锂铝硼硅微晶玻璃结合剂的性能

1、锂铝硼硅微晶玻璃结合剂的性能 摘 要本次设计主要是研究锂铝硼硅微晶玻璃结合剂的性能。微晶玻璃是将加有晶核剂的特定组合的玻璃，在一定温度下进行晶化热处理，从而获得微晶相和玻璃相均匀分布的一种多相的复合材料。实验以li2o-al2o3- b2o3-sio2系统微晶玻璃配方为基础，制定三个配方，不改变其它组分含量，通过增加硼的含量来研究其对微晶玻璃结合剂性能的影响。研究发现，增加硼含量可以使玻璃料核化温度和晶化温度明显下降；提高烧成温度，可以提高结合剂的流动性。 实验首先制备了玻璃结合剂，并将制好的玻璃料加工成一定形状的样品后，在熔块炉中进行烧结，通过对烧结后的试样进行检测，可以得到锂铝硼硅微晶玻璃

2、结合剂的许多性能。如：对试样进行差热分析，就可确定试样的最佳烧结制度；用红外光谱法，可以得到红外光谱图，以确定结合剂的晶体结构；用热膨胀仪测定试样，便可得到结合剂的，从而确定结合剂的与磨具的热膨胀系数的匹配性。另外，在整个烧结过程中，要严格控制升温速度、保温时间等烧结工艺和制品形态的变化，并且要记录发生变化的相关重要内容。关键词： 微晶玻璃 硼 结合剂 性能 检测title preparation of lithium aluminum boron silicate glass-ceramics bondabstractthis design is the study of lithium a

3、luminum borosilicate glass-ceramic binder performance.the glass-ceramic is a specific combination of glass which adds a nucleating agent, and the crystallization heat treatment at a certain temperature to obtain a multiphase composite microcrystalline phase and glass phase uniformly distributed.expe

4、riment of li2o-al2o3-b2o3-sio2 system glass-ceramic formulations, making three formulations, which do not change the content of other components, only increase the content of boron to study its impact on the performance of glass-ceramic binders.the study founds that the nucleation temperature of the

5、 glass material and the crystallization temperature can be decreased by increasing boron content ; firing temperature can improve the fluidity of the binder. experiments were prepared by the glass binder, and the prepared samples of glass material was processed into a certain shape, the frit furnace

6、 sintering.sintered samples for testing, you can get many performances of lithium aluminum borosilicate glass-ceramic binders. differential thermal analysis performed on the specimen, we can determine the best sintering of the sample; infrared spectroscopy, infrared spectra is to determine the cryst

7、al structure of the binding agent; dilatometer test sample can be obtained binder in order to determine the coefficient of thermal expansion of the binder and abrasive matching.in addition, the sintering process,some sintering processes,such as the heating rate and holding time, should be controlled

8、 strictly, and record the change of products morphological changes.keywords: glass-ceramics boron binder performance detect目 录1 引言12 微晶玻璃12.1 微晶玻璃概述12.2 微晶玻璃应用23 锂铝硅系微晶玻璃23.1 锂铝硅系微晶玻璃形态23.1.1 -石英固溶体微晶玻璃33.1.2 -锂辉石固溶体微晶玻璃33.2 锂铝硅系微晶玻璃的析晶与热处理43.3 b2o3对锂铝硅系微晶玻璃的影响44 锂铝硼硅微晶玻璃的制备与性能检测54.1 实验方案的制定54.2 微晶玻

9、璃的熔制74.3 微晶玻璃料的粒度检测84.4 微晶玻璃料的差热分析104.5 微晶玻璃料的红外分析144.6 微晶玻璃料流动性的检测174.7 微晶玻璃料热膨胀系数194.7.1 热膨胀系数的概念及影响194.7.2 试样的制备204.7.3 玻璃料线膨胀系数的测定215 锂铝硅系微晶玻璃结合剂磨具的制备与性能检测215.1 磨具配方的制定225.2 磨具的压制235.3 磨具的烧成235.4 磨具的显微结构分析24结 论26参 考 文 献28iii 1 引言1.1 陶瓷结合剂及其发展目前，陶瓷结合剂的应用已经日益趋向广泛。结合剂在制造磨具中起粘接和把持磨粒作用，它决定了磨具的许多主要的性能

10、，例如：硬度、强度和使用寿命等，同时也在很大程度上决定了磨具制造的工艺性能。陶瓷结合剂的主要性能包括耐火度、收缩率、热膨胀性、可塑性、流动性及润湿性等。要制造出良好性能的磨具，必须使用和选择具有良好性能的结合剂。在固结磨具的构成中，主要有陶瓷结合剂磨具、树脂结合剂磨具和橡胶结合剂磨具等。相比之下，陶瓷结合剂生产周期长、脆性大，但具有其化学稳定性、耐水耐热及耐碱性优良，强度高，磨耗小，自锐性好，且磨具中有较多气孔利于排屑散热等优点，能够适应各种冷却液条件下的粗精磨削加工，得到广泛应用。为此，必须了解影响陶瓷结合剂性能的因素、其分类方法和选择结合剂的原则等知识3。为制造性能良好的陶瓷磨具，一般要求

11、选择结合剂要满足两个条件：一是能够保证磨具有足够强度和良好磨削性能；二是要求结合剂的工艺性能良好。此外，选择结合剂要遵循以下四个方面的根据，即磨料种类、磨料粒度、磨削要求及磨具生产工艺要求。12 微晶玻璃 微晶玻璃结合剂属于陶瓷结合剂中的一种，微晶玻璃看起来和普通玻璃是不同的，它不仅具有玻璃的特性，也有陶瓷的特性。微晶玻璃内部的原子是呈有规律排列的，也因此其亮度比陶瓷高，韧性比玻璃强。本论文着重阐述锂铝硼硅微晶玻璃结合剂的性能及其性能的研究。1.2.1 微晶玻璃简介 微晶玻璃又称为玻璃陶瓷，是经过控制玻璃的晶化而得到的多晶材料。其微观组织在原则上是没有气孔的，是由细小的晶体和残余的玻璃相组成的

12、。通过有效的成核来控制晶化，一般是非均匀成核。组成相的固有属性和微观的组织形态决定了微晶玻璃的性能。微晶玻璃已诞生五十多年，经过这些年的发展这种材料在理论研究和实际应用方面都取得了长足进展晶相在材料中的含量越来越高，甚至超过了许多陶瓷材料中晶相的含量。这种新型材料凭着其优良性能在应用领域飞速增长。近年来，微晶玻璃的工业化发展惊人，其应用范围已扩展到人们的日常生活中。因其物理特性不易受到温度的影响，故可以用于天文望远镜。并且由于其稳定的物理性质，可以加工出较好的光学表面。微晶玻璃主要有三种制备方法，即熔融法、烧结法和熔胶凝胶法，其具体制备方法可见参考文献2。微晶玻璃的组成与普通玻璃不同，可分解为

13、:玻璃的总体化学组成,它与微晶化之前的玻璃化学组成相同；玻璃的各相化学组成,包括析出的各晶相和残余玻璃相的化学组成。微晶玻璃体系包括堇青石系和硅灰石,其产品最终性能取决于其烧结后的析晶程度。从结构上说，大致三类有硅酸盐可以形成微晶玻璃，即架状硅酸盐、片状硅酸盐及链状硅酸盐，每一种硅酸盐都有其特定组成、结构及性能特点。 1.2.2 微晶玻璃的应用微晶玻璃在很多方面的性能都很优异,比如有较高机械强度、可以调节热膨胀性、较好的抗热震性、较好的电绝缘性、耐化学腐蚀性、介电损耗较低等突出的性能，因而这种材料不仅经济效益好 ,而且可替代传统材料1。目前，在许多领域中已广泛应用开来，包括机械力学材料、光学材

14、料、电子和微电子材料、生物医学材料、化学化工材料和建筑材料等领域上的应用。在机械力学材料的应用上，因微晶玻璃具有耐高温、热膨胀性可调和抗热震等优良性能 ,从而能够制造出满足机械力学要求的各种材料。在光学材料的应用中，膨胀系数较低的微晶玻璃对温度的变化很不敏感,使其可在尺寸不随温度改变而改变的领域中得到广泛应用,例如应用在望远镜或激光器外壳。在建筑材料上的应用上，由于微晶玻璃强度高 ,气孔封闭 ,吸水性和热导性低 ，而且质轻，所以可作为结构材料或热绝缘材料使用。此外,目前已经广泛研究和应用了把泡沫微晶玻璃用作结构材料或热绝缘材料以及纤维复合增韧微晶玻璃。有些微晶玻璃具有较好的介电性和绝缘性，可用

15、于在微波、高压等领域。微晶玻璃在记忆材料领域的应用随着1977 年发现的云母微晶玻璃有记忆的功能而开辟。世界核能的利用日益广泛,安全处理核废料的问题也日趋重要 ,因微晶玻璃具有很好的耐久性及耐浸蚀性,如果将核废料制成微晶玻璃,就可以将其对环境的污染降到最低2。随着对微晶玻璃的更为深入的研究，将会发现微晶玻璃在更多、更新领域的应用。在磨具的应用方面，虽然陶瓷磨具的产量在磨具总产量中一直下降，但仍然占据较大比例。陶瓷磨具作为磨具的其中一种，也一直在不断进步和发展，主要向以下几个方面发展：（1）向超硬材料磨具方向发展。此种磨具在一些难加工材料（如硬质合金、陶瓷、石材等）中优势十分突出，如磨削能力强、

16、加工工件质量高、容易修整和维护。（2）向新型磨料陶瓷磨具方向发展。一些新型高效的磨具的应用日益广泛，例如新型陶瓷刚玉磨料陶瓷结合剂磨具。（3）向高速、高效、高精和数控专用磨具方向发展。磨削加工工艺越发展，对磨具要求则越高也越多。（4）向低温陶瓷结合剂磨具发展。此种磨具要求的烧成温度较低，不至于破坏磨料的性能，生产周期短且效率高。2 实验过程本设计的主要研究方向是锂铝硼硅微晶玻璃作为磨具用结合剂时的性能特点及其检测。2.1 基础玻璃原料选择石英是陶瓷结合剂中所用的原料之一，其熔点为1713，莫氏硬度为7，密度因晶型而异，在2.232.65gcm3 之间变动。石英在陶瓷结合剂中有许多作用：石英可以

17、作为瘠性原料来减少毛坯干燥时的收缩率；石英可以提高结合剂的高温状态黏度，增强磨具抵抗高温状态下变形的能力；石英可用在碳化硅磨具中，促进磨具和结合剂之间生成硅酸盐层，从而减少了碳化硅的分解，避免碳化硅磨具产生“黑心”，并且避免碳化硅磨具发红；石英因为在高温状态下体积会产生膨胀，所以可以用来调整磨具的烧成收缩率。石英可以增加结合剂的脆性，提高磨具的自锐性，因而提高工作效率，降低了工件的烧伤程度。加入al2o3，它和石英在高温熔融以后形成了sio4四面体和alo2(oh)4八面体的结构，其作用类似于粘土，可以提高结合剂的强度5。加入硼酸，可以在很大程度上降低结合剂的耐火度，提高结合剂的各项性能，如流

18、动性、润湿性；同时提高了结合剂的反应能力，改善了结合剂和磨料之间的结合情况，并增强了磨具强度。 为引入li2o，往往向结合剂中加入li2co3，它能在结合剂中形成很高的锂酸盐玻璃，提高结合剂的强度。 本实验所用的金属氧化物是利用相应金属盐（前身为金属氧化物）来引入的，基础原料主要选用硼酸、碳酸锂、碳酸钾及石英，所用原材料见表1。表1实验所需原材料原材料分子式纯度生产厂家硼酸h3bo3分析纯（99.5%）天津市津南区咸水沽工业园区无水碳酸锂li2co3分析纯（97.0%）天津市风船化学试剂科技有限公司无水碳酸钾k2co3分析纯（99.0%）天津市风船化学试剂科技有限公司磷酸氢二铵（nh4）2hp

19、o4分析纯（99.0%）天津市大茂化学试剂厂石英sio298.0%自制微粉铝氧粉al2o397.0%自制微粉2.2 实验设备及仪器（1）电子天平型号：bs600h/600g/0.01g产地：上海友声衡器有限公司（2）熔块炉型号：ykl 产地：湘潭市仪器仪表有限公司指标：额定温度1600 坩埚：50m，高铝瓷质（3） 16t微型压力机 mti corporation（4）温度控制炉型号：ksy-402-13，控制功率4kw，单相220v，控制温度1300，产地：长沙远东电炉厂制造（5）傅立叶变换红外光谱仪型号：irpestige-21(200vcg) 产地：日本（6）热膨胀系数仪型号： lcp-

20、1型 产地：北京光学仪器厂（7）电热鼓风干燥箱 型号：101-2abs/20-300 产地：北京光明医疗仪器厂（8）标准验筛型号：f120 /f60 产地：浙江上虞市五四仪器厂（9）单柱校正压装液压机型号：y41-25b/25t 产地：天津市第二锻压机床厂（10）快速研磨机型号：xm-4行星快速研磨机 产地：湘潭市仪器仪表有限公司其它：陶瓷研钵、药匙、游标卡尺、坩埚、模具、量筒等2.3 结合剂的配方及其计算本实验通过在li2o-al2o3- b2o3-sio2系统微晶玻璃的基础配方（g-c-1）中，保证其它组分不变的情况下逐渐增加b2o3的含量，来研究锂铝硼硅微晶玻璃的各项性能。设定三个配方含

21、量见表2。表2 锂铝硼硅（labs）微晶玻璃的配方（质量分数/%）配方sio2b2o3al2o3li2op2o5k2o合计配方一60105105595配方二601551055100配方三6020510551052.4 微晶玻璃结合剂的生产过程由于配方中某些原料引入的是其相关化合物，而且每种药品含量并不是100%，所以需要换算成相关物质来加入。试验所用的三个配方的样品皆重为100g，根据配方中各成分的百分比，计算出各原料的使用量，然后在计算出的理论值的基础上加上10%的余量，即得到试验所需原料的质量，称取所需原料，如表3所示。表3 三个配方中各个组分的质量（g） 配方sio2硼酸铝氧粉li2co

22、3(nh4)2hpo4k2co3合计g-c-148.4114.084.0720.167.435.85100.00 g-c-245.2319.733.8118.836.945.47100.01g-c-342.4424.693.5717.666.515.13100.00 在结合剂制备之前，必须要做好准备工作。为使药品之间的接触面积较多，从而可以使药品混合更加均匀，在熔融时反应更充分，在混料之前必须对尺寸较大颗粒进行研磨。在研钵中研磨后，过200目的筛网，采用三分法混料，用精度0.01g的电子天平分别称量原料总量三分之一的料进行混料。混好后，倒在托盘上，加入适量水或聚乙烯醇开始造粒，造好后，装入密封

23、袋中，在万能压机上用模具把造粒制成八字块状，然后在100下在干燥箱中干燥24个小时。接着将块状原料在熔块炉中熔制成为玻璃料，然后将熔制成的玻璃料在100条件下充分干燥12个小时后在研钵中研磨成小颗粒的细粉，即可得到所要制备的玻璃料。本次采用的熔融法制取微晶玻璃，其整个工艺过程可简述如下：压制成型原料称量闷 料造 粒混 匀高温熔融过 筛球 磨烘 干水 淬密封备用本实验采用的是湘潭湘仪仪器有限公司生产的sg2高温熔块电炉。熔融过程中，先将熔块炉升温至1450，然后将块状玻璃料迅速投入到熔块炉中；接着保温1020min，液态的玻璃料自然流出后，进行水淬。水淬后，把玻璃料烘干后，用上海盛力仪器有限公司

24、生产的sl301型样品粉碎机，以910r/min的转速研磨180s，过200目筛，密封备用。玻璃料熔融过程中的现象描述如下：（1）配方一，第一滴玻璃料呈水滴状滴下，随后是细长丝状的玻璃料落下，玻璃料下落速度较快。（2）配方二，第一滴玻璃料呈较大水滴状落下，随后细长丝状的颗粒状玻璃料落下，玻璃料下落速度较快。（3）配方三，第一滴玻璃料呈大的水滴状落下，随后是细长丝状玻璃料落下，玻璃料下落速度较快.3 微晶玻璃结合剂的性能检测3.1 差热分析 差热分析指在程序控制温度下，测定物质和参比物之间的温度差及其温度关系的一种技术，是为了更准确的测定出配方出现液相的准确温度点，以便于更准确的设定出磨具的烧成

25、曲线11。一些物质在加热时发生的一系列物理和化学现象可用差热分析方法精确地测定和记录，如相变、熔融、分解、失水、氧化还原、晶格破坏和重建，并且可判断物质物质间的相互作用及其组成和反应机理。目前，差热分析法已广泛用于许多领域的科学研究和工业生产中,如水泥、玻璃、陶瓷、地质、冶金、耐火材料、建材、高分子等领域 15。差热分析仪一般由加热炉、热电偶、试样容器、记录系统和温度控制系统等部分组成。其装置见下图1所示。图1 差热分析仪结构示意图1-参比物；2-样品；3-加热块；4-加热器；5-加热块热电偶；6-冰冷联结；7-温度程控；8-参比热电偶；9-样品热电偶；10-放大器；11-x-y记录仪用于差热

26、分析的试样通常是粉末状的，取50mg样品放入石英坩埚内，墩实后，在wcp-2型微机差热膨胀仪（北京光学仪器厂生产）上进行差热分析。对三个配方的试样以10/min的升温速率加热到1000。下图2中（a）（b）（c）分别是三个配方的玻璃料以升温速率为10 /min时微晶玻璃样品的差热（dta）曲线。根据dta图，我们可以在烧结过程中，控制烧结温度、保温时间以及升温速率等烧成制度，以保证烧结过程顺利、完美地进行。（a） （b） （c） 图2 锂铝硼硅微晶玻璃三个配方试样的差热曲线由图2（a）可以看出，一号配方的玻璃料在466时开始融化，但晶化温度点还没明显出现，可能是因为加入晶核剂的量不足，以至于分

27、相能力和结晶能力都比较差，从而不能产生明显的放热峰。在634时，曲线出现了一个较明显的凹陷，也即吸热峰，在凹陷点的温度即为核化温度，即玻璃转变温度tg；此后，曲线呈上升趋势，在665处出现了一个明显的凸起，即放热峰，故此点温度为晶化温度，即玻璃的析晶温度。同时，从图中看出，吸热峰和放热峰都比较明显，说明升温速率较快，而在核化和晶化的过程中，要求升温速率较慢一些，这样可以更好地形成玻璃，故应该适当降低配方一的升温速率。配方二玻璃料的融化温度为476，晶化温度为617，核化温度为656；配方三玻璃料的融化温度为477，晶化温度为607，核化温度为646。通过对三个配方的玻璃料在同一升温速率下的的差

28、热分析可知，增加硼的含量，玻璃料的核化和晶化温度均会下降，但是放热峰会随硼含量的增加而越来越不明显。3.2 微晶玻璃料流动性的检测结合剂流动性可描述为结合剂高温熔体粘度的倒数。因此，可以得出，结合剂的黏度越小，则流动性就越好；反之，流动性越差。结合剂应具有良好的高温流动性和润湿性，其流动性对磨具制造及产品的性能都有较大影响。若结合剂的流动性过低（即高温粘度过大），则结合剂不能顺利地均匀分布于磨粒之间，从而影响结合剂和磨粒之间的结合强度，磨具应具备的机械强度便不能得到不能保证；反之，结合剂流动性太大，则必然导致其粘度过低，则一旦温度变化，结合剂很容易从磨粒间流出，从而引起制品变形。结合剂与磨料能

29、否产生良好结合决定了两者的高温润湿性的好坏。如果结合剂熔体对磨粒的润湿性太差，熔体则不容易在磨粒表面流铺，这样磨粒就不能被结合剂包裹住，导致它们之间的粘结变差，磨具强度大大降低，磨粒很容易从磨具上脱落。因此，一般要求结合剂的高温润湿性较好。为测定其流动性，我们对三个配方，分别取一定量的玻璃料，加适量的水和糊精，混合均匀，进行造粒，用手捏一下，来判断是否混好，当能够用手把料捏成片状，便可以认为造粒已经完成，然后装入自封袋内闷料12小时。闷过料后，分别用天平称取4.8g的料，装入模具内，用定压成型法在微型压力机上将玻璃料压制成15×15（mm）的试样，参考压力为20mpa，保压时间为10

30、s。干燥后，在熔块炉内进行烧结，升温速度为每分钟5，温度升高到750后，保温120min，烧结完成。烧成后三个配方的试样如下图3和图4所示。图3 750配方一（左）和配方二（右）的烧成流动图样 图4 750配方三的烧成流动图样从以上两个图片中，我们可以看到，在750下烧成后现象，如表4的描述：表4 三种配方在750下烧结后的现象描述配方号烧成后试样实验现象描述配方一试样已经瓷化，但没有光泽，气孔较少，断面结构较为紧密，样品基本上熔融。配方二试样已经流动，但还没有铺展开，表面已经有光泽度，气孔较少，已能看出微晶结构，断面结构紧密，样品已经变形且完全熔融，颜色发黑，有分相现象配方三试样瓷化很好，光

31、泽度也很好，流动性较黑，但还未铺展，气孔较多，像一颗规则的棋子，颜色较黑，分相现象比较明显。将烧成后的瓷片冷却后取出，用游标卡尺测量每个试样，得到的数据如下表5所示：表5 三个配方烧成后的直径（mm） 配方直径d1直径d2直径d3直径d4平均直径值d结合剂一27.127.027.127.227.1结合剂二32.332.232.132.232.2结合剂三33.633.333.533.333.4 根据流动性的公式知：=dd0×100%式子中：-结合剂试样的流动性%； d0-试样的烧前直径，mm； d-试样的烧后直径，mm。由上述公式计算得出三个配方的流动性，如表6所示：表6 三个配方的流

32、动性结果结合剂一结合剂二结合剂三流动性（%）180.0213.3222.7 由以上数据可以得出，在最高烧结温度为750下，这三个配方的结合剂的流动性都较好；并且增加硼的含量，可以提高结合剂的流动性。3.3 微晶玻璃结合剂的红外光谱分析红外光谱是由于伴随转动能级跃迁的分子振动能级的跃迁而产生的。当一定频率的红外光照射分子是，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，二者就会产生共振。此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个集团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁；如果红外光的振动频率和分子中各基团的振动频率不符合，该部分的红外光就不会被吸收。因此若用连续改变频率的红外光照射某试样，由于该试

33、样对不同频率的红外光的吸收效果不同，使通过试样后的红外光在一些波长范围内变弱，即被吸收，在另一些范围内则较强，即不吸收。将分子吸收红外光的情况用仪器记录，就得到该试样的红外光谱图。查阅有关资料，可以归纳汇总得到硼硅酸盐玻璃常见的各结构基团的红外吸收特征谱线，如表7所示。表7 硼硅酸盐玻璃红外吸收光谱分布波数/cm-1键归属460si-o-si键弯曲振动670si-o-b键弯曲振动700bo3弯曲振动760o-si-o键伸缩振动800bo4四面体915si-o-b键伸缩振动945si-oh键伸缩振动1020si-o-si键反对称伸缩振动1090si-o键伸缩振动9501080bo4反对称伸缩振动

34、1400bo3反对称伸缩振动1630h-o-h键弯曲振动对微晶玻璃料进行红外分析时，分别将三个配方烧结后的试样在玛瑙研钵中研成细粉后，取少量试样，溴化钾作为载体，加入溴化钾粉末，按玻璃料和溴化钾比例为1:10混合均匀后，装入模具中，在小型压机上压制成半透明的薄片，要求压制的压片透光性较好，厚度较薄，强度适中，而且较干燥，最好没有水分。压制好后，在红外光谱仪上对薄片进行测试，首先将压片放入特制的卡槽内，保证把它放入可测定的区域，使激光透过透明的压片，计算机扫描后得到三个配方的红外光谱图如下图5所示。图5 微晶玻璃结合剂的红外光谱图 从图1我们可以看出，在波数为670cm-1处振动为si-o-b键

35、的弯曲；在波数为700的振动属于bo3三角体的弯曲振动；在波数为760cm-1处的为o-si-o键伸缩振动；在波数为800cm-1处的振动属于bo4四面体的振动；在波数为12001400 cm-1之间为bo3的反对称伸缩振动；此外，通过三个配方的对比可以发现，增加硼的含量，可以使吸收峰变宽，这说明在网络结构中，bo4四面体具有向bo3三角体转变的趋势。3.4 微晶玻璃料热膨胀系数3.4.1 热膨胀系数的概念物质在温度变化过程中会沿一定方向发生尺寸（长度或体积）膨胀或收缩，热膨胀分析法就是在程序控制温度下，测量物质在可忽视负荷下的尺寸随温度变化的一种技术，通过热膨胀分析仪可测定物质的线膨胀系数和

36、体膨胀系数12。本实验主要分析线膨胀，即试样长度的变化。设物体在常温t时的长度为l，温度升到时的长度为，长度增加的量与温度升高的量之间存在以下关系：式中：比例系数为物体在温度升高1时的相对伸值，称为线膨胀系数。可得（-1）3.4.2 硼铝硅酸盐玻璃中各成分对热膨胀系数的影响随着温度的升高，玻璃中各质点的热运动振幅也增大，导致质点间距变大，呈现膨胀现象。为使质点间距增大，必须克服质点间的分子力，也就是氧化物玻璃的各种阳离子和氧离子之间的键力，其力值越大，玻璃热膨胀就越困难，即热膨胀系数越小；反之，玻璃的热膨胀系数就越大。以下是各种成分对其的影响：（1）二氧化硅。二氧化硅是形成玻璃的基础和骨架，它

37、起到提高玻璃粘度，增大强度及弹性、化学稳定性和抗腐蚀性能，同时增大了难熔程度及结晶倾向，降低了玻璃的均质性能。因硅氧键力较大，由si-o组成三维空间网络引入sio2，呈刚性，故不容易膨胀，由此二氧化硅能降低热膨胀系数，而且能提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、硬度、机械强度等。（2）氧化硼。氧化硼也是实用玻璃中的重要组分之一，以硼氧三角体或硼氧四面体为结构组元，在硼铝硅酸盐玻璃中与硅氧四面体共同组成网络结构，从而使玻璃结构更牢固，降低玻璃热膨胀系数，同时提高玻璃的热稳定性、化学稳定性和力学性能以及其他性能。在使用氧化硼时，必须考虑硼反常现象的这一性质。（3） 氧化铝。在硅酸盐矿物中，氧化铝有两种配

38、位，即铝氧四面体alo4和铝氧八面体alo6 。氧化铝能减低玻璃的结晶趋向和热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性和机械强度等。（4）氧化锂。锂离子的电场强度较大，具有很多特殊作用，主要体现在能提高玻璃的化学稳定性、表面张力和析晶能力等方面，还有髙助熔、加速玻璃熔化作用，因为锂离子在高温时在结构中形成了不对称中心，能极化氧离子和减弱硅氧键。把氧化锂加入到玻璃后，会使玻璃四面体之间的连接断裂，出现非桥氧，导致玻璃结构疏松、减弱，从而提高了热膨胀系数。3.4.3 玻璃料线膨胀系数的测定将烧结后的玻璃结合剂试样用模具在压机上压制成6×6×26mm规格为的尺寸，在北京光学仪器厂

39、生产的wcp-2型微机差热膨胀仪上进行热膨胀分析，配方一的玻璃料的最高加热温度为600，g-c-2和g-c-3号玻璃料的最高加热温度为500，加热时对升温速率不做要求（一般取10/min或20/min）。线膨胀系数测定结果见表8。表8 线膨胀系数测定结果配方100200300400500g-c-110.6610.229.118.589.51g-c-28.818.888.768.7710.03g-c-36.097.357.868.2510.39由表8可以发现，在300以下的低温烧结阶段，玻璃料的配方随着硼含量的增加，玻璃料的线膨胀系数呈降低趋势；在400时，三组配方的线膨胀系数并无明显变化；而在

40、500时，随着硼含量的增加，玻璃料的线膨胀系数反而有趋向增大的趋势。故在结合剂的烧结过程中，要控制温度的升高以及升温速率，以保证烧结能够得到最好的结合剂性能。3.4.4 结合剂的膨胀系数和磨料的膨胀系数之间的关系结合剂的膨胀系数大小磨具的磨削性能有影响。在磨削时，磨具进入磨削部分后，如果结合剂的膨胀系数大于磨粒的，受到磨削热的作用，结合剂会产生一种压应力，牢牢地把持着磨粒，使其不易脱落，也即其韧性增加。反之，磨粒则容易于脱落，因而脆性增加。磨具的强度、制造工艺和使用性能受到结合剂的膨胀系数与磨料的膨胀系数的匹配性的直接影响。若结合剂的膨胀系数大于磨料的膨胀系数，则产品在冷却的过程中，则其体积收

41、缩比磨料大，导致结合剂桥产生张应力，削弱了结合剂桥的作用。反之，结合剂的膨胀系数小于磨料的膨胀系数，则产品在冷却过程中，磨料的体积收缩更快，磨粒将会拉离结合剂桥，从而削弱结合剂桥的固结强度，磨削时磨料容易从结合剂上脱落下来。所以，生产磨具一般要求结合剂和磨料的膨胀系数相等或接近，同时，还要求结合剂的膨胀系数随温度的增长率一直比较平缓，否则，当烧成温度较快时，会造成坯体内因温差而产生较大热应力，大规格、高厚度的砂轮会因此而产生裂纹。3.5 x射线衍射分析3.5.1 x射线的概述 x射线在本质上也属于电磁波，其波长范围介于紫外线和射线之间，但无明显分界线。x射线与其他电磁波和微观粒子一样，都具有波

42、动和粒子的双重特性即波粒二象性。x射线谱分为两种，即连续x射线谱和特征x射线谱。x射线照射到物体上时，会与物质相互作用，一部分光子因与原子相碰撞而改变了前进的方向，产生散射线；另一部分光子可能为原子所吸收而产生光电效应；还有部分光子的能量可能在与原子碰撞的过程中传递给原子，成为热振动能量。其中x射线的散射可分为相干散射和不相干散射两类。3.5.2 x射线衍射的应用晶体中各个原子对x射线的相干散射波干涉叠加而成的x射线称为衍射线，这种现象与可见光经过光栅后发生的衍射现象很相似。只有当光程差为波长的整数倍时，相邻晶面的“反射”波才能干涉加强形成衍射线，即产生衍射的条件是： 。其中n是整数，这就是x

43、射线晶体学中最基本的公式，即著名的布喇格公式；为半衍射角，即入射线与晶面的交角必须满足上述公式。x射线的衍射方法有劳厄法、转动晶体法、粉晶法和衍射仪法，其中劳厄法是用连续x照射固定单晶体，转动晶体法是用单色x射线照射转动的单晶体，粉晶法是用单色x射线照射粉晶或多晶试样，衍射仪法是用单色x射线照射多晶体或转动的单晶体。x射线衍射方法不仅已确定了数以万种的无机和有机晶体的结构，还为金属、陶瓷、建筑、化工等材料的研究提供了许多测试分析方法，在金属、陶瓷、建筑材料等的研究方面，主要应用的是x射线物相分析，也就是根据试样衍射线的位置、数目和相对强度等确定试样中包含有哪些结晶物质以及它们的相对含量。本次实

44、验是对陶瓷结合剂进行结构分析，取配方二的少量试样进行分析测试结果如下图6所示。 图6 x射线衍射分析图样衍射线速的强度主要与晶体结构，包括晶胞中原子种类、数目和排列方式，晶体完整性以及参与衍射的晶体的体积有关，所以，通过对衍射线强度的测量和分析，我们可以得到晶体结构和点阵畸变的一些信息。由于晶体中原子的相干散射波干涉叠加而成了衍射x射线束，故我们可以从衍射x射线束的强度来确定微晶玻璃结合剂中的晶体结构以及结构中各组分的相对含量。从粉末衍射线束的强度测量中，我们可以得到有关晶体结构，多相混合物中各物质的相对含量的许多信息。我们对配方二的结合剂进行了衍射分析，得到上图6，图中，每个衍射角对应一条衍

45、射线束，而每条衍射线束的强度又反应了晶体结构中所对应的物质含量，衍射角在30之前，衍射线束的强度相对较大，尤其是在26附近，衍射峰明显凸起，说明该点对应的某种原子含量较多；衍射角在30之后，衍射峰在整体上有下降趋势，衍射强度变化整体趋于平缓，只是大概在48处，有稍微明显的强度突变。3.6 烧结点的范围测定 测定材料的烧结温度及其烧结温度范围，为合理选择生产工艺和确定工艺参数等提供科学的根据，对提高工业上的生产效率和降低成本等都有重要的意义。 烧结范围的大小对烧结结合剂有很大影响，是结合剂的重要性能指标之一，生产过程中，为方便控制生产工艺或使制品不至于变形，通常要求结合剂的烧结范围较大。烧结范围

46、是指烧结温度到开始发生局部熔融的温度之间的范围，测定烧结范围是为了获得结合剂从变形到坍塌的温度范围，磨具的烧成制度可以此为参考。实验中，将玻璃料制成6×6×2.6的条状，在熔块炉中烧结，观察试样形态的变化，记录试样开始收缩时的温度、无明显收缩时的温度以及熔融温度，同时得到下图7所示的烧结曲线。 （a） (b) 图7 一号和二号配方试样的烧结范围图样 在图7中，我们可以发现, 配方一的玻璃料烧结范围为500-550，配方二的玻璃料烧结范围为500-540。配方一在温度升高到30时，体积开始出现膨胀收缩，并且膨胀量在160左右；配方二在温度升高到20时，体积开始出现膨胀收缩，并

47、且膨胀量在130um左右。 结 论1、增加硼的含量，玻璃料的核化和晶化温度均会下降，但是放热峰会随硼含量的增加而越来越不明显。2、在最高烧结温度为750下，三个配方的结合剂的流动性都较好；并且增加硼的含量，可以提高结合剂的流动性。3、在波数为670cm-1处振动为si-o-b键的弯曲振动；在波数为700的振动属于bo3三角体的弯曲振动；在波数为760cm-1处的为o-si-o键伸缩振动；在波数为800cm-1处的振动属于bo4四面体的振动；在波数为12001400 cm-1之间为bo3的反对称伸缩振动；此外，通过三个配方的对比可以发现，增加硼的含量，可以使吸收峰变宽，这说明在网络结构中，bo4

48、四面体具有向bo3三角体转变的趋势。4、在300以下的低温烧结阶段，玻璃料的配方随着硼含量的增加，玻璃料的线膨胀系数呈降低趋势；在400时，三组配方的线膨胀系数并无明显变化；而在500时，随着硼含量的增加，玻璃料的线膨胀系数反而有趋向增大的趋势。故在结合剂的烧结过程中，要控制温度的升高以及升温速率，以保证烧结能够得到最好的结合剂性能。5、每个衍射角对应一条衍射线束，而每条衍射线束的强度又反应了晶体结构中所对应的物质含量，衍射角在30之前，衍射线束的强度相对较大，尤其是在26附近，衍射峰明显凸起，说明该点对应的某种原子含量较多；衍射角在30之后，衍射峰在整体上有下降趋势，衍射强度变化整体趋于平缓

49、，只是大概在48处，有稍微明显的强度突变。6、配方一的玻璃料烧结范围为500-550，配方二的玻璃料烧结范围为500-540。配方一在温度升高到30时，体积开始出现膨胀收缩，并且膨胀量在160左右；配方二在温度升高到20时，体积开始出现膨胀收缩，并且膨胀量在130um左右。 参 考 文 献 1 陈建华，孙方明.锂铝硅微晶玻璃j.材料导报，1995，（5）. 2 宋开新,俞建长. 微晶玻璃的制备与应用j. 山东陶瓷, 2002，（2）. 3 佟海楼.陶瓷磨具烧成工艺学.北京：机械部机床工具工业局,1996. 4 万隆，周武艺. 砂轮微晶玻璃结合剂的研究j.金刚石与磨料磨具工程，2003，（06）

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