/析晶来获得新型无氟乳浊玻璃。 2）利用阳离子在熔体中的不同结合倾向，通过改变修饰体和中间体的种类和相对含量来调节玻璃熔体的流变性能、热力学性能以及分相的程度，进而调节晶体类型和玻璃制品乳浊程度。 3）定量计算了不同成型方法所对应的熔体冷却速度，确定了冷却速度对乳浊玻璃析晶程度的影响，从而达到利用不同成型方法控制析晶程度以及乳浊效果的目的。
应用价值和现实意义
- 本研究通过研究磷硅酸玻璃熔体的流变和热力学性能对化学组成的依赖性，探索该系统玻璃的化学组成-流变/热力学性能-晶体类型相关性的规律，实现对透明微晶玻璃晶体类型的精确控制；另外探索这类自发析晶透明微晶玻璃的冷却速度的计算方法，获得冷却速度与析晶度的相关性。如果本研究获得应用，将会极大地丰富微晶玻璃制备方法的理论，具有深远的理论意义；同时也会产生良好的经济和社会效益。
学术论文摘要
- 微晶玻璃通常是基础玻璃经热处理后获得的，如果析晶在玻璃熔体冷却过程中以可控的方式进行，则会节约大量能源，目前还未见这类自发析晶微晶玻璃的报道。本研究以磷硅酸盐玻璃为研究对象，利用其易分相的特点对化学组成与玻璃熔体流变和热力学性能的关系进行研究，实现对晶体类型的精确控制；通过对不同成型方法所对应的熔体冷却速度的研究，实现析晶度的精确控制。最终获得利用玻璃熔体冷却自发析晶的微晶玻璃的制备技术。 结果表明：玻璃熔体经浇铸成型并在空气中自然冷却过程中析出了NaCaPO4晶体，用少量Li2O/MgO取代Na2O/CaO时，晶体类型不变，但析晶含量会发生较大变化，当修饰体仅为Na2O和CaO时，得到的微晶玻璃是半透明的，而部分Na2O和CaO由Li2O或MgO取代后则变得不透明。另外，保持碱金属氧化物种类不变，随碱土金属氧化物的相对含量R（R=MgO/CaO）增大，熔体的拓扑结构出现了显著变化，这反映在玻璃熔体的流变性能上，即随R值增大，玻璃的高温粘度相应增大，且析晶起始温度也相应地降低。相应地，玻璃熔体在空气中自然冷却后外观由乳浊向透明过渡，晶体类型也由NaCaPO4变为NaMgSO4。
获奖情况
- [1] 刘树江, 高彬. 无氟硅酸盐乳浊玻璃结构和性能研究. 武汉理工大学学报, 2009, 31(22): 141-143. [2] 刘树江, 李广荣, 沈建兴. 磷硅酸盐玻璃流变性能研究. 武汉理工大学学报, 2010, 32(22): 12-16. [3] 高彬, 刘树江. R2O3 ( R =Al , B)对含磷硅酸盐乳浊玻璃显微结构和热膨胀行为的影响. 硅酸盐通报, 2010, 29(1): 176-179. [4] Shujiang Liu, Guangrong Li, Yuanzheng Yue, et al. Effect of network modifiers on opalescence and crystallization behaviour of opal glasses. Glass Technol.: Eur. J. Glass Sci. Technol. A, 2011, 52(3): 67-72. [5] Shujiang Liu, Yanfei Zhang, Yuanzheng Yue. Effect of Mg-Ca substitution on the spontaneous crystallization behavior of phosphosilicate glasses. Phys. Chem. Glasses: Eur. J. Glass Sci. Technol. B, 2011, 52(3): 85-90.
鉴定结果
- 无
参考文献
- 密切相关文献： 0 篇 相关文献：8篇 [1] 郭兴忠, 张玲洁, 杨辉. 含氟、磷乳浊玻璃的制备及特性, 建筑材料学报, 2010, 13: 2 [2] 顾永成. 铈钛着色象牙黄乳浊玻璃的研制, 江苏陶瓷, 2009, 42: 3 [3] 顾永成. 不完全乳浊玉色玻璃的研制, 陶瓷学报, 2009：3: 26 [4] 王宁, 陈敏. Al2O3含量对氟化物乳浊玻璃微观形貌的影响, 大连轻工业学院学报, 1999, 18：3 [5]、陈绪娟. 低温烧成乳浊釉的研究及乳浊机理探讨, 武汉理工大学硕士论文，20080401 [6] Pekkan K, Karasu, B. Evaluation of borax solid wastes in production of frits suitable for fast single-fired wall tile opaque glass-ceramic glazes, Bulletin of Materials Science, 2010, 33(2): 135-144 [7] Bloomfield, M, Loeffen P W, Matousek P. Detection of concealed substances in sealed opaque plastic and coloured glass containers using SORS, Proc SPIE Int Soc Opt Eng, 2010, 7838: 783808 [8] Arletti R, Dalconi MC, Quartieri S. Roman coloured and opaque glass: A chemical and spectroscopic study, Applied Physics A: Materials Science and Processing, 2006, 83(2): 239 由文献检索可知，国内外未见有与该查新课题研究内容相同的文献报道。
同类课题研究水平概述
- 玻璃熔体在冷却过程能否析晶，以及晶体种类和析晶度的大小取决于内因和外因两方面因素，前者主要与玻璃的化学组成有关，不同组成的熔体会反映出不同的流变和热力学性能，根据Angell模型，我们可以很方便地将不同熔体归纳到一个基础上比较它们的“脆性”。对于强玻璃熔体而言，它具有强的化学键，其物理性质在温度变化时变化不剧烈，具有小的构型比热容；而弱玻璃熔体的局域结构不稳定，结构对温度变化比较敏感，表现在玻璃转变附近较大的比热容差，通过比较可知弱玻璃熔体较强玻璃熔体更易析晶。对于外因，主要取决于玻璃熔体的热历史，其中冷却速度是非常关键的因素，对于给定的化学组成，当冷却速度较大时，系统内的质点来不及重排就被“冷冻”下来，因此较难析晶，这也反映在较大的假想温度上。已往关于冷却速度的研究多集中在临界冷却速度上，另外对于快速冷却方式（如拉制玻璃纤维时冷却速度可达106K/s），很难直接用量热法测得。到目前为止，还未见利用化学组成与流变和热力学性能的相关性来判断玻璃熔体析晶难易程度，以及通过调节冷却速度来控制析晶度的报道。
