XRD在微晶玻璃方面的应用

XRD在微晶玻璃方面的应用

（华南理工大学材料科学与工程学院，广州）

摘要：本文通过综述了X射线衍射在微晶玻璃方面的应用，突出了XRD在微晶玻璃

领域的重要性和有效性。

关键字：X射线衍射；微晶玻璃；应用

Abstract：This article through summarized the X-ray diffraction

in the glass ceramics aspect application, has highlighted XRD in the glass ceramics domain importance and the validity.

Keywords：the X-ray diffraction，glass ceramics，application 0 引言

微晶玻璃,又名玻璃陶瓷,是将加有成核剂(个别也可不加) 的特定组成的基础玻璃,经热处理工艺后所得的微晶体和玻璃体均匀分布的复合材料。微晶玻璃兼有玻璃和陶瓷的优点,具有许多常规材料难以达到的优异性能。它采用一种与普通玻璃相近的制造工艺,但其特性却与玻璃迥然不同。玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体,从热力学观点出发,它是一种亚稳态。与结晶态相比,它具有较高的内能,在一定的条件下可以转变为结晶态。从动力学观点出发,玻璃熔体在冷却过程中,粘度的快速增加抑制了晶核形成和长大,使玻璃体来不及转变为结晶体。微晶玻璃就是人们充分利用玻璃在热力学上的有利条件,而又克服了它在动力学上的不利条件而获得的新型材料

【1】

。

微晶玻璃的机械强度高、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、电绝缘性能优良、热膨胀系数可调,因而被广泛地应用于国防、航天、电子电力、建筑装饰和生物医学等各领域【20-22】。但由于微晶玻璃的组成有很大的选择范围,而且即使组成相同,而采用不同的晶核剂或者不同的热处理制度,所制成的微晶玻璃在性能上也存在着很大的差异【1】。了解微晶玻璃的结构和性能，对于微晶玻璃的使用方向有着重要的影响。

本文通过综述XRD在微晶玻璃各个领域的运用，初步了解到，利用XRD来鉴定微晶玻璃的晶相及其含量，可以判断在不同的机理下，析出的晶相种类和晶化的程度，进而制造出不同类型的优良的微晶玻璃，并将其运用到更广的领域。同时了解到，在利用废体矿物制造微晶玻璃方面有着良好的前景，一方面能节约资源的使用和倡导绿色环保；另一方面，能降低生产成本，使微晶玻璃更加广泛用于到生产生活中。

1应用

1．1在粉煤灰和煤矸石制造双层微晶玻璃研究中的应用我国每年排放大量的粉煤灰和煤矸石,利用粉煤灰和煤矸石制微晶玻璃是有效利用采用烧结法烧制基层以煤炭固体废物为主要原料, 面层以矿物化工材料为原料的双层微晶玻璃来丰富产品颜色,通过对煤矸石和粉煤灰进行化学全分析及X射线衍射分析, 确定粉煤灰

和煤矸石化学成分及矿物成分【2】。

从表1的粉煤灰和煤矸石的化学成分可以看出, 两种废物中SiO2占有很大比例, 同时粉煤灰中CaO +MgO的比例大于7% , Al2O3的含量变化较大, 过高的Al2O3可以通过其它原料来调节。

从图1的XRD衍射分析可知，在粉煤灰中主晶相为石英、莫来石和石膏；煤矸石主要矿物成分为石英、高岭石和白云石，这些矿物一般是由硅铝或钙的氧化物组成。分析表明，用煤炭固体废物为主要原料研制微晶玻璃是完全可行的【2】。

图1 粉煤灰和煤矸石X衍射图谱

在按一定的配方，并通过烧结法来制备玻璃后，用XRD分析

经过热处理的玻璃可知，玻璃中析出的主晶相主要为硅灰石和透辉石, 与试验预期的目标一致【2】。因此，在利用粉煤灰和煤矸石制造双层

微晶玻璃的方案是可行的，在验证微机玻璃的具体晶相时，XRD分析

起到重要的指引作用。

1.2在研究以β-硅灰石为主晶相的微晶玻璃中的应用

1.2.1在CaO-Al2O3-SiO2系统烧结建筑微晶玻璃颗粒高温摊平影响

因素研究中的应用

按表2制备微晶玻璃，然后对试样进行玻璃颗粒高温流动性探究，确定成分、烧成温度、颗粒度和烧成时间对其的影响，并得到最优的工艺方案。其中各个因素的影响如表3。按流动长度（ΔL=L-L o）为考核指标，测试结果见表4。

在试验结果分析中可得到，对玻璃颗粒高温流动性能的影响因素主次是B>A>C>D。综合以上4工艺因素以及试验结果可得到最优的工艺方案：A2B2C2D3。此时为了验证其工艺方案的优良性，分别以A2B2C2D3，

表2 试样玻璃成分w% 表3 影响因素

表4 实验方案及测试结果

A1B2C2D3， A3B2C2D3工艺制备了微晶玻璃试样，并用XRD分析方法进行物相的分析，见图2。

由图2可以定性得出，随着CaO含

量的增加，β-硅灰石衍射峰强度增加，

说明CaO增加，对β-硅灰石的析出有

促进作用，使得CaO+SiO2→CaSiO3的反

应更加容易进行。同时也可以证实随着

CaO/Al2O3的增大，微晶玻璃中晶相的含

量也相应增加【3】。

1．1.2在CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃表面析晶研究的应用在探究CAS系统微晶玻璃表面析晶中，先按表5生产出微晶

表5 基础玻璃的成分质量分数% 玻璃，然后用DTA方法来进行晶化

活化能数据的测量和最佳核化温度

的确定，接着用X射线衍射来确定

最佳晶化时间。

由DTA分析可知，选择升温

速率为5℃/min的DTA曲线析晶

峰温度作为最佳晶化温度，即为

916℃【4】。分别保温不同的时间，

做XRD测试。计算XRD曲线中最

强的强度I与所有线强度的总和Is的比值I/Is，再把保温时间和I/Is作曲线，取其峰值，即为最佳晶化时间【5】。取玻璃样品6份，从750℃到916℃升温速率为2℃/min，然后在916℃分别保温0.5、1、2、3、4、5h，然后做XRD测试，根据强度值算出I/Is，以I/Is 对保温时间做曲线可得如图3。

根据图3所得在3.5h后I/Is上升的幅度很小，最佳温度应为3.5h【4】。

在分析CAS微晶玻璃的微观结构时，XRD起到关键性作用。将微晶玻璃粒粉碎，根据粉碎手段筛分，取得一下4个颗粒径A1:2mm、

A2:1.25mm、A3：0.7mm、A4:0.315mm，其热处理制度为：从750℃到916℃为2℃/min，916℃保温3.5h，在1120℃处保温2h，随炉退火，制得微晶玻璃。经XRD测试分析，在微晶玻璃试样的主晶相均为β-硅灰石。再做SEM测试可知道微晶玻璃的微观结构【4】。

1．1.3在CaO-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃中的应力产生分析中的应用在对CAS系统微晶玻璃应力产生分析中，X射线衍射分析在确定主晶相和在有关应力测试中起到重要作用。

图 4 是微晶玻璃试样的X 射线衍射谱, 从谱线上可以看出, 试样的非晶体散射特征很弱, 主要表现为晶体的衍射特征, 说明在本实验采用的微晶化热处理条件下, 试样玻璃的结晶程度很高。通过对照JCPDS 卡片, 发现微晶玻璃试样的主晶相为β-Ca2SiO 3【6】。