低膨胀硼硅酸盐玻璃熔体密度和表面张力测量

第３８卷２００９年

增刊２１２月

ＲＡＲＥ

稀有金属材料与工程

ＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｖ０１．３８，Ｓｕｐｐｌ．２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２００９

低膨胀硼硅酸盐玻璃熔体密度和表面张力测量

李建强１，张晓瑞１，一，陆平３

（１．中国科学院多相复杂系统国家重点实验室，北京１００１９０）

（２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）（３．武汉理工大学，湖北武汉４３００７０）

摘要：采用静滴法测量并对比典型低膨胀硼硅酸盐玻璃和普通钠钙硅玻璃的熔体密度和表面张力。结果表明，硼硅

酸盐玻璃的密度要低于钠钙硅玻璃，二者均随温度升高而线性降低。硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数要低于普通钠钙硅玻璃。在１０００—１２００℃的温度区间内，钠钙硅玻璃的表面张力低于硼硅酸盐玻璃，均随温度升高而线性增加，表面张力

温度系数分别为０．１１８６７和０．２７８６７。

关键词：硼硅酸盐玻璃；密度；表面张力；静滴法

中图法分类号：ＴＱｌ７１．１十１２

文献标识码：Ａ文章编号：１００２．１８５Ｘ（２００９）￥２．０７９２－０３

低膨胀硼硅酸盐玻璃具有许多优良的性能，如良好的热稳定性、化学稳定性、机械性能、可加工性能和光学性能。被广泛应用于许多领域，如ＬＣＤ投影仪保护盖片、平板显示器玻璃、防火玻璃、光学滤色反色镜、医用生物基片、生物科技ＤＮＡ芯片、耐热玻璃面板等。尤其重要的是，硼硅酸盐平板玻璃可以用作太阳能电池玻璃。随着我国和世界光伏产业的快速发展，硼硅酸盐玻璃的作用会日益显著。最新研究又发现，硼硅酸盐玻璃的纳米粒子在生物医学和光电子领域也极具潜力【ｌ捌。

玻璃熔体的表面张力是生产中的重要基础参数。特别是在玻璃的澄清、均化、成型、玻璃与耐火材料相互作用等过程中，表面张力的作用十分明显。首先，在玻璃熔化时，熔融玻璃内会产生一些气泡、条纹、不均匀成分等缺陷。在熔制过程中，表面张力在一定程度上决定了玻璃液中气泡的长大和排除。在一定条件下，微小气泡在表面张力的作用下，可溶解于玻璃液中。在均化时，条纹及节瘤扩散溶解的速度主要取决于主体玻璃和条纹表面张力的相对大小。如果条纹的表面张力较小，则条纹力求展开成薄膜状，并包围在玻璃体周围，这样条纹就很快地溶解而消失：相反，如果条纹或节瘤的表面张力较主体玻璃的表面张力大，条纹力求成球形，不利于扩散和溶解，因而较难消除。用浮法工艺成形较薄玻璃时，需要在玻璃带两边用拉边机把玻璃拉薄，此时表面张力使玻璃带收缩

收稿日期：２００９－０６．１５

的作用也很大。因此研究玻璃熔体的表面张力对其生产过程至关重要［３，４１。

但是，截至目前，关于硼硅酸盐玻璃高温熔体表面张力和密度的文献却很少【５】。本研究利用改进的静滴法测量并计算硼硅酸盐玻璃熔体的密度和表面张力，并与普通的钠钙硅玻璃进行比较。

１

实验方法

实验在静滴法高温熔体表面性质综合测量仪上进

行，静滴法原理参见文献【６，７】。设备由实验室自行设计和研制，示意图如图１所示。

静滴法设备主要包括加热系统、成像系统和图形处

理计算系统。玻璃样品加工成直径为５衄的圆柱，置

于石墨基板上，在氧化铝炉管内加热熔化。加热前先对炉管预抽真空，然后通入高纯氩气作为保护气氛。氩气进入炉管前需要进行净化，变色硅胶柱是初级净化装置，主要用于除去气氛中的水蒸气；次级净化装置是管式镁炉，不锈钢炉管内装满纯金属镁屑，实验中加热到６００℃左右，用于除去保护气中残留的少量氧。

样品熔化后形成液滴，光源将液滴轮廓投影到成像系统，在设定的温度和时间进行拍照。成像系统采用高像素数码相机和专业微距镜头，另配有可伸缩镜头。根据拍摄的熔滴照片，通过自行开发的计算机软件直接在线进行表面性质计算，软件基本原理是基于Ｌａｐｌａｃｅ方

基金项目：国家自然科学基金委员会青年科学基金（５０７０４０３１）；中国科学院知识创新工程优秀青年人才领域前沿项目；教育部留学回国

人员启动基金和。北京市科技新星计划’’（２００７Ａ０８６）

作者简介：李建强，男。１９７５年生，博士，副研究员，中国科学院过程工程研究所，北京１００１９０，电话：０１０－６２５３３３８３。Ｅ－ｍａｉｌ：

ｊｑｌｉ＠，ｈｏｍ．ｉｐｅ．ａｇ．０１１

万方数据　

增刊２李建强等：低膨胀硼硅酸盐玻璃熔体密度和表面张力测量 ７９３

程，用迭代法对熔滴轮廓进行拟合，计算出密度、表面张力和接触角。计算与输出界面如图２所示。

图ｌ

静滴法测量熔体表面性质装置示意图

Ｆｉｇ．１

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｍｅｌｔｓｗｉｔｈｓｅｓｓｉｌｅｄｒｏｐｍｅｔｈｏｄ

图２静滴法测量的玻璃熔滴照片和计算拟和结果

Ｆｉｇ．２

Ｐｈｏｔｏｏｆｓｅｓｓｉｌｅ

ｄｒｏｐａｎｄｉｔｅｒａｔｉｖｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔ

实验用玻璃样品包括硼硅酸盐玻璃和钠钙硅玻璃两种，成分如表１所示。

表１玻璃样品的化学成分

Ｔａｂｌｅｌ

Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏｇｌａｓｓｓｐｅｃｉｍｅｎｓ

（ｍ／％）

Ｓｉ０２

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７２．６

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图３给出两种玻璃熔体在不同温度下的密度。可以看出，硼硅酸盐玻璃的密度要低于钠钙硅玻璃。随着温度升高，两种玻璃密度均呈线性减小。对数据进行线性回归，得到两种玻璃熔体密度随温度变化的关系：钠钙硅玻璃为ｐ－－２．６８－－１．７４ｘ１０一Ｔ，硼硅酸盐玻璃为ｐ＝２．４２—１．５８ｘ１０一Ｔ。其中，为摄氏温度。忽略加热

万　

方数据过程中液滴质量的变化，熔体密度的温度系数即表征了熔体的体积热膨胀系数。由以上２式可知，钠钙硅玻璃和硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数分别为１．７４ｘ１０。４和１．５８ｘ１０’４℃一，硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数要低于普通钠钙硅玻璃。

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ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＰＣ

图３

两种玻璃熔体密度随温度的变化

Ｆｉｇ．３

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓｏｆｄｅｎｓｉｔｉｅｓｏｆｍｏｌｔｓ

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Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ／＇Ｃ

图４两种玻璃熔体表面张力随温度的变化

Ｆｉｇ．４

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎｓｏｆｍｏｌｔｓ

图４给出了两种玻璃在１０００～１２００℃的表面张力。可以看出，在该温度区间内，钠钙硅玻璃的表面张力低于同一温度下的硼硅酸盐玻璃，前者在

３５５～３８０

ｍＮ／ｍ之间，后者在３５５～４００ｍＮ／ｍ之间。随

着温度升高，两种玻璃的表面张力均呈线性增加。线性回归得到关系式为：钠钙硅玻璃为盯１＝２３５．３＋０．１

１８６７Ｔ，硼硅酸盐玻璃为ａ２＝７３．６＋０．２７８６７Ｔ。其中ｒ

为摄氏温度。钠钙硅玻璃和硼硅酸盐玻璃的表面张力具有正的温度系数，分别为０．１１８６７和Ｏ．２７８６７。硼硅酸盐玻璃的表面张力温度系数高于普通钠钙硅玻璃。

当温度超过１２００℃，实验测得的硼硅酸盐玻璃表面张力会有所下降，从而在１２００℃出现一个峰值。这

种表面张力的反常变化及其原因还在进一步研究之中。

７９４

稀有金属材料与Ｊ＝程

第３８卷

３讨论

研究表明，在硅酸盐玻璃里面加入一定量的氧化硼，可以显著降低玻璃的热膨胀系数，制得低膨胀玻璃。本研究测量得到的硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数要低于普通钠钙硅玻璃，规律与之相符。

物质的表面张力取决于物质的结构、成分和温度。在熔融状态下，硼硅酸盐玻璃与钠钙硅玻璃的结构相似。所以，两种玻璃的不同表面张力及其温度系数，很可能与其成分有关，尤其是与氧化硼的影响有关。

图５给出了文献［８】中氧化硼在５００～２０００℃温度范围内的表面张力数据。可以看出，氧化硼的表面张力随温度增加显著，包括本实验的温度范围１０００—１２００℃。因此，可以推论，硼硅酸盐玻璃的高表面张力和正温度系数，很可能与其氧化硼含量有关。

４结论

１）硼硅酸盐玻璃的密度要低于钠钙硅玻璃，二者均随温度升高而线性减小。硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数要低于普通钠钙硅玻璃。

２１在１０００～１２００℃的温度区间内，钠钙硅玻璃的表面张力低于相同温度下的硼硅酸盐玻璃。随着温度升高，两种玻璃的表面张力均呈线性增加，表面张力温度系数分别为０．１１８６７和０．２７８６７。硼硅酸盐玻璃的表面张力温度系数高于普通钠钙硅玻璃。

参考文献

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图５氧化硼表面张力与温度的关系

Ｆｉｇ．５

ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆＢ２０３ｓｕｒｆａｃｅｔｅｎｓｉｏｎ（ｄａｔａｆｒｏｍ

Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ【８】）

ＳｕｒｆａｃｅＴｅｎｓｉｏｎａｎｄＤｅｎｓｉｔｙｏｆ

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ＢｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ

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（１．ＳｔａｔｅｋｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｕｌｔｉ ｐｈａｓｅｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）

（２．ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）

（３．ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

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万方数据　

低膨胀硼硅酸盐玻璃熔体密度和表面张力测量

作者：作者单位：

李建强， 张晓瑞， 陆平， Li Jianqiang， Zhang Xiaorui， Lu Ping

李建强,Li Jianqiang(中国科学院,多相复杂系统国家重点实验室,北京,100190)， 张晓瑞,Zhang Xiaorui(中国科学院,多相复杂系统国家重点实验室,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100049)， 陆平,Lu Ping(武汉理工大学,湖北,武汉,430070)稀有金属材料与工程

RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING2009,38(z2)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(8条)

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本文链接：/Periodical_xyjsclygc2009z2212.aspx

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