摘 要

浮法玻璃是建筑材料之一，浮法玻璃制造工业属于典型的高能耗产业，制备过程中需要消耗大量燃料，同时还会对环境造成污染。在玻璃熔制工艺中，熔融和澄清工艺消耗的热能最大，因此降低玻璃高温黏度，减少熔融和澄清所需温度是降低玻璃工业能耗的一种有效途径。

论文首先以钠钙硅酸盐系浮法玻璃为研究对象，保持CaO、Na₂O、K₂O总含量和其他氧化物含量不变的情况下，制备了一系列不同CaO/K₂O比和一系列不同CaO/Na₂O比的硅酸盐系玻璃。采用维氏硬度计研究玻璃常温下的力学性质，差示扫描热分析法研究玻璃的热学性能。

研究结果表明：在玻璃中不含MgO成分时，保持[CaO]、[Na₂O]和[K₂O]总摩尔含量保持33%不变的情况下，随着[CaO]/([CaO] [R₂O])（R=K，Na）摩尔比从0增加到1，玻璃的维氏硬度总体趋势增大，但过程中硬度的变化规律为先增大后减小，并且当[CaO]/([CaO] [R₂O])（R=K，Na）摩尔比约为0.5时达到硬度最大值，玻璃转变温度呈线性上升。当CaO取代K₂O或Na₂O的时候，玻璃的维氏硬度整体呈上升趋势，网络结构的致密程度增高，且当Ca/K摩尔比和Ca/Na摩尔比约为1：1时，玻璃内网络结构的致密程度达到最高。但是玻璃转变温度呈线性上升，表明混合阳离子效应对该样品的热学性能影响较低。当玻璃中MgO摩尔含量为6.47%，保持[CaO]、[Na₂O]和[K₂O]总摩尔含量保持22.02%不变的情况下，随着[CaO]/([CaO] [R₂O])（R=K，Na）摩尔比从0增加到1，玻璃的维氏硬度和玻璃转变温度出现具有正偏差的非线性下降趋势，并且当[CaO]/([CaO] [R₂O])（R=K，Na）摩尔比约为0.4时性质偏离线性的程度最大。与Ca/K系列样品相比，Ca/Na系列样品偏离线性变化的程度较低，也就是说Ca/Na系列样品的混合阳离子效应强度低于Ca/K系列的，是MgO的存在使结构发生了变化导致，说明混合阳离子效应的强度与离子半径的差异有关。

关键词：混合阳离子效应，维氏硬度，玻璃转变温度

Abstract

The float glass is used in architecture materials with a long history,but the float glass industry is a high-temperature manufacturing industrial,production process consumes huge amounts of fuel,while also pollute our circumstance.In the float glass manufacturing stage,melting and fining process consumes most of the heat,thus reducing the viscosity of the glass in high-temperature,reducing the temperature of the melt and clarification process needed,is proved to be an effective way to reduce energy consumption in the glass industry.

The object of this study is soda-lime silicate float glass,while keeping the total content of CaO，K₂O，Na₂O and content of other oxide as constant,we prepare silicate series of different CaO/K₂O ratio and CaO/Na₂O ratio. Vicker hardness tester was used to study the property of glass at room temperature,differential scanning calorimetry used to study the thermal properties of glass.

It was found that:When excluding MgO in the glass，keeping the whole mole content of [CaO],[K₂O] and [Na₂O] at 33%,with the ration [CaO]/([CaO] [R₂O])(R=K,Na)raised from 0 to 1,the overall trend of the Vickers hardness of glass increases, but variation of hardness for first increases and then decreases, and when [CaO]/ ([CaO] [R₂O]) (R=K, Na) molar ratio of 0.5 maximum hardness value,and the glass transition temperature rises linearly.When CaO replace K₂O and Na₂O,the density of the network structure is increased.When the Ca/K molar ratio and Ca/Na molar ratio was 1:1, the densification of the glass network structure in the highest.But the glass transition temperature increases linearly, which indicates that the effect of mixed cations on the thermodynamic properties of the sample is low.When the mole ratio of MgO in the glass is 6.47%,keeping the whole mole content of [CaO],[K₂O] and [Na₂O] at 22.02%,with the ration [CaO]/([CaO] [R₂O])(R=K,Na)raised from 0 to 1,the Vicker hardness,glass transition temperature shows a decrease trend of deviation from linear,the largest deviation from linearity is observed when the ration [CaO]/([CaO] [R₂O]) is near 0.4. The degree of deviation from linearity of Ca/K series is larger than the Ca/Na serier.It is the existence of MgO that causes the structure to change.which shows that the ionic radius effects great on the strength of mixed cation effect.

Key Words：Mixed cation effect,Vickers hardness, glass transition temperature

目 录

第1章 绪论 1

1.1玻璃组成与性质的关系 1

1.2 混合阳离子效应对玻璃性能影响的研究进展 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 混合阳离子效应机理的研究进展 3

1.3.1 混合阳离子效应微结构起源的谱学探测 3

1.3.2 混合阳离子效应动力学起源的探索 6

1.4 本论文的目的、意义和研究内容 6

第2章 实验部分 8

2.1 实验方案及过程 8

2.2 玻璃系统选择与配方设计 8

2.2.1 系统选择 8

2.2.2 玻璃配方设计 9

2.3 玻璃熔制及样品制备 10

2.4 性能测试 10

2.4.1 硬度测试 10

2.4.2玻璃转变温度的测量 12

第3章 结果与讨论 13

3.1 混合阳离子效应对玻璃维氏硬度的影响 13

3.1.1 不含MgO时，混合阳离子效应对玻璃维氏硬度的影响 13

3.1.2 含6.47%MgO时，混合阳离子效应对玻璃维氏硬度的影响 14

3.2 混合阳离子效应对玻璃转变温度的影响 16

3.2.1 不含MgO时，混合阳离子效应对玻璃转变温度的影响 16

3.2.2 含6.47%MgO时，混合阳离子效应对玻璃维氏硬度的影响 17

第4章 结论 20

参考文献

致 谢

第1章 绪论

玻璃作为一种非常常见且重要基础材料，被广泛应用于通讯、交通、建材、航空航天等领域，与国民经济息息相关。经研究发现，通过向玻璃中添加不同的化学元素及玻璃内不同化学成分之间的相互影响，可以改善玻璃的各项物理化学性能。当用碱金属元素去等量的替换碱土金属元素时，玻璃的性能也会发生变化，性能随组成的变化不呈现线性规律，所产生的变化规律是呈偏离线性的，把这种用一种碱土金属或碱金属元素去等量替换另一种碱土金属或碱金属元素时，玻璃的性能产生偏离线性变化的现象，称之为“混合阳离子体效应”。

1.1 玻璃组成与性质的关系