铝硅酸盐玻璃黏度、析晶及物理性能的研究

唐冰杰 牛桃霞 樊晶 杨露 彭利欢 李靖波

（彩虹集团（邵阳）特种玻璃有限公司 咸阳 712000）

0 引言

铝硅酸盐玻璃作为新型电子显示玻璃，具有高应变点、高软化点，良好的耐化学侵蚀与热稳定性，也因其硬度高、耐刮擦性能良好而广泛应用于盖板保护玻璃。

产品的性能主要由其组成决定，在进行玻璃料方设计时，玻璃中各组分对于玻璃性能的作用方向与作用程度则为最基础、也是最重要的基础研究。本文分别用B2O3、 K2O 、P2O5等 量替代Na2O，研究其含量变化对铝硅酸盐玻璃黏度、析晶性能及物理性能（包含退火点、软化点、应变点及热膨胀系数）的影响。

1 实验

1.1 化学组成设计与制备

本实验所用原料均以分析纯试剂的形式引入，为相应的氧化物或对应的酸及碳酸盐；所设计的铝硅酸盐玻璃的化学组成如表1所示。在空白对比组（1#）的基础上，以B2O3、 K2O 、P2O5分别等量替代1%Na2O（2#～ 3#），研究其含量变化对铝硅酸盐玻璃黏度、析晶性能及物理性能（包含退火点、软化点、应变点及热膨胀系数）的影响。

表1 各料方化学组成（摩尔分数） %

将表1所列铝硅酸盐玻璃的化学组成转化成玻璃配合料，称重并混合均匀后加到铂金坩埚中，然后将装有玻璃配合料的铂金坩埚置于高温马弗炉中进行熔制；待玻璃配合料熔化成均质的玻璃熔体后，将其在1500～1650 ℃温度下迅速取出并倒入预热好的耐热模具中浇注成型，然后将固化后的玻璃块放入退火炉中退火。

1.2 性能测试

使用Orton RSV 1600型高温黏度计，测试玻璃的高温黏度；

采用Orton SP-1000软化点仪测试玻璃的软化点；

采用Orton ANS-800退火、应变点测定仪测试玻璃的退火、应变点；

采用Orton 膨胀系数测定仪测试玻璃的热膨胀系数，测试温度范围30～380 ℃；

采用GTF-MD-16温度梯度炉测试玻璃的析晶上限温度；结合Scope A1光学显微镜，观察确定析晶样品中晶体形貌和析晶位置，计算析晶上限温度。

2 结果与讨论

2.1 等量替代1% Na2O对玻璃黏度的影响

将1#～ 4#玻璃样品进行高温黏度测试，测试温度范围1150～1600 ℃，将各样品黏度测试数据作图进行对比分析，其黏度—温度曲线如图1所示。

图1 各料方的黏度—温度曲线

由图1可以 看 出：Na2O分别被B2O3、 K2O、P2O5等量替代后，各玻璃高温黏度基本变化不大，但低温黏度有所差异。

Na2O被B2O3等量替代后（1#、 2#曲线），玻璃的低温黏度稍有提高，主要是由于在玻璃组成中，Na2O为玻璃网络外体氧化物，主要提供自由氧，起断网作用；低温时，当以等量B2O3替代Na2O后，B3+有夺取游离氧形成硼氧四面体的趋势，使结构趋向紧密，表现为提高玻璃的低温黏度，因替代量较少，故而低温黏度仅稍有提高［1-3］。

Na2O被K2O等量替代后（1#、 3#曲线），玻璃的低温黏度基本保持不变；分析认为是由于K2O与Na2O同属于碱金属氧化物，K+和 Na+同属于惰性气体型离子，二者在玻璃的物理化学性和工艺性能方面的作用比较类似，因此，当进行少量（1%）的等量替代后，玻璃的黏度几乎无变化。

Na2O被P2O5等量替代后（1#、 4#曲线），玻璃的低温黏度明显提高：同一温度1150 ℃下，4#玻璃样品的黏度（约20271 Pa·s）比1#样品的黏度（约12804 Pa·s）高7467 Pa·s；当黏度一定时，如在140000 Pa·s时，4#样品的温度比1#样品约高36 ℃。这与P2O5属于网络形成体，本身可形成玻璃有关，其含量的增加与断网氧化物含量的减少共同作用，使得玻璃结构趋于紧密，从而使玻璃的黏度大幅度增大。

2.2 等量替代1 % Na2O对玻璃物理性能的影响

表2列举了各化学组成玻璃的物理性能。

表2 各料方物理温度

玻璃的退火点、软化点、应变点的高低取决于玻璃中各键的键能的大小和玻璃网络的致密程度［4,5］。对比表2中数据可以看出，与1#各物理性能相比，用B2O3、 K2O分别等量替代1%Na2O后，Na2O含量的降低使得玻璃断键能力减弱，因此玻璃的退火点、软化点、应变点稍有降低，而K2O给出游离氧的能力较Na2O大，适量补偿了Na2O因含量降低而引起的断键能力减弱问题，综合作用使得玻璃网络结构疏松，热膨胀系数增大。对比1#、 4#数据可知，以P2O5等 量替代Na2O后，玻璃的热膨胀系数减小，退火点、软化点和应变点均有所增大，此结果与其对黏度的影响相一致，即以P2O5等 量替代Na2O后，玻璃整体表现为黏度增大。

2.3 等量替代1% Na2O对玻璃析晶性能的影响

析晶性能对于盖板玻璃量产来说，是关键评估参数。在实际生产中，必须控制玻璃的析晶性能，保证玻璃的析晶上限温度与生产成型温度有足够的温差，以避免因玻璃析晶而引起的产品品质不良及生产异常、中断等问题。各料方的特征温度如表3所示。

表3 各料方的特征温度

从表3可以看出：相较于1#，用B2O3等量替代Na2O后，玻璃的成型温度变化稍有增大，但玻璃的析晶上限温度提高了约24 ℃，即缩小了玻璃成型温度与析晶上限温度的温差，增大了玻璃的析晶趋势；用K2O等量替代Na2O后，玻璃的成型温度基本不变，玻璃的析晶上限温度降低了约15 ℃；用P2O5等 量替代Na2O后，玻璃的成型温度提高了约35 ℃、析晶上限温度提高了19 ℃，即适量增加K2O 、P2O5含量有利于增加玻璃成型温度与析晶上限温度的温差，有利于控制玻璃的析晶性能满足生产需求［6］。

3 结论

Na2O分别被B2O3、 K2O 、P2O5等量替代后，对各样块黏温、析晶及物理性能的影响：

（1）等量替代后，各料方高温黏度变化不大，但低温黏度差异性较大，其中P2O5对增加低温黏度的作用最为明显；各料方的膨胀系数虽有变化，但变化量不大，约为3×10-7/℃；

（2）被B2O3、 K2O等量替代后，玻璃的退火点、软化点、应变点均稍有降低，降幅约10 ℃；被P2O5等量替代后，玻璃的退火点、软化点和应变点均稍有增大，增幅约20 ℃；

（3）被B2O3等量替代后，玻璃成型温度变化不大，但析晶上限温度增加，即玻璃成型温度与析晶上限温度的温差减小，增大了玻璃生产时的析晶趋势；

（4）被K2O等量替代后，玻璃成型温度基本不变，但析晶上限温度降低，即玻璃成型温度与析晶上限温度的温差增大，有利于减小玻璃生产时的析晶趋势；

（5）被P2O5等量替代后，玻璃成型温度、析晶上限温度虽均增大，但前者的增幅较大，即玻璃成型温度与析晶上限温度的温差影响增大，也有利于降低玻璃生产时的析晶趋势。