摘 要

微晶玻璃具有优良的机械性能和化学稳定性，在建筑及化工等领域有着巨大的市场。黑色微晶玻璃板市场需求很大，但由于其特殊性，尤其是铁含量比较高的时候，生产过程中多个环节都存在一定的难度。但是铁含量过低时，颜色又达不到要求。对单独铁着色以及复合着色对黑色微晶玻璃的研究对黑色微晶玻璃的生产具有重要的现实意义。

论文主要对不同Fe₂O₃含量的微晶玻璃，以及对低铁含量下引入不同NiO或Cr₂O₃含量的微晶玻璃的颜色、结构、显微成分、显微硬度、抗折强度等进行了系统研究。

研究结果表明：仅含Fe₂O₃、含Fe₂O₃和NiO以及含Fe₂O₃和Cr₂O₃的微晶玻璃的主要物相相同，均为透辉石。Fe₂O₃含量（以质量分数计）在6%～7%内可以制备出黑色微晶玻璃，其显微硬度最大，为758.82（HV）。其抗折强度较大，为144.98MPa。通过复合着色的方式可以在铁含量低的情况下制备出黑色微晶玻璃，其中NiO质量分数为0.3%的黑色微晶玻璃制备出来的颜色效果最佳，颜色最深、最黑。其显微硬度较大，为760.38（HV），其抗折强度最低，为80.71MPa。

本文的特色：研究掺铁为基础的黑色微晶玻璃，对比分析其颜色、性能，得到颜色、性能优质的黑色微晶玻璃的生产设计配方，为黑色微晶玻璃的生产提供一定的参考。

关键词：Fe₂O₃；NiO；Cr₂O₃；黑色；微晶玻璃

Abstract

Glass-ceramic has excellent mechanical properties and chemical stability, and it has a huge market in the construction and chemical industry. Black glass-ceramic plate’s market demand is great, but because of its particularity, especially when the iron content is relatively high, there are many aspects of the difficulty in the production process. When the iron content is too low, the color can not meet the requirements.Study black glass-ceramic of iron coloring individually or composite coloring ,and it has a great practical significance for the production of black glass-ceramics.

The microcrystalline glass with different Fe₂O₃ content and the color, structure, microscopic composition, microhardness and flexural strength of microcrystalline glass with different NiO or Cr₂O₃ contents under low iron content were mainly studied in this paper.

The results show that the main phases of Fe₂O₃, Fe₂O₃ and NiO, and Fe₂O₃ and Cr₂O₃ are the same.And the main phases are diopside.Fe₂O₃ content (in mass fraction) in 6% to 7% can be prepared within the black glass-ceramic, the microhardness is the largest, and the microhardness’s count is 758.82 (HV). The bending strength is larger, and its count is 144.98MPa. The black glass-ceramics can be prepared by the method of composite coloring,Which is prepared under low iron content. and the black glass-ceramic with NiO content of 0.3% is the best color, the color is the darkest and the deepest. Its microhardness is large, and the microhardness’s count is 760.38 (HV), the lowest bending strength is 80.71MPa.

The characteristics of this paper: Study iron-based black glass-ceramic, and do comparative analysis of its color, performance, we can get a production design formula of black glass-ceramic with good color and excellent performance. It can provide some reference for the production of black glass-ceramic.

Key Words：Fe₂O₃; NiO; Cr₂O₃; black; glass-ceramic.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 微晶玻璃研究状况 1

1.2 研究目标 3

第2章 低铁含量的黑色微晶玻璃的制备 4

2.1 原料及配方设计 4

2.1.1 CMAS系基础玻璃配方 4

2.1.2 掺加着色剂为Fe₂O₃的配方设计 4

2.2 制备方法及试样预处理 4

2.3 性能测试结果分析与讨论 5

2.3.1 DSC分析 5

2.3.2 XRD衍射结果分析 8

2.3.3 EPMA结果分析 10

2.3.3.1 微晶玻璃成分分析 10

2.3.3.2 微晶玻璃显微结构分析 11

2.3.4 显微硬度结果分析 12

2.3.5 抗折强度结果分析 12

2.3.6 显色分析 13

2.4 结论 14

第3章 Fe₂O₃和NiO的黑色微晶玻璃的制备 15

3.1 掺加着色剂为Fe₂O₃ 和NiO的配方设计 15

3.2 制备方法及试样预处理 15

3.3 性能测试结果分析与讨论 15

3.3.1 XRD衍射结果分析 15

3.3.2 EPMA结果分析 18

3.3.2.1 微晶玻璃成分分析 18

3.3.2.2 微晶玻璃显微结构分析 19

3.3.3 显微硬度结果分析 20

3.3.4 抗折强度结果分析 20

3.3.5 显色分析 21

3.4 结论 22

第4章 Fe₂O₃和Cr₂O₃的黑色微晶玻璃的制备 23

4.1 掺加着色剂为Fe₂O₃ 和Cr₂O₃的配方设计 23

4.2 制备方法及试样预处理 23

4.3 性能测试结果分析与讨论 23

4.3.1 XRD衍射结果分析 23

4.3.2 EPMA结果分析 26

4.3.2.1 微晶玻璃成分分析 26

4.3.2.2 微晶玻璃显微结构分析 27

4.3.3 显微硬度结果分析 27

4.3.4 抗折强度结果分析 28

4.3.5 显色分析 29

4.4 结论 29

第5章 结论 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 微晶玻璃研究状况

微晶玻璃是通过特殊组分玻璃在加热过程中进行控制析晶而制成的多晶固体材料。微晶玻璃具有一系列优异的性能，其机械强度高，软化温度也高，在高温环境下能保持较高的机械强度；硬度大，耐磨性能好；热膨胀系数的调整范围很大；电绝缘性能优良，介电常数稳定；其化学稳定性和热稳定性优异，对使用环境的适应力强；跟同等力学性能的金属材料比较，其密度小且质地致密； 跟天然矿物材料相比，不透水、不透气性更加优异。微晶玻璃由玻璃相和晶相构成，兼具玻璃的基本性能和陶瓷的多晶特征，其性能指标也因此往往优于同类玻璃和陶瓷，从而在电子、能源、生物医学、建筑等领域获得广泛应用。它是一种新型的建筑装饰材料。

微晶玻璃的发展史大致分为3个阶段，第一阶段即20世纪50年代末期至70年代中期，以低膨胀微晶玻璃的研制为主；第二阶段是20世纪70年代中期至80年代中期，研制了与金属类似的具有可切削性的微晶玻璃；第三阶段是20世纪80年代中期至今，研制了结构更加复杂的微晶玻璃^[1]。

2004年底，全国有微晶玻璃生产厂家40多家，年生产总量约350万m²，年销售量约为200万m^{2 [2]} 。工业矿渣和矿业尾矿属于固体废弃物，利用这些废渣尾矿可以制备高附加值的微晶玻璃，增加对环境、经济和社会的效益，而实现矿渣微晶玻璃材料设计的智能化^[3]是今后的发展趋势。