Al2O3/SiO2对Li2O-Al2O3-SiO2-MgO微晶玻璃析晶行为及力学性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1134

摘要/Abstract

摘要：

Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-MgO微晶玻璃因优异的热学性能及力学性能备受关注，其玻璃网络结构、晶相组成及最终力学性能受到Al₂O₃/SiO₂摩尔比的显著影响。本研究采用高温熔融法制备了系列不同Al₂O₃/SiO₂摩尔比组成的玻璃样品，并通过两步法热处理工艺成功获得了系列主晶相为Li _x Al _x Si_1-_x O₂的微晶玻璃。研究结果表明：随着Al₂O₃/SiO₂摩尔比增加，玻璃网络中Q³、Q⁴基团向Q¹、Q²基团转化，这一表观变化实质是由［AlO₄］增加引起的扰动所致；热膨胀系数由5.31×10^-6 ℃^-1逐渐升高至5.98×10^-6 ℃^-1，呈递增趋势；晶体微观结构从球状转变为不规则晶体，最终转变为蜂窝状；晶相从Li _x Al _x Si_3-_x O₆、MgAl₂Si₄O₁₂和SiO₂转为Li _x Al _x Si_1-_x O₂、MgAl₂Si₄O₁₂、LiAlSi₃O₈和SiO₂，最终转为LiAlSi₂O₆和Li _x Al _x Si_1-_x O₂。力学性能测试表明，微晶玻璃的最大维氏硬度为8.89 GPa，随后的性能衰减主要归因于晶相转变及晶体微观形貌向蜂窝状的演化。

关键词: 铝硅酸盐玻璃, Al₂O₃/SiO₂, 玻璃网络结构, 力学性能, 微观结构, 结晶过程

Abstract:

Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-MgO glass-ceramics has attracted much attention due to its excellent thermal and mechanical properties， and its glass network structure， crystal phase composition and final mechanical properties are significantly affected by Al₂O₃/SiO₂ molar ratio. In this study， a series of glass samples with different Al₂O₃/SiO₂ mole ratios compositions were prepared by high-temperature melting method， and a series of glass-ceramics with Li _x Al _x Si_1-_x O₂ as the main crystalline phase was successfully obtained by a two-step heat treatment process. Research findings indicate that with the increase of Al₂O₃/SiO₂ mole ratio， Q³ and Q⁴ units within the glass network transform into Q¹ and Q² units， and this apparent change is essentially caused by the disturbance caused by the increase of ［AlO₄］. The coefficient of thermal expansion gradually rises from 5.31×10^-6℃^-1 to 5.98×10^-6 ℃^-1， with a incremental tendency. The crystal morphology evolves from spherical to irregular， and finally to a honeycomb structure. The crystal phase changes from Li _x Al _x Si_3-_x O₆， MgAl₂Si₄O₁₂， and SiO₂ to Li _x Al _x Si_1-_x O₂， MgAl₂Si₄O₁₂， LiAlSi₃O₈， and SiO₂， and ultimately to LiAlSi₂O₆， and Li _x Al _x Si_1-_x O₂. The mechanical property tests show that the maximum Vickers hardness of glass-ceramics is 8.89 GPa， and the subsequent decay of the performance is mainly attributed to the transition of crystal phase and the evolution of the microscopic morphology of the crystal to honeycomb structure.

Key words: aluminosilicate glass, Al₂O₃/SiO₂, glass network structure, mechanical property, microstructure, crystallization process

中图分类号:

TQ171.79

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图/表 10

表1 LASM微晶玻璃的化学组成

Table 1 Chemical composition of LASM glass-ceramics

Sample No.	Mole fraction/%
Sample No.	SiO₂	Al₂O₃	Li₂O	MgO	P₂O₅	ZrO₂	Na₂O
B1	70.3	4.3	16.1	5.4	0.9	2.8	0.2
B2	68.3	6.3	16.1	5.4	0.9	2.8	0.2
B3	66.3	8.3	16.1	5.4	0.9	2.8	0.2
B4	64.3	10.3	16.1	5.4	0.9	2.8	0.2

图1 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

图2 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的FTIR谱和27Al MAS-NMR谱

Fig.2 FTIR spectra and 27Al MAS-NMR spectra of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

图3 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的拉曼光谱，用于Q n 分析的拉曼光谱峰值的高斯拟合和计算出不同比值Q n 基团的分峰拟合结果

Fig.3 Raman spectrum of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios， Gaussian fitting of Raman spectral peaks for Q n analysis， and calculated Q n group peak fitting results for different ratios

图4 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的DSC曲线

Fig.4 DSC curves of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

表2 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的Tg和Tp

Table 2 Tg and Tp of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

Sample No.	B1	B2	B3	B4
T_g/℃	568	584	607	631
T_p1/℃	784	791	796	798
T_p2/℃	809	819	831	842

图5 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃样品的热膨胀曲线和热膨胀系数变化

Fig.5 Thermal expansion curves and variations in CTE of glass samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

图6 不同Al2O3/SiO2摩尔比微晶玻璃样品的XRD谱

Fig.6 XRD patterns of glass-ceramic samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

图7 不同Al2O3/SiO2摩尔比微晶玻璃样品断面的SEM照片

Fig.7 SEM images of cross-sections of glass-ceramic samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

图8 不同Al2O3/SiO2摩尔比玻璃和微晶玻璃样品的维氏硬度

Fig.8 Vickers hardness of glass and glass-ceramic samples with different Al2O3/SiO2 mole ratios

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Al₂O₃/SiO₂对Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-MgO微晶玻璃析晶行为及力学性能的影响

Effect of Al₂O₃/SiO₂ on Crystallization Behaviour and Mechanical Properties of Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-MgO Glass-Ceramics

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