透明微晶玻璃组成及制备工艺设计开题报告

1. 目的及意义

微晶玻璃又称玻璃陶瓷，是指在具有特定组分玻璃基础上加入一定量的晶核剂，并经过熔融与热处理工艺，使玻璃中析出大量微晶相，得到含有晶相和玻璃相的一种多晶固体材料。微晶玻璃具有高硬度、突出的抗折强度和耐冲击强度，而且膨胀系数较低等特点，通过控制晶化工艺，可实现透明、半透明、不透明产品的制备。因此，微晶玻璃具有突出的理化性能，广泛应用于光电显示、电子元器件等领域，并引起国内外学者的广泛关注。

透明微晶玻璃是重要的一类，因其不仅具有优越的理化性能，而且具有透可见光的特性，已用于大型望远镜镜坯、太阳能电池和光学器件等领域。微晶玻璃作为一种多晶材料，其性质主要取决于析出晶相的种类，微晶体的尺寸和数量，残余玻璃相的性质和数量。这些因素又取决于母体玻璃的组成和热处理制度。微晶玻璃的原始组成不同，主晶相的组成不同，可见光的透过率不同。微晶玻璃的热处理制度不仅决定微晶体的尺寸和数量，而且会导致主晶体的变化，从而引起微晶玻璃可见光透过率、硬度及韧性等性能的显著变化。

近年来，科研工作者已经对多种体系的微晶玻璃进行了研究，已经从许多微晶玻璃系统中获得了高透过率的制品，如铝硅酸盐微晶玻璃、氟氧化物微晶玻璃、磷酸盐微晶玻璃、硼硅酸盐微晶玻璃。其中，对铝硅酸盐微晶玻璃的研究较多。铝硅酸盐微晶玻璃主要包括锂铝硅、镁铝硅和锌铝硅等体系，晶相主要包括β-石英固溶体、β-锂辉石等，它们具有优异的光透过性及较高的硬度及断裂韧性。

田瑞平等研究了BO对锂铝硅微晶玻璃的影响,研究表明BO可以降低玻璃的熔化温度，提高玻璃的化学稳定性，制得的微晶玻璃主晶相为β-石英固溶体，晶粒大小约为20-50nm，可见光透过率约为80%。汤李缨等以TiO和ZrO 为晶核剂，采用两步法热处理成功制备镁铝硅透明微晶玻璃，微晶玻璃的晶相为镁铝尖晶石，晶粒平均尺寸为 25 nm，可见光透过率约62%；随着晶化温度的升高，会析出β-石英晶体，并且晶粒尺寸增大，导致微晶玻璃透过率下降。邹翔宇等采用熔融晶化法制备出硼铝硅透明微晶玻璃，微晶玻璃的主晶相为ZnAlO₄，晶粒大小约30 nm，可见光透过率最高达 70%。

LiO-AlO-SiO（LAS）微晶玻璃的主晶相为β-石英晶体，晶粒为圆形，晶粒尺寸一般为0.1μm，是可见光波长的1/10左右，并且其晶相的折射率与玻璃的折射率相近，因而透光性能良好。镁铝硅系微晶玻璃和锌铝硅系微晶玻璃的主晶相分别为堇青石和尖晶石。尖晶石和堇青石常因含有部分别的离子而显现一定的颜色，如在形成尖晶石晶相中存在铁离子时呈现红色红宝石，少量时显橙黄色或橙红色不利于制备透明无色的微晶玻璃。且在热处理过程中晶粒尺寸不易控制，不利于热处理制度的选择。因而，LAS系微晶玻璃更有益于我们探究热处理制度对透明微晶玻璃析晶和力学性能的影响规律。

LAS系微晶玻璃具有可见光透过率高、热膨胀率低、热稳定性高等优点。但成分及热处理工艺的微小变化都可导致性能大幅度的变动。LAS系微晶玻璃的可见光透过率一般可达70%以上，但是微晶玻璃的强度受晶化温度及晶化时间的影响较大。不同的热处理制度下，LAS系微晶玻璃样品的强度可在90-200MPa之间变化。因此，热处理制度的选择对微晶玻璃强度的影响巨大。

目前，大多数微晶玻璃都难以兼具高透过率与高硬度及高韧性。但是随着技术的发展，对微晶玻璃提出了更高的要求。兼具高硬度、高韧性特性的透明微晶玻璃在电子信息、航天工程、电力工程等行业具有广泛的应用前景，具有良好的社会效益。

有鉴于此，本文拟针对微晶玻璃透过率、硬度、韧性的要求，设计合适的透明微晶玻璃组成，并对微晶玻璃热处理制度开展研究，从而获知透明微晶玻璃合适的组成和热处理制度，进而制备预期的透明微晶玻璃。同时，当前的微晶玻璃生产通常有能耗较高、污染较大的缺点。通过寻找最优的热处理制度来降低能耗，从而做到节能减排。

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