氟化物玻璃陶瓷的氟挥发特性及结构与性能研究

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1、硕士学位论文氟化物玻璃陶瓷的氟挥发特性及结构与性能研究作者姓名牛昌辉学科专业材料学指导教师吴建青教授所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年04月Thefluorinevolatilizationcharacteristics,microstructureandperformanceofthefluorideglass-ceramicADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：NiuChanghuiSupervisor：Prof.WuJianqingSou

2、thChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TQ174.73学校代号：10561学号：201520115193华南理工大学硕士学位论文氟化物玻璃陶瓷的氟挥发特性及结构与性能研究作者姓名：牛昌辉指导教师姓名、职称：吴建青教授申请学位级别：硕士学科专业名称：材料学研究方向：高性能陶瓷材料论文提交日期：2018年04月12日论文答辩日期：2018年05月29日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：饶平根委员：吴建青、吕明、彭诚、谢平波摘要氟化物玻璃

3、陶瓷因其优雅的外观、似玉的质感而被广泛应用在日用餐具、灯饰照明和工艺品制作等诸多领域。然而，在氟化物玻璃陶瓷熔制过程中，氟的挥发不仅降低了产品的质量，增加了生产成本，而且会对生态环境和人体健康造成不可忽略的影响。因此，降低氟化物玻璃陶瓷生产过程中氟的挥发在节能减排、绿色生产和环境保护等方面具有重要意义。本论文的研究内容主要包括以下三个方面：氟化物玻璃陶瓷制备过程中氟的挥发特性及动力学研究；氟挥发对氟化物玻璃陶瓷显微结构与性能的影响研究；RO对氟化物玻璃陶瓷氟挥发、显微结构及性能的影响研究。本文采用高温熔融法来制备氟化物玻璃

4、陶瓷。探究了原料以及熔制工艺因素对氟化物玻璃陶瓷熔制过程中氟挥发的影响规律。在此基础上对氟挥发反应动力学做了初步研究，并确定氟的挥发过程可用扩散控制的二级反应动力学模型来描述。实验结果表明：配合料熔制过程中氟的挥发与氟来源密切相关，四种常用的含氟矿物中（氟硅酸钠、冰晶石、氟化纳和氟化铝），以氟化铝引入氟时，氟挥发较少。降低配方中氟的加入量、熔融温度和缩短熔融时间能够减少熔制过程中的氟挥发。降低配合料的含水率和石英砂的粒度能够加快玻璃配合料的熔制进程，并能减少氟的挥发。常压下，玻璃陶瓷在1350℃~1450℃熔制温度范围内，

5、氟挥-1发的反应活化能E=97.02kJ/mol，指前因子A=12.82min。通过正交实验探究了氟挥发对氟化物玻璃陶瓷显微结构和性能的影响规律。随着氟挥发增加，玻璃基体中氟化物析晶减少，玻璃陶瓷的白度、密度和抗折强度均下降。氧化钙的加入使玻璃中CaF2析晶增加，玻璃陶瓷的强度增大。当熔融温度为1350℃，熔融时间40min，以氟化铝为氟来源，氧化钙加入量为1.5wt%时，可以制备出白度值为90.4%，抗折强度为109.4MPa的玻璃陶瓷，氟挥发率为15.3%。RO在玻璃中具有较为复杂的作用，一方面削弱玻璃的网络结构，另一

6、方面，2+-对玻璃的结构起到积聚作用。此外，R还能与F键合，形成熔点较高的氟化物微晶。为此，本论文通过改变基础配方中RO的含量，系统研究了RO对氟化物玻璃陶瓷的氟挥发、显微结构及性能的影响规律，研究结果表明：I配方中RO（MgO、CaO、SrO和BaO）的加入能够促进在玻璃基体中析出大量高热膨胀系数的氟化物微晶（NaMgF3、CaF2、SrF2、BaF2等），使玻璃基体-受到均匀的压应力，同时减弱了F对玻璃网络的破坏作用，玻璃陶瓷的抗折强度2+2+2+增加。其中CaO对玻璃陶瓷的抗折强度影响最为显著。随Ca、Sr、Ba离子

7、半径增大，RO对玻璃陶瓷的抗折强度影响减弱。ZnO对玻璃陶瓷的析晶促进作用微弱，加入较多的ZnO反而会削弱玻璃结构的紧密程度而使玻璃陶瓷的抗折2+强度降低。RO的加入还使玻璃陶瓷的体积密度增大，且随R半径增大，体积密度增加显著。2+在加入等质量RO的条件下，MgO对玻璃熔体中氟的固定作用最强，随R2+2+2+2+22+-（Mg、Ca、Sr和Ba）半径增大，z/r逐渐减小，R对熔体中F的固定作2+用减弱，RO对氟挥发率的影响程度降低。而Zn在玻璃熔体中不参与析晶，以[ZnO6]、[ZnO4]的形式存在于网络中，随ZnO加入量

8、增加，[ZnO6]转变为[ZnO4]而使玻璃网络结构紧密程度降低，熔体粘度下降，氟挥发率呈现增加趋势。RO对氟化物玻璃陶瓷的白度具有不同程度的影响。其中MgO对玻璃陶瓷白度的影响最大，在MgO加入量小于4wt%时，样品白度值较高且变化较小，最高达91%，进一步加入MgO，样品白度值迅速降低。这与玻璃陶瓷