R2O如何影响低熔点硼硅酸盐玻璃的性能？

R2O如何影响低熔点硼硅酸盐玻璃的性能？

硼硅酸盐玻璃体系本身具有良好的热稳定性、化学稳定性、耐水性和机械性能，还具有适应性强、成本低等优点。本文设计了一种高碱硼硅酸盐玻璃系统,研究高碱状态下碱金属氧化物比例关系对低熔点玻璃的膨胀系数、化学稳定性和转变温度T_g、软化温度T_f的影响，从而探讨系统组成与性能的关系。
    实 验 过 程

依据设计的玻璃成分进行原料配料计算，称量混合、研磨均匀。每份混合料100g，将其放入200ml陶瓷坩埚内，加上盖子，混合料加热到1350～1400℃，保温1h后，浇铸成型，380～420℃进行退火处理，之后进行性能测试，即膨胀系数、玻璃转变点T_g和软化点T_f及耐酸、耐碱性能。
    性 能 测 试01
     Li₂O/Na₂O比例与玻璃性能的关系

保持碱金属氧化物总量不变的情况下，固定K₂O含量，调整Li₂O/Na₂O比例。玻璃R₂O总量及K₂O含量不变的情况下，随着Li₂O/Na₂O比例的增大，玻璃的热膨胀系数逐步减小，酸性失重有较大幅度的降低，碱性失重变化不大，玻璃的转变温度T_g、软化温度T_f呈现较大的下降，其中转变温度T_g下降12.84℃，软化温度T_f下降21.59℃。因为在同样比例的情况下，采用小半径离子取代大半径离子,起到填充大离子空隙的作用，使结构变得紧密。玻璃的热膨胀系数是与碱金属离子的迁移有关的性能。由于Li^＋的增多弥补了在玻璃网络结构中的疏松状况，因此，使得膨胀系数变小。

在保持碱金属氧化物总量不变的情况下,固定碱金属氧化物Na₂O的含量，改变Li₂O/K₂O比例,考察玻璃体系性能的变化情况。

在玻璃R₂O总量及Na₂O含量不变的情况下，用Li₂0取代K₂O，则玻璃的热膨胀系数逐步降低，酸性失重逐步减少，碱性失重小幅度下降，而转变温度T_g、软化温度T_f也依次降低。

Li-K的热膨胀系数比Li-Na的热膨胀系数还要大。Li⁺在玻璃网络结构中的位置被取代后,由于K⁺离子半径最大，场强最小，K-O的键力弱，故K⁺取代Li⁺要比Na⁺取代Li⁺所占的空隙大，结构更疏松，因此K⁺取代Li⁺的玻璃热膨胀系数比Na⁺取代Li⁺的玻璃热膨胀系数要大。

玻璃的化学稳定性也是与碱金属离子的迁移有关的性能。Li⁺取代Na⁺或K⁺,使得玻璃的网络结构变得更加紧密,所以化学稳定性变好。

Al³⁺有6配位和4配位两种配位状态。在含碱的硼硅酸盐玻璃中,Al³⁺的配位数会由6配位向4配位进行转化。在硼硅酸盐玻璃中,由于网络形成体B₂O₃的存在,而B³⁺有3配位和4配位两种配位状态。在碱金属氧化物总含量不变的情况下,要使铝和硼全部转化为4配位,铝和硼都要“夺取”氧。在Al₂O₃和B₂O₃中，两者的结构状态主要取决于φ=(R₂O－Al₂O₃)/B₂O₃的值,当φ>1时,以[AlO₄]和[BO₄]四面体存在；当1>φ>1/3时,以[AlO₄]、[BO₄]和[BO₃]存在。本实验中φ>1,可以认为B³⁺、Al³⁺以[AlO₄]和[BO₄]四面体存在。

本实验中玻璃的网络结构和配位关系没有太大的变化。一方面,碱离子主要破坏玻璃的网络,实验结果表明成分的调整对碱失重影响很小,表明玻璃的结构几乎没有受到影响,玻璃系统配比在结构上也没有太大差别;另一方面,玻璃的酸失重、T_g、T_f及膨胀系数与离子的“堆积”和“迁移”性质相关,玻璃成分的调整对上述性能没有出现反常现象,可一定程度说明碱性氧化物的变化对配位结构没有影响,只是碱性离子堆积程度变化对迁移性能产生影响。
    结 论

1、在R₂O-Al₂O₃-B₂O₃－SiO₂-TiO₂-F玻璃系统中,R₂O总量不变的情况下,分别固定K₂O和Na₂O含量,调节Li₂O/Na₂O和Li₂O/K₂O的比例,随着Li₂O含量的提高,玻璃的热膨胀系数、酸性失重和转变温度T_g、软化温度T_f均有所降低，碱性氧化物成分的调节对玻璃的碱性失重影响很小。

2、高Na₂O状态下，玻璃的热膨胀系数、酸性失重和转变温度T_g、软化温度T_f的数值比高K₂O状态下大。

3、调节碱金属氧化物组成比例可使玻璃性能得到显著提高。

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