第26卷 第12期 无 机 材 料 学 报 Vol. 26 No. 12

2011年12月 Journal of Inorganic Materials Dec., 2011

收稿日期: 2010-12-31; 收到修改稿日期: 2011-02-28 作者简介: 李要辉(1984−), 男, 博士.E-mail: liyaohui05@mails.thu.edu.cn

文章编号: 1000-324X(2011)12-1319-08 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2011.01319 Li2O·Al2O3·4SiO2-Ta2O5系微晶玻璃分相与析晶机理研究

李要辉1, 梁开明2, 成惠峰1, 吴云龙1 (1. 中国建筑材料科学研究总院, 北京100024; 2. 清华大学 材料科学与工程系, 北京100084) 摘 要: 采用Ta2O5为晶核剂制备Li2O·Al2O3·4SiO2-Ta2O5微晶玻璃, 并研究其分相、析晶机理, 构建晶化模型. 结

果表明Ta2O5能有效促进玻璃的体积析晶, 获得了晶粒尺寸为50nm的精细组织. 非等温动力学计算显示随Ta2O5

含量增加, 析晶活化能降低, 析晶指数增加, 析晶动力学参数K(Tp)作为析晶判据更为合理. 研究发现, LAST玻璃

冷却时因亚稳分解导致互锁分相, 形核前期又借助成核生长机制发生微滴分相, 晶体生长则在继承亚稳分相形貌基础上发生“他形”析晶. 最终构建了LAST微晶玻璃的晶化模型. 关 键 词: 锂铝硅微晶玻璃; Ta2O5; 分相; 析晶机制

中图分类号: TQ171 文献标识码: A

Phase Separation and Crystallization of Li2O·Al2O3·4SiO2-Ta2O5 Glass-ceramics LI Yao-Hui1, LIANG Kai-Ming2, CHENG Hui-Feng1, WU Yun-Long1 (1. China Building Material Academy, Beijing 100024, China; 2. Department of Materials and Engineering, Tsinghua Univer-sity, Beijing 100084, china)

Abstract: Li2O·Al2O3·4SiO2-Ta2O5 glass-ceramics were prepared with Ta2O5 as nucleating agent, and the phase

separation and crystallization mechanism were investigated. The results show that addition of Ta2O5 promotes internal crystallization effectively, which result in fine-grained microstructure with dimension of 50nm. The non-isothermal crystallization kinetics indicates that the crystallization activation energy decrease and crystallization index increase apparently with increasing amount of Ta2O5, the parameter of K(Tp) is recommended as a better crystallization crite-

rion. It is considered that spinodal decomposition occur primarily and result in an interlocking phase separation on cooling of glass, metastable droplet phase separate by nucleation and growth mechanism upon reheating process, then, “anhedral” crystallization takes place and inherits the morphology of the original phase separation. Consequently, the crystallization model of LAST glass-ceramics is put forward successfully. Key words: lithium aluminosilicate glass-ceramics; Ta2O5; phase separation; crystallization mechanism

Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系微晶玻璃具有极低甚至接近于零的热膨胀系数和优异的透光性能, 广泛用于制造耐热炊具以及精密光学器件, 多年来备受关注[1-3]. 通过添加适当的晶核剂和热处理后, LAS微晶玻璃可生成β-石英固溶体和β-锂辉石固溶体两种主晶相, 得到均匀致密的组织结构[4-5]. 研究认为, 四配位[TiO4]和低温稳定的六配位状态[TiO6]结构上的差别会引起玻璃核化过程中发生分相, 形成大量的富钛微晶作为β-石英固溶体的非均匀形核核心, 促进玻璃晶化[6-9]. 尤其是采用TiO2+ZrO2复合晶核

剂时ZrTiO4晶核密度可达1016~1017/mm3, 更易于获

得晶粒细小、结构均匀的精细组织, 制备高透明LAS微晶玻璃. 此外, 为改善LAS系微晶玻璃的熔制性能, 调节其热膨胀系数, 常加入少量的碱金属、碱土金属氧化物, 化学组成表示为Li2-2(u+v)MguZnvO·nSi1-2wAlwPwO2, 其中n值为4~10, u+v<1, w<1/2. Ta2O5作为玻璃形成氧化物常应用于制备光学1320 无 机 材 料 学 报 第26卷 玻璃[10], 但将Ta2O5用作晶核剂来制备微晶玻璃的研究却非常少. 1989年Hsu等[11]通过对比Ta2O5和TiO2在Li2O·Al2O3·6SiO2玻璃系统中的析晶作用,

认为Ta2O5可以作为一种有效晶核剂. Donald等[12]

对Li2O-ZnO-SiO2-Ta2O5玻璃析晶研究也证实了Ta2O5具有改善玻璃析晶的作用. 目前, 仅有Hsu

等[11]的工作涉及到Li2O-Al2O3-SiO2-Ta2O5(LAST)系

微晶玻璃, 尚未有针对以Ta2O5为晶核剂的LAS微晶玻璃的分相机理、析晶机制、组织结构和性能的系统研究. 作者前期研究发现[13], Ta2O5可作为一种有效晶核剂制备无色透明的LAS基微晶玻璃. 本工作以Ta2O5为晶核剂制备LAS系微晶玻璃, 研究不同Ta2O5添加量对LAS微晶玻璃的晶化行为、主晶相类型以及组织结构的影响, 系统分析LAST微晶玻璃的分相、析晶机制以及晶体生长模型, 为Ta2O5

晶核剂的成功应用提供理论基础.

1 微晶玻璃的制备及表征方法 为避免其它氧化物对析晶机制的影响, 基础玻璃成分接近β-锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)整比化合物,

添加不同比例的Ta2O5作为晶核剂, 不同LAST玻璃的成分如表1所示. 玻璃原料采用化学纯粉末试剂, Li2O以碳酸盐形式引入, 其余均为氧化物, 经

精确称量后将配合料充分研磨混匀, 放入氧化铝坩埚, 在马弗炉中1550~1600℃熔化3~5h制得均匀澄清的玻璃熔体. 将熔融好的玻璃液倾倒在预热的铁板上, 经退火降至室温, 得到基础玻璃, 热处理后制得微晶玻璃样品. 将基础玻璃粉在NETZSCH公司STA 409 PC同步热分析仪上进行差热分析(DTA), 升温速率为5~20℃/min, 温度测定范围为30~1100℃. 利用Rigaku D/Max-2500衍射仪对各粉末样品作X射线衍射分析(XRD), 电子束加速电压和电流分别为40kV和200mA, 扫描速度为6°/min, 步长0.02°, 铜

表1 LAST系列微晶玻璃的化学组成(wt%) Table 1 Composition of LAST glass-ceramics (wt%)

Ta2O5

mol%wt%

LAST0 8.1027.4064.50 — —

LAST2 6.9923.9656.35 2.0 12.70LAST4 6.1921.1549.77 4.0 22.89LAST6 5.5018.8444.29 6.0 31.28

靶. 微晶玻璃样品经研磨抛光后, 在2% HF溶液中侵蚀60s, 喷金处理后, 采用热场发射LEO-1530型扫描电镜(SEM)观察微晶玻璃的组织形貌, 并测定不同微区内的元素分布情况.

2 LAST微晶玻璃的晶化行为分析 2.1 DTA分析 无晶核剂的LAST0玻璃在1000℃以上才出现微弱且较宽的放热峰, 图1为三种LAST基础玻璃在不同升温速率时的DTA曲线, 当2mol%的Ta2O5

加入后, LAST2玻璃晶化峰的强度和尖锐程度增加,

晶化峰值温度Tp降低约100℃. 对应玻璃相向β-石英固溶体转变, LAST4、LAST6玻璃的DTA曲线均显示出显著的晶化放热峰, 且随Ta2O5含量增加, 放热峰的半高宽减小, 强度增加. 上述结果表明, Ta2O5的加入显著降低了LAS玻璃的析晶温度, 有

效地促进了玻璃相向β-石英固溶体相的转变, 并可能使析晶速率增大. 因此, 利用Ta2O5作为晶核剂是可行的. 2.2 XRD物相分析 图2为LAST玻璃不同温度热处理1h后的XRD物相分析结果, 由图可见随Ta2O5含量的变化, 主晶相的析出温度以及次晶相的类型均不相同. LAST2玻璃在900℃/1h热处理后仍保持透明的玻璃态, 温度升高到1000℃时析出β-石英固溶体、β-锂辉石固溶体和AlTaO4三种晶相. LAST4玻璃在

图1 不同Ta2O5含量的LAST玻璃的DTA曲线, 升温速率5~20℃/min Fig. 1 DTA curves of LAST glasses with different contents of Ta2O5 at heating rate of 5−20℃/min

SampleLi2OAl2O3 SiO

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