无碱铝硅酸盐玻璃的应用研究.docx

无碱铝硅酸盐玻璃的应用研究祖成奎周山敖(中国建筑材料科学研究院玻璃所 北京市 100024)摘 要 无碱铝硅酸盐玻璃是一种应用范围较广的特种玻璃。介绍了该种玻璃在高压液位计, 卤素灯及无碱基片方面的应用, 提出了应用中存在的问题及发展趋势。关键词 无碱铝硅酸盐玻璃 高压液位计 卤素灯无碱玻璃基片 波歇炉Study on the Appl ica t ion of A lka l i-Z u C heng ku iFree A lum inosil ica te Gla ssZ hou A o(G la ss In st itu te of Ch ina B u ild ing M a ter ia ls A cadem y)Abstract A lka li- f ree a lum ino silica te g la ss is a k ind of sp ecia l g la ss u sed in m any f ield s. T he app lica t ion of th is g la ssin h igh p ressu re tank gauge. ha lide lam p and a lka li- f ree g la ss sub st ra te w a s descr ibed in th is p ap er, and it s p rob lem s and develop ing tendency w ere d iscu ssed.Keywords A lka li- f ree a lum ino silica te g la ss H igh p ressu re tank gauge H a lide lam pA lka li- f ree g la ss sub st ra te于在高温、高压条件下使用, 液位计上的观察窗玻璃应满足如下要求:具有较高的机械强度, 抗弯强度要达 到液位计工作压力的 115 倍。具有优良的热稳定性, 耐热冲击温度大于 300。具有较高的使用温度, 软化温度要在900以上。具有优良的化学稳定性。 在可选用的特种玻璃中, 石英玻璃的软化温度很高, 达到 1 730, 但是石英玻璃的膨胀系数很低, 只有 5141027 , 无法进行 钢化处理, 因此, 其抗弯强度不能满足使用要 求。低碱硼硅酸盐玻璃的膨胀系数为 30 501027 , 可通过钢化提高强度。 但是, 该种 玻璃的软化温度一般只能达到 800, 作为 高压液位计窗口玻璃, 其使用温度不能满足 需要。 由于无碱铝硅酸盐玻璃既具有较高的1前言不含碱金属氧化物的铝硅酸盐玻璃称为无碱铝硅酸盐玻璃, 其组成为 RO A l2O 3 -S iO 2 , 其中 RO 代表 M gO、C aO、B aO、ZnO 等 二价金属氧化物。 由于成分中不含碱金属离子, 并且 A l2O 3 和 S iO 2 含量很高, 该类玻璃 具有较好的化学稳定性、电绝缘性、机械强度以及较低的热膨胀系数, 可用以制造高压液 位计玻璃、卤灯玻壳、无碱基片、无碱玻纤及 化工管道等, 是一种用量较大的特种工业玻璃。 本文将介绍无碱铝硅酸盐玻璃在高压液 位计、卤灯玻壳和无碱玻璃基片方面的应用。2在高压液位计上的应用高压液位计是高压锅炉上监测液位高低的仪表, 广泛用于电力、化工、石油等行业。由8玻璃 26 卷 2 期软化温度 ( 920) , 又可通过钢化提高强度,因此, 无碱铝硅酸盐玻璃兼有石英玻璃和低 碱硼硅酸盐玻璃适用于高压液位计的性能,是一种较为理想的高压液位计窗口玻璃。 无碱铝硅酸盐玻璃经钢化处理后, 其性能可达如下指标1 。能使用;“1”表示必须废弃。3在卤素灯上的应用卤灯是继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。它具有体积小、光效高、光色好、节能 和寿命长等一系列优点, 已被国内外汽车行 业广泛使用, 并开始用于室内照明。卤灯用玻壳材质应满足如下性能要求:玻璃成分中不含碱, 防止使用过程中 玻壳内的碱金属离子与灯内充填的卤素气体发生反应, 缩短卤灯寿命。玻璃具有较高的软化温度, 使卤灯能 够在高温下长时间使用, 充分发挥卤灯光效好的特点。玻璃应具有与钼引线相匹配的膨胀系 数 (钼的膨胀系数 M o = 551027 ) , 防止生 产和使用过程中的炸裂和漏气问题。八十年代前, 卤灯的玻壳一直采用石英 玻璃。 由于石英玻璃成本高、加工能耗大、加 工困难, 致使卤灯成本增加, 并且石英玻璃的 膨胀系数与钼引线不匹配, 用石英玻璃制造 的卤灯在生产和使用过程中常出现炸裂、漏 气等问题, 严重影响了卤灯的质量和寿命。为 此, 美国 Co rn ing 公司于八十年代初首先研 制出适用于卤灯玻壳的无碱铝硅酸盐玻璃。 该种玻璃中的碱含量低于 111% , 软化温度 达到 910, 并且膨胀系数 14714 1027 ) 能与钼引线较好匹配, 是一种十分理想的石 英玻璃替代材料。 图 1 为钼引线与无碱铝硅 酸盐玻璃的热膨胀曲线。卤灯用无碱铝硅酸盐玻璃一问世, 立即 引起日、德、法、英等西方主要工业国家的重 视, 并相继开展了该种玻璃的研究。 至今, 各 西方发达国家已用该种玻璃普遍代替石英玻 璃制造卤素光源, 研制和开发了数种卤灯产 品。国内卤灯用无碱铝硅酸盐玻璃的研究始 于八十年代末期, 目前玻璃的理化性能已达到国际同类玻璃水平, 并对其规模生产工艺9抗 弯 强 度: 17119 20219抗冲击强度: 350 软 化 温 度: 920 M P agcm 3密度: 2162 2167膨 胀 系 数: 42 461027 目前, 国内的高压液位计玻璃只有中国 建筑材料科学研究院玻璃所生产, 该玻璃的 牌号为“88412”, 其综合性能已超过国际同类产品, 表 1 为 88412 玻璃与日本 BB K 公司液 位计用玻璃的性能对比。88412 玻璃与日本 BB K 公司高压液位计玻璃的数字模拟性能表 1表 1 中的数字模拟标准为:“5”表示品质优良;“4”表示在要求范围内;“3”表示达到要 求下限;“2”表示不符合要求, 但通过修整亦玻璃 26 卷 2 期检 测 内 容模 拟 数 据88412BB K外 观 质 量( 透明度 1 条痕 1 气泡 1 杂质 1 外伤)41984196尺寸( 直径 1 厚度 1 倒角 1 平面平行度)31803194钢 化 条 纹( 均匀性、数目)41154130热 冲 击( 温度 1 次数)41503100钢 球 冲 击( 破坏程度)51004150破 坏 试 验( 极限压力)41005100抗 腐 蚀 性( 高温、高压水汽侵蚀量)31803180模拟数字总和3012329150进行了大量试验研究, 表 2 为国内无碱铝硅酸盐玻璃与美国 Co rn ing 1724 玻璃的性能对 比2 。导体薄膜的玻璃基片, 除了要求表面平整度高、刚性好、强度大之外, 还需满足以下性能 要求。较高的软化温度, 在薄膜被镀过程中 无变形。较小的膨胀系数 ( 30 6010- 7 ) ,温度升降过程中无明显胀缩变化。玻璃成分中不含碱或含微量碱, 防止 电场作用下碱离子的扩散迁移。很好的化学稳定性, 耐各种化学药品的清洗、刻蚀。 由于无碱铝硅酸盐玻璃的成分 中 不 含碱, 并具有软化温度高、化学稳定性好、膨胀系数低及电绝缘性优良的特点, 它能够很好 地满足被镀薄膜类玻璃基片的性能要求, 因 此, 无碱铝硅酸盐玻璃成为一种理想的无碱 玻璃基片材料。 该种基片在电子元器件中的 成功应用, 为玻璃基片材料增添了新的品种。国内的无碱铝硅酸盐玻璃基片 的 性 能国内无碱铝硅酸盐玻璃Co rn ing1724 玻璃图 1钼引线与无碱铝硅酸盐玻璃的 热膨胀曲线国内卤灯用无碱铝硅酸盐玻璃与Co rn ing1724 玻璃的性能对比为3:电性能表 2a 表面电阻率: 113010 8 cm (19)b 体积电阻率: 21491015 8 cm (19)c 不同温度下体积电阻率:100 71831015 8 cm200 61141011 8 cm300 11861011 8 cm400 31401010 8 cm500 31131010 8 cm600 7110109 8 cm700 7195108 8 cm d 介电常数: 7141 (19 , 1 M H z)e 介电损耗: 141110- 4 (19 , 1 M H z)热学性能144在玻璃基片方面的应用a 热 膨 胀 系 数: 316 1026 ( 25 300)b 软化温度: 740 化学性能 在清洗或化学侵蚀制作图形过程中, 基片不受侵蚀。玻璃基片是许多光电元器件或设备的重要支撑和组成部分, 在光电技术中, 一些功能 元件要制做在基片上, 它们功能的发挥离不 开玻璃基片。不同的设备和元器件, 对基片性能的要 求不同。其中表面被镀金属氧化物、金属及半10玻璃 26 卷 2 期性能国内无碱 铝硅玻璃美国 Co rn ing1724 玻璃热膨胀系数 (0 400) (1026 21)41624174形变温度 ( 1011泊) 820780软化温度 ( 10716泊) 1 010910操作温度 ( 104泊) 1 2401 195氧化钠含量 ( % )- 01080109总碱含量 ( % )- 01090111透光率 ( % )9292目前, 该类基片已广泛应用于场致发光器液晶置换器、太阳能电池及光掩膜技术等。凝态玻璃为池壁内衬, 免除了耐火材料与玻璃液的直接接触, 解决了高温状态下耐火材 料的侵蚀及玻璃液的污染问题。 波歇炉采用电极加热, 炉内形成电阻型发热区, 玻璃液从 中 心 高 温 区 向 外 侧 回 流, 中 央 温 度 可 达2000, 完全满足难熔玻璃对熔制温度的要 求。目前, 国外许多厂家已采用该种熔窑熔制 无碱铝硅酸盐玻璃。除需解决熔制手段外, 要形成规模生产 还需加强对该类玻璃工艺性能的研究, 在成 分中不引入碱金属氧化物的情况下, 通过碱 土金属和稀土金属氧化物降低玻璃的熔化温 度, 调整玻璃的料性, 以此降低玻璃熔制和成形时, 对熔窑、耐火材料和成形工艺的技术要 求, 从而为提高规模生产的玻璃质量创造条 件。5存在问题及发展趋势由于成分中不含助熔的碱金属氧化物,并且 A l2O 3 和 S iO 2 含量较高, 无碱铝硅酸盐 玻璃的熔制十分困难, 玻璃中的气泡和条纹不易排除。 目前国内该种玻璃的熔化均采用 铂坩埚进行连熔或单埚生产。 这种生产方式 大大增加了无碱铝硅酸盐玻璃的成本, 并给 异形 ( 管材、薄片等) 产品的成形带来了较大 困难, 致使无碱铝硅酸盐玻璃的应用受到了较大限制。为了解决上述问题, 满足国民经济发展 对无碱铝硅酸盐玻璃品种和产量的需求, 建 立规模经济 提高产量, 降低成本, 成为该 种玻璃应用开发的发展趋势。要形成规模经济, 首先应解决规模生产的熔窑问题。 波歇炉是八十年代法国 B u ssy 发明的一种可连续、也可间歇生产的新型高 温电熔窑。该熔窑为一金属罐体结构, 用未完 全熔化的配合料保持较低的炉顶温度, 以冷参考文献1 祖成奎等,中国建材科技, 6 6 , 43 45, 19962 周孟佩等,中国建材科技, 1 3 , 24 27, 19943 “无 碱 玻 璃 基 片 的 研 制”, 牛 钟 嵘研 制 报 告,1993(上接 21 页)同时大碹的反射热也被此循环流吸收, 所以 在考虑节能降耗时, 不重点考虑此热辐射对 熔化的影响而重点考虑如何降低大碹温度, 为窑体碹保温创造条件。的状态, 即达到最佳的燃烧状态及最低的废气带走热量。结 论在玻璃熔窑实际生产操作中, 对熔化、节 能、窑炉寿命要进行综合考虑, 特别是节能工作, 它不仅影响着玻璃熔化质量及窑炉寿命, 而且影响着企业的长期效益。 如提高火焰温 度可提高熔化率, 降低能耗, 但火焰温度的提 高会烧损大碹及格子体, 大碹就不能长期运 行; 蓄热室堵塞, 风火配比达不到生产要求,会使后期能耗大幅度提高, 熔化质量下降。所