精品毕业论文碱铝硼硅系玻璃结合剂的性能

摘 要本课题主要是研究碱（Na2O+K2O）铝硼硅系玻璃结合剂的几种重要的性能，以及不同含量的B2O3对结合剂性能的影响。通过膨胀仪对结合剂的烧结点、烧结范围，热膨胀系数进行测定；通过差热分析仪对液相产生温度、核化温度、晶化温度进行测定，得出烧成制度；通过红外光谱仪进行对结合剂结构的分析，得出不同成分对玻璃（结合剂）结构的影响。研究结果表明：通过热膨胀分析得出随硼含量增加，热膨胀性呈现出先增大后减小的趋势，说明当硼含量增大到一定值时会出现硼反常现象；通过对玻璃料进行红外分析发现玻璃料中硼主要处于三次配位，且随硼含量的增加，三配位在增加，四配位的硼也可能增加。通过差热分析可得知随硼含量的增加的核化温度、晶化温度。 关键词：B2O3 差热分析 红外分析 膨胀系数 烧结范围Title Alkali aluminum borosilicate glass binders performanceAbstractThe main topic is the study of alkali (Na2O + K2O) aluminum borosilicate glass binders several important properties and the effect of different levels of B2O3 on binder performance.Sintering point of the binder, sintering range, the coefficient of thermal expansion were measured by the dilatometer .The liquid temperature, nuclear temperature, crystallization temperature were determined by differential thermal analyzer to come to the firing system. By infrared spectroscopy for the analysis of the structure of the binder. Come to the effect of different components on glass structure (binding agent).The results show that :By thermal expansion analysis obtained with the boron content increases, the thermal expansion showed a decreasing trend in the first increase and then note boron anomaly will appear when the boron content increases to a certain value. Found by infrared analysis of the glass frit frit-B is three times with the form. And with increasing boron content, three with increasing tetrahedral coordination of boron may also increase.Nucleation temperature and the crystallization temperature with the increase of boron content analysis can be drawn by differential thermal.Keywords: B2O3, Differential thermal analysis , Infrared Analysis , Thermal expansion, Sintering range目录AbstractII1 引言IV2 结合剂原料的选定及配方的计算V2.1原料的选定V2.2结合剂的配方VI221配方中各组成的性质特点VI222具体配方制定VII2.3 实验仪器及设备VII3 粉体玻璃料的制备以及块状试样的压制VII3.1粉体玻璃料的制备VII3.2块状试样的压制IX4 实验及分析IX41烧结范围的确定IX4.1.1烧结范围的理论知识IX4.1.2烧结范围实验及结果分析IX4.2差热分析XII4.2.1差热分析原理及相关理论知识XII4.2.2差热分析实验及结果分析XIII4.3热膨胀性XIII4.3.1热膨胀理论知识XIII4.3.2热膨胀试验及结果分析XIV4.4红外分析XVIII4.4.1红外分析（infrared spectra analysis）原理及相关理论知识XVIII4.4.2红外分析实验及结果分析XIX结 论XXIII致 谢XXIV参 考 文 献XXV1 引言要制造出好的磨具，必须使用好的恰当的结合剂，因为结合剂在磨具制造中有着不可替代的作用，它起着粘结与把持磨粒的基本作用。磨具的硬度、自锐性、强度、耐用度、使用寿命等这些基本的主要的性能，以及制造工艺性能等都由结合剂所决定。我们知道陶瓷结合剂金刚石砂轮现在正被广泛使用。磨削力相当强，磨削热比较低，砂轮磨损也较小是低温陶瓷结合剂金刚石砂轮的特点;在磨削时低温陶瓷结合剂金刚石砂轮具有形状保持性较好，磨出的工件精度高，各种冷却液的作用都可适应;并且砂轮内有不少气孔，因此磨削时有利于排屑及散热的进行，不易堵塞、烧伤工件;砂轮自锐性较好，修整间隔时间较长，且比较容易修整。并且我们发现在磨削加工过程中，结合剂磨耗是其主要损耗形式，因此，结合剂的磨耗应该特别注意，结合剂的性质要仔细研究。结合剂的磨削机理是以结合剂桥断裂为主。结合剂易磨耗就导致磨具的磨削性能和耐用度变差。为了改变这种情况，从改善结合剂性能着手早已在国内外进行起来13。陶瓷结合剂是陶瓷质或玻璃质的，耐高温，刚性好，磨削时适于精修整，不会产生让刀现象是这种结合剂所具有的主要的优良性能8。另外，它还有着对磨粒粘附力强，能进行高精度磨削，棱角保持性能好，制造过程中可进行气孔、硬度上的调整，利于磨削性能的提高，通过合理配比及生产控制，不会产生变形等一系列优良特点。低温陶瓷结合剂是由低熔点玻璃以及部分玻璃网络形成剂、调整剂的组成混合物。在一定温度下熔融，形成有一定流动性的粘滞液体，冷却以后包裹、固结磨料而达到磨削的要求。许多学者以前对硼就有许多研究，如李杨、韩高荣等人在钠硼硅玻璃分相的研究这篇论文讨论并分析了硼在结合剂中对玻璃相产生的作用，得出成分为16/84Na2OB2O32SiO2的玻璃的一条硼反常线，此线上方成分的玻璃容易分相，其中SiO2与B2O3的摩尔比为2的这一点就在硼反常线上。查阅资料，书籍等，我们不难看出硼比较复杂且作用诸多，有着一些优异的特性，而使其越来越成为一种不可取代的玻璃材料的成分。硼在结合剂中起着助熔剂的作用，即可降低熔融温度，提高结合剂的高温流动性（所以含B2O3较高的玻璃，成形温度范围较窄，可使机械成形的机速得到提高）；可提高结合剂强度，降低膨胀系数等。硼的结构往往会因为游离氧的存在而发生变化，由层状结构转变为三度空间架状结构（硼氧三角体转变成由桥氧组成的硼氧四面体）, 使网络结构得到加强，改善玻璃的多种物理性能。一些玻璃的性质变化曲线在硼含量连续增加中会有极值出现，这是因为硼含量超过一定值时, BO4又会转变成由桥氧组成的BO3,使两者的相对含量发生变化使玻璃料的结构和性质发生逆转,即发生了硼反常现象。高温下B2O3能降低玻璃的粘度，低温时则使玻璃粘度提高。硼的这些性能使我们可以通过调节其含量达到调整结合剂玻璃料的强度、热膨胀系数，烧结范围等一些性质2。2 结合剂原料的选定及配方的计算2.1原料的选定陶瓷结合剂所用的原料可以分为天然原料，化工原料，微晶玻璃（玻璃陶瓷）。本课题中是碱（Na2O+K2O）铝硼硅系玻璃结合剂，选择化工原料，具体为：石英，氧化铝，硼酸（为结合剂提供B2O3），碳酸钠（即纯碱引入Na2O）,碳酸钾（向结合剂中引入K2O）。（1）石英：主要成分是SiO2，是陶瓷结合剂中的主要瘠性料，也是主要的玻璃网状形成体，有较多许多较优良的性能，作为预熔玻璃用的主要原料。（2）氧化铝：呈白色粉末状，其密度是3.65-3.70g/cm3，熔点2050。C。本课题选工业纯铝作为Al2O3原料，纯度要求大于98.5。（3）硼酸：（H3BO3）白色的鳞片状三斜结晶，具有特殊光泽，摸上去有脂肪感，易溶于水，加热至100。C失水而部分分解，变为偏硼酸；140-160。C时，转变为四硼酸（H2B4O7）继续加热完全转变为熔融的B2O3。工业纯硼酸经加热脱水即成酸酐B2O3，酸酐密度是2.46 g/cm3，熔点460。C。硼酸为本次课题中的B2O3原料。本课题用料产地天津化学制剂厂，化学纯5。（4）碳酸钠：有多种形式，如：Na2CO3、Na2CO3H2O及Na2CO37 H2O等。其中Na2CO3纯品为细粒或者白色粉末，密度是2.53 g/cm3，熔点是851。C。碳酸钠是本次课题中Na2O的主要原料，通常以无水碳酸钠的形式引入。本课题用料产地天津化学制剂厂，化学纯5-8。（5）碳酸钾：又叫钾碱，结晶粉末状，呈白色。密度为2.43 g/cm3，熔点为891。C。不溶于乙醚、乙醇；却极易溶于水，呈现出碱性，在空气中也会潮解。冷却其饱和溶液会析出2K2CO33H2O，密度是2.04 g/cm3,100。C会失去结晶水。是本课题中的往玻璃中引入氧化钾的原料。（6）糊精：作为结合剂压制成型时的临时粘结剂，可以提高坯体的湿干强度，方便储存、搬运等操作。2.2结合剂的配方221配方中各组成的性质特点SiO2其主要作用如下：使毛坯干燥时的收缩降低；高温时石英体积会产生膨胀，这可调整磨具的烧成收缩；增加高温状态下的结合剂的黏度，使磨具抵抗高温形变的能力提高；使结合剂的脆性提高，加强磨具的自锐性，产生工效提高，减少工件烧伤的效果；在碳化硅磨具中，能促使硅酸盐层在结合剂与磨粒间形成，使碳化硅分解减少，防止碳化硅磨具“黑心”、发红。纯度一般要求要达到98-998。Al2O3属于中间氧化物: 当Na2O/Al2O3(分子比)小于1时，形成AlO2(OH)4八面体，属于网络外体，处于硅氧结构网的空穴之中；当玻璃中Na2O/Al2O3大于1时，则形成铝氧四面体并与硅氧四面体组成连续的结构网，它们均可增加结合剂的强度。氧化铝的加入可与石英在高温熔融后形成与粘土类似的作用。加入Al203粉，结合剂的不少相关性能会有所改善，主要因为Al203粉与陶瓷结合剂反应形成的反应层起着加强网络的作用，在气孔率较高的情况下使得陶瓷磨具具有高机械强度，为陶瓷磨具性能的改进提供了空间。Al203本身熔点很高，但当存在大量碳酸钠时，在250时即发生反应，且反应速度从250升高到600时呈现出逐渐增加的情况。原因是Al203加入量在一定范围内与玻璃熔体成分形成低熔点物质，降低其熔体粘度，增大流动度。如果Al203过量，剩余的Al203将存在于熔体中相当于加入第二相，增加熔体的粘度，使流动度下降31。Na2O、K2O都是网络外体氧化物，且他们作用类似。钾离子的半径大于钠离子的半径，粘度大于钠离子的，能降低玻璃的析晶倾向，使玻璃的透明度和光泽提高等2-5。B2O3是很好的助熔剂和网络形成体。B2O3中B-O键的离子性比Al203中的Al-O键离子性低。不像Al203中Al3+的配位数为6（较高），使氧倾向于紧密排列，易于调整成晶体(有规则排列)。所以，相反，B2O3较Al203更易形成玻璃2。一般情况下，B2O3有着降低结合剂粘度、控制热膨胀系数、提高化学稳定性、阻止失透、提高抗机械冲击及热冲击能力等作用。222具体配方制定因为本课题主要研究B2O3的含量对结合剂的影响，所以本课题设计了三组配方依次使硼的摩尔百分比从20%增加到25%在增加到30%，碱性氧化物不变，使SiO2、Al2O3相应做出稍微的调整。配方如下表所示：表1 本课题结合剂的配方SiO2Al2O3Na2O+K2OB2O3R2+或R3+1#58.215.852012#53.415.652513#49.514.553012.3 实验仪器及设备熔块炉 ： 型号:YKL 指标 : 额定温度1600 坩埚:50m，高铝瓷质快速研磨机： 型号:KMJ一双头 热膨胀系数仪：型号: LCP-1型 门式微机电子万能强度试验机型号:CM7450 干燥箱 红外光谱分仪差热分析仪 X射线衍射仪压机 电子称、天平、游标卡尺 3 粉体玻璃料的制备以及块状试样的压制3.1粉体玻璃料的制备化学组成决定着玻璃料的熔制温度及熔制速度，配混料化学组成不同，熔制温度以及熔制速度也要做出相应的改变。配混料中的助熔剂类物料含量多时，表明其中碱金属氧化物、碱土金属氧化物等总量对SiO2的比值较高，配混料就越易熔化，所以根据配混料的化学成分可估算出玻璃熔制温度范围。熔制前可根据玻璃料的化学组成，计算出玻璃熔制速度的经验常数。但是，有时熔制温度的计算值并不完全符合实际。比如当熔制含较多玻璃时，由于SiO2和B2O3在熔体中的扩散速度很小，需较长的熔化时间和较高的熔化温度。此外，当含多种助熔剂时，上述值也不完全符合实际情况。这是因为多种助熔剂之间往往会发生交互作用。实际的熔融温度略高于计算值。玻璃粉体的熔制工艺流程如下图：配方设计称量与研磨 混匀 造粒、密封均化 配方计算压制、成型干燥 熔制 急冷、破碎研磨图1 粉状玻璃料的制备流程图本课题配方的选择是根据文献的介绍和理论分析之后制定的，有较强的比较性，主要通过三个配方间B2O3含量的变化来比较各种磨具的性能。通过配方中化学成分的含量来计算选用化学药品的用量。本实验中先让各种药品分别过量研磨，分别过200目筛，之后，然后再让过完200目筛的各种原料混合在一起，再用过筛的方式让其混合均匀。传统的工艺是，先按配料量称量混合，研磨、过筛。这样做有一个缺点就是：在研磨过程中定会造成配料的损失，成分的改变，致使配方改变，试验数据不准确，甚至导致实验的失败。本实验中先让各种药品分别过量研磨，分别过200目筛，之后按照配方的数据准确称量就可以了。避免了大量的研磨和多次的过筛所造成的损失。另外，在混料的时候要先加入量多的料后加入量少的料，这样可利于料的混合均匀。对混合均匀的料进行造粒，先取少量的混合料在托盘上平铺上薄薄的一层，然后在其上面喷加水雾，稍等片刻，即用手来回抖动托盘，就会出现颗粒。如此反复进行，直到所有的料都造完粒为止。之后用小勺子把造好的粒装入保鲜袋中密封均匀，让水分在颗粒中分布均匀利于成型。此次压制只是利于投料，所以对模具的形状没有严格要求，成型压力为30MPa。压制完后在干燥箱中恒温100干燥一天。接下来要进行玻璃料的熔制了，我们采取的是高温投料，就是先把熔快炉升到1000，然后再把压制好的料快速投入到炉子中。在炉子的下部放上一盆凉的清水，且一定要用金属的容器，禁止用塑料容器。这是由于当温度升高到一定程度时，液体的玻璃料就会从炉子中流出来，进入到盆子的冷水中急冷。如果是塑料容器的话，在高温下它会融化的。收集一下熔制出来的玻璃料用铁的研钵先预磨一下，之后用球磨机进行湿磨，就是在球磨罐中先加入已经球磨过的玻璃料再加四分之三的水及研磨介质，进行研磨，磨四个十分钟，每次间隔十分钟。这样主要是因为要避免球磨罐发热引起爆炸。之后把料浆倒入到托盘中，再把托盘放在干燥箱中进行鼓风干燥一天。然后再用刮刀从托盘上把料刮起了放入研钵中稍加研磨即可。装袋备用。这就是玻璃料的制备过程。3.2块状试样的压制除差热分析及红外分析时直接用生的玻璃粉状料之外，其余的几项本课题要研究的性能的测试都要求试样有一定的尺寸或者要经过烧结，所以都要求制成块状。往玻璃料中加入适量糊精（临时粘结剂）及少量水与玻璃料混合，研磨均匀，在20MPa左右的压力下三组配方分别压制成一定数量的圆柱和长方体大条和长方体小条；分别等待测流动性，热膨胀系数等。压制时，根据具体情况先加入少量糊精，看是否可以压制成功。若压裂，再适当多加一点，直到可以压出具有一定强度，没内外裂纹的块状试样为止。4 实验及分析41烧结范围的确定4.1.1烧结范围的理论知识烧结范围是烧结温度到开始过烧软化的温度间隔。烧结范围是结合剂的一个重要性能指标，它的宽窄对烧结结合剂影响特别显著。在烧成过程中，窑温会有波动，很容易超过烧结范围，如果烧结范围太窄，对产品质量的稳定是很不利的8。结合剂的化学成分、分散度等因素对结合剂的烧结范围起着决定性作用。Al2O3/ SiO2大者烧结范围宽；MgO多，烧结范围较宽；Na2O、K2O、CaO等多的，烧结范围变窄；结合剂分散度大的，烧结范围窄5。烧结点的测定是为了得到结合剂从变形到坍塌的温度范围，用以参考确定磨具的烧成制度。4.1.2烧结范围实验及结果分析（1）实验步骤： 取大约1.7g左右的料，放入6mm6mm的小条模具内，用20MPa左右压力压制； 在熔块炉中加热到450取出（本应该直接用生料，但因为我们的烧结点试验仪内部是还原气氛，而我们的结合剂的压制过程中用了糊精，如果直接放入分析仪中定会还原出糊精中的碳，粘覆在仪器内部。所以检测前我们将料在加热炉中先进行了加热到450的处理。这样就可以将糊精碳化烧尽）； 然后将小条试样块长度磨到26.50左右放在小瓷片上，通过伸缩卡槽放进影像式烧结点试验仪内； 打开影像式烧结点试验仪的冷却水、气阀、高强灯及炉子的电源； 以15/min升温，并观察炉子内样品的变化； 得出数据，做出烧结点范围曲线。图如下：图2 1#生坯料的收缩曲线测试样品及温度图3 2#生坯料的收缩曲线测试样品及温度图4 3#生坯料的收缩曲线测试样品及温度（2）结果分析：从结合剂生坯的收缩结果（数据），我们用Origin画了收缩曲线。比较方便的找出了烧结范围，如标2所。另外，用切线法的到了具体的烧结点分别如下：配方一的烧结点温度为570，配方二的烧结点温度为587，配方三的坯体收缩温度为142。表2 三组配方的烧结点温度配方号烧结范围配方一 550-600 配方二 584-660 配方三 150-320根据实验结果我们可以看出在硼含量为20%,25%时烧结范围相近，且随硼含量升高烧结点温度有所提高，而我们知道硼可降低熔融温度，说明在硼含量为20%后时已经开始出现硼反常现象5。但硼含量在30%时，烧结点又明显急剧降低。这已经属于反常之后再次反向变化，以往研究的较少。不过三号配方的烧结范围明显宽的多，说明烧结过程很容易控制，这对制作磨具大有益处，但烧成速度应该会降低。由于炉子内存在温冲，所得的数据不是十分准确，所以我们又做了差热分析的实验。4.2差热分析4.2.1差热分析原理及相关理论知识差热分析是在有控温程序的条件下测定物质同参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。能较精确的测定、记录物质加热过程中发生失水、分解、升华、熔融、相变、氧化还原、晶格破坏和重建，及物质间的相互作用等一系列的物理、化学现象，判断物质的组成、反应机理6。已在陶瓷、冶金、石油、地质、玻璃、耐材、建材、高分子等领域的科学研究和工业生产中得到广泛应用。差热分析的方法与其它现代测试方法配合进行，有助于材料研究工作的深化，目前已是材料科学研究中不可缺少的方法之一。它可比较准确的测定出结合剂的晶核化温度与晶化温度，以便较准确的设定出磨具的烧成曲线。差热分析仪结构主要包括：带有控温装置的加热炉，放置样品、参比物的坩埚，保持器（用于盛放坩埚并使它温度均匀），热点偶（测温热电偶、温差热电偶）及放大、记录系统等。在差热分析图上可清晰地看到差热峰的位置、高度、数目、对称性和峰面积等。峰的大小、方向分别代表热效应的大小、正负，峰的位置则表示物质发生变化的转化温度；峰的个数反应了物质发生物理化学变化的次数。图5 差热分析仪的结构示意图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4.2.2差热分析实验及结果分析（1）实验步骤：取样50左右的粉状的生玻璃粉料放到石英坩埚内，墩实，在北京光学仪器厂生产的WCP-2型微机差热膨胀仪上进行差热分析。分别以10/min的升温速率将3组试样加热到1200。（2）差热分析法实验结果分析与讨论：本课题结合剂的WCP差热分析报告如下图所示。差热数据还没出来4.3热膨胀性4.3.1热膨胀理论知识热膨胀系数是结合剂的另一重要性能，有着重要意义，磨具的强度、使用性能及制造工艺等都与结合剂同磨粒的匹配性有着直接的关系。如果结合剂的膨胀系数小于磨料的热膨胀系数，则产品在冷却时，磨粒体积收缩较大，使磨粒拉离了结合剂桥，削弱结合剂桥的固结程度，磨削的时候磨料会很容易脱落。如果结合剂的膨胀系数大于磨粒的，则磨具冷却时，结合剂体积收缩会比磨料的大，会导致结合剂桥将产生张应力，就会削弱结合剂桥的作用。物质的质点间的平均距离随温度升高而增大即物质的热膨胀性。物质的结构、键型及键力大小、热熔、熔点等决定着物质的这种性能。所以，不同物质或者组成相同、结构不同的物质，具有不同的热膨胀特性。结合剂的膨胀系数同时对磨具的磨削性能也有着不小的影响。磨削过程中，如果结合剂的膨胀系数大于磨粒的，因磨削热的作用，结合剂就会产生压应力而更紧地把持磨粒（磨粒不易脱落），呈现韧性增加；结合剂的膨胀系数小于磨粒的时，磨粒易脱落，呈现脆性增加。4.3.2热膨胀试验及结果分析（1）热膨胀实验测定条件：升温速度：3/min。温度控制:在差热膨胀仪上，温度在25800范围内，按给定的速率均匀稳定地升温，并保证其升温速率有良好的直线性。配方一的试样尺寸为25.4mm；配方二的试样磨得尺寸为25.9mm；配方三的试样磨得尺寸为24.72mm。（2）热膨胀实验结果及分析长度增量L与温度升高t之间存在以下关系为： （-1）（设温度为t0时的试样长度为l）式中：线膨胀系数，即物体在温度升高1时的相对伸值；L温度升到t时试样的长度此次测试样品的热膨胀的具体情况由下图6-8及用上面公式计算所得膨胀系数表3-5反映出来：图6 1#配方的热膨胀曲线表3 1#配方在不同温度下的膨胀系数温度100200300400500600700膨胀系数10-64.125.305.635.866.118.010.63图7 2#坯料的收缩曲线测试样品及温度表4 2#配方在不同温度下的膨胀系数温度1002003004005006007008009001000膨胀系数10-63.534.524.814.875.196.684.313.302.11-0.66图8 3#坯料的收缩曲线测试样品及温度表5 3#配方在不同温度下的膨胀系数温度1002003004005006007008009001000膨胀系数10-64.044.825.105.256.637.935.933.932.460.33结合剂配方一的热膨胀系数及膨胀量随温度的升高开始是缓慢升高的，在500-600时会急剧升高，但超过600后又急剧下降。结合剂配方二的热膨胀系数及膨胀量随温度的升高开始也是缓慢升高的，也是在500-600时会急剧升高，但超过600后又急剧下降，但下降的中间还有一段比较平缓，之后又急剧下降。结合剂配方三的热膨胀系数的变化更加像配方一的情况，同样先随温度的升高开始是缓慢升高的，也在500-600时会急剧升高，但超过600后又急剧下降，只是没配方一急剧的程度厉害。三组配方在开始时膨胀系数的变化都十分相似，且都在600时，膨胀系数及膨胀量达到最大值。只是在超过600后随温度的升高三组配方的膨胀系数降低的急剧性依次变得平缓。另外，三组配方的膨胀系数及膨胀量所达到的最大值不同，配方一的膨胀系数及膨胀量的最大值大约分别为8.01、242，配方二的最大值分别为6.68、268，配方三的最大值分别为7.93、238。因硼反常现象和铝这种中间体的特殊性，会出现这种量超过一定值时反向变化的现象5。我们清楚地看到，虽然膨胀系数及膨胀量整体变化上大致趋势相同，但具体每步的变化程度有的还是有不小的差别的。整体的膨胀系数也有一定差别，如结合剂二的膨胀系数整体比结合剂一与结合剂三都要小。硼可降低结合剂的膨胀系数，而三号结合剂的膨胀系数又整体增加，说明在硼含量在25%后出现了硼反常现象。在做磨具时，要选择与磨粒膨胀系数及变化情况相匹配的。4.4红外分析4.4.1红外分析（infrared spectra analysis）原理及相关理论知识红外光谱分析是利用红外光谱仪做出红外光谱，通过红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。在一定频率的红外光照射分子的时候，若分子中某个基团的振动频率与它一样，二者就会产生共振现象。这时通过分子的偶极矩的变化，光的能量就会传递给分子，这样此集团就会因为吸收了一定频率的红外光产生振动、跃迁；否则，该部分就不会吸收红外光。因此，如果用连续改变频率的红外光照射要测试样，因为要测试样对不同频率红外光的吸收效果不同，致使红外光通过试样后会在一些范围的波长内变弱（即被吸收），一些范围内则较强（即不吸收）。这种吸收情况会在红外光谱仪的记录器记录而得到该试样的红外吸收光谱图。因每种物质都有由其组成、结构决定的特有的红外吸收光谱，因此可由红外光谱进行结构分析和鉴定6。关于红外吸收光谱，它是由分子不停地作振动（即分子中各原子在其平衡位置的周围作相对运动）及转动运动而产生的，其中多原子分子中可组成多种振动图形。分子振动能量与红外射线的光量子能量正好对应，当分子振动状态发生改变时，就会发射红外光谱，也会因红外辐射激发分子振动而造成红外吸收光谱。分子振动、转动的能量不是连续的，而是量子化的。但因为分子的振动跃迁过程中常伴随着转动跃迁，使振动光谱呈带状。因此分子的红外光谱属于带状光谱。且分子越大，红外谱带一般也会越多。无机化合物的红外光谱图比有机化合物简单，谱带数也较少，且大部分处在低频区。无机化合物在中红外区的吸收主要是由阴离子的晶格振动所引起的。谱带位置与阳离子的关系较小，一般在阴离子的原子序数增大时，阴离子团的吸收位置会向低波数方向作微小位移23。所以，鉴别无机化合物的红外光谱图应着重于阴离子团的振动频率。例如硅酸盐矿物主要是以BO4四面体阴离子基团为结构单元的，振动光谱就应该着重研究其中Si-O、Si-O-Si、O-Si-O以及M-O-Si等的振动模式2。谱带的形状：如果所分析的化合物纯度高，谱带就会呈现出较尖锐，对称性也会好。如果是混合物则很可能会出现谱带的重叠、加宽等情况，对称性也会遭到破坏。对于晶体物质、固态物质，其谱带的形状主要受结晶的完整性程度影响。红外光谱分析主要用于研究分子的结构、化学键及表征、鉴别化学物种。红外光谱总是具有高度的特征性。鉴别化合物类型可利用化学键的特征波数来进行，并且它可用于定量测定。同一基团在不同分子中的特征波数也会有一定变化，这是因为分子中邻近基团的相互作用所导致的。目前红外分析在高聚物的构型、构象、力学性质研究及物理、生物、遥感、医学、气象等领域都得到了广泛应用。从参考文献中我们归纳汇总结得到硼硅酸盐玻璃中常见的各结构基团的红外吸收特征谱线如表6：表6 硼硅酸盐玻璃常见的红外吸收光谱特征振动波数/cm-1对应的特征振动归属460Si-O-Si弯曲伸缩振动峰(b峰)670760800910 Si-O-B弯曲振动峰O-Si-O伸缩振动峰(s峰)SiO4四面体Si-O-B伸缩振动峰1020Si-O-Si反对称伸缩振动峰(as-s峰)950-1080BO4反对称伸缩振动峰(as-s峰)1400BO3反对称伸缩振动峰(as-s峰)700BO3弯曲伸缩振动峰(b峰)4.4.2红外分析实验及结果分析（1）红外分析实验过程：将所得的结合剂样品配方进行检测，检测时用KBr做背景，测出其背景红外。取少量KBr，大约一小药勺平铺药品时的十分之一。加入待测的配方一样品，加入量大约占KBr的百分之一。用玛瑙研钵研细，大概可以经过320目的筛网。将研细、混合后的样品取少量放入模具，压片，片越薄越好，要求压好的片状物中间区域的透光性良好。压好的片要求：混匀后压制成半透明的薄片，厚度约为0.2mm（透光性好，厚度适中），强度适中，干燥无水分。将做好的卡片放入特制的卡槽内的测定区域，让激光透过透明的片，计算机自动扫描，得出红外光谱图19。（2）红外光谱图及分析图9 三组结合剂的红外图谱1500-4000cm-1波段的高频率光谱的吸收峰基本上比较相似，没有玻璃样品的特征峰，而研究的玻璃特征峰主要集中在400-1500cm-1段。我们主要研究这一波段的，所以只截取了这个波段的红外谱图放大做分析。从图9中看出配方在400-1500cm-1段有5个比较明显的吸收峰：1250-1500cm-1段的吸收峰，属于BO3反对称伸缩振动峰(as-s峰)，图上对应的峰值是1375 cm-1。从图中看出结合剂中在1250-1500cm-1段随硼含量的增加，吸收峰变尖锐了，说明随硼含量的增加BO3（三配位的硼）在增加。970-1200cm-1段的吸收峰，属于 BO4反对称伸缩振动峰(as-s峰)处，Si-O-Si反对称伸缩振动峰(as-s峰)也落在次吸收峰内，结合剂一、二、三分对应峰值依次为1089cm-1、 1073cm-1和1063cm-1；但我们看到透过率不高，说明这两种形式的振动不多。结合剂一、二、三在此波段附近的吸收峰尖锐程度依次增加，说明在随着硼含量的升高，BO4（四配位的硼）和Si-O-Si可能都在增加。O-Si-O伸缩振动峰(s峰)处于750-840cm-1段，图对应的峰值是781cm-1，这与SiO4四面体的吸收峰重合。640-730 cm-1段的吸收峰属，于Si-O-B弯曲振动峰。图对应的峰值是683 cm-1。结合剂一、二、三在此波段附近的吸收峰尖锐程度依次增加，说明随硼含量的增加，Si-O-B增多。 410-500cm-1段的小的吸收峰，属于Si-O-Si弯曲伸缩振动峰(b峰)，图对应的峰值是456cm-1。同样结合剂一、二、三在此波段附近的吸收峰尖锐程度依次增加，说明随硼含量的增加，铝含量的减少，Si-O-Si在增多。另外，配方二在900cm-1附近也有一吸收峰，属于Si-O-B伸缩振动峰，应该在配方二中的Si-O-B最多。图10 配方一在不同温度下的红外光谱图波长在448cm-1附近的振动属于Si-O-Si弯曲伸缩振动峰，从图中可以得出玻璃料中存在Si-O-Si；波长669cm-1附近的振动属于Si-O-B弯曲振动峰；波长753 cm-1附近的振动属于O-Si-O伸缩振动峰(s峰)；波长795cm-1附近的振动属于SiO4四面体；波长907cm-1附近的振动属于Si-O-B伸缩振动峰；波长1061cm-1附近的振动属于BO4反对称伸缩振动峰(as-s峰)；波长1404cm-1附近的振动属于BO3反对称伸缩振动峰(as-s峰)。说明结合剂中存在有Si-O-Si、Si-O-B、O-Si-O、SiO4、Si-O-B、BO4、BO3。清楚地看出随温度的逐渐升高，大部分吸收峰都逐渐变得尖锐，说明随温度的升高，透过率逐渐升高。尤其在1000升高到1100时，变化急剧，透过率大大加强。在900升高到1000时变化不明显，甚至有不少波段出现重叠交叉现象，说明这一温度段的对透过率没太大影响。而在800时，明显波峰都较宽，平缓，说明在800以下时结合剂的透过率很低，不容易进行结构的分析。结 论本次试验研究的主要课题是B2O3在结合剂中的加入量进行详尽的实验和研究，最终得出以下几个结论：(1)B2O3的加入对结合剂的熔融温度有显著的影响，我们知道硼具有降低熔融温度，但因为硼反常现象，所以本设计中B2O3含量从20%-25%时反而略有升高。（2）由热膨胀性的检测也发现了硼出现了反常现象，本应该随硼含量的升高热膨胀系数降低的，也在配方三中（是从25%-30%时）出现了反常现象。（3）从红外光谱中发现硼最主要是以三配位形式存在。且随硼含量的增加，1250-1500cm-1段的吸收峰变得尖锐，说明三配位硼随硼含量的增加而增加。另外，通过结合剂一在不同温度下的红外光谱看出，在900升高到1000时变化不明显，即透过率变化不大；而在1000升高到1100时，变化较大，透过率大大加强。 致 谢参 考 文 献1 瓦崇龙, 邓国发.低温高强度陶瓷结合剂的研究J.超硬材料工程,2007（2）：11 2 陆佩文主编.无机材料科学基础.武汉理工大学出版社.2008,6.3 胡在篮，于庆茂，李英等.刚玉砂轮陶瓷低温结合剂的试验研究J。磨料磨具与磨削, 1994(84) :174 关岩.各种添加剂对低温陶瓷结合剂性能的影响,辽宁科技大学学报,2008，65 西北轻工业学院编.玻璃工艺学M.北京:中国轻工业出版社,1982, 106-107.6 王培铭，须乾慰主编.材料研究方法M. 北京: 科学出版社，2005，4。7 孙金阶,王伟.中外陶瓷磨具技术比较分析J.产品与计术，2008（5）：94-958 黄秉麟，伍瑾琛，钟素兰等.陶