Al2O3對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃析晶及性能的影響

【中玻網(wǎng)】微晶玻璃是指在玻璃中添加某些成核物質(zhì)，并通過(guò)控制成核及結(jié)晶過(guò)程在玻璃內(nèi)均勻地析出大量的微小晶體，形成致密的多晶材料。利用工業(yè)廢渣制備微晶玻璃是一種既環(huán)保又具有經(jīng)濟(jì)效益的廢物處理方式?；◢弾r廢渣是在花崗巖開(kāi)采及加工過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，這種固體廢物造成了嚴(yán)重的環(huán)境和自然問(wèn)題?；◢弾r廢渣成分中含有SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和少量MgO、CaO、Fe2O3、TiO2、P2O5等氧化物，可以作為制備微晶玻璃的主要原料。本文用DSC、XRD、SEM等測(cè)試方法研究了Al2O3對(duì)R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃的晶相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。期望制備出具有優(yōu)良性能的花崗巖廢渣微晶玻璃，為花崗巖廢渣的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

　　試樣制備所用花崗巖廢渣來(lái)自四川省某地，具體成分見(jiàn)表1。

　　基礎(chǔ)玻璃的化學(xué)組成如表2所示。將原料混合均勻后放入剛玉坩堝中，然后在1 400℃的硅鉬棒電爐中熔制1 h，熔制好的玻璃液澆注成型后置于600℃的退火爐中進(jìn)行退火處理，退火后的基礎(chǔ)玻璃經(jīng)過(guò)核化、晶化后得到微晶玻璃試樣。

　　結(jié)果與討論：（1）確定熱處理制度。在微晶玻璃制備過(guò)程中熱處理制度一般有一步析晶法和兩步析晶法，其中兩步析晶法較為常用。基礎(chǔ)玻璃試樣D3的DSC曲線(xiàn)如圖1所示。在619.5℃附近出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，即玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，在722.3℃、766.6℃、910.3℃、988.2℃、1 038.4℃、1 118.0℃出現(xiàn)放熱峰。根據(jù)DSC曲線(xiàn)，核化溫度確定為630℃，晶化溫度確定為720℃、765℃、910℃、990℃、1 040℃、1 120℃，保溫時(shí)間均為2 h。觀察發(fā)現(xiàn)：在720℃和770℃晶化后的試樣外觀沒(méi)有發(fā)生變化；在910℃、990℃、1 040℃晶化后，晶化溫度為1 040℃的試樣具有較好的力學(xué)性能；1 120℃晶化后的試樣出現(xiàn)明顯變形。因此，熱處理制度確定為：630℃核化2 h、1 040℃晶化2 h。

圖1    基礎(chǔ)玻璃的DSC曲線(xiàn)

　?。?）XRD分析。試樣D1、D2、D3、D4、D5的XRD衍射圖譜如圖2所示。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，Al2O3含量為6.5%的微晶玻璃試樣D1中的主晶相為氟閃石NaCa2(Mg,Fe)5Si7AlO22F2和鐵板鈦礦Fe2TiO5，次晶相為鎂橄欖石Mg1.83Fe0.17(SiO4)；當(dāng)Al2O3含量為7.5%時(shí)，試樣D2中氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，晶相含量增多；添加8.5%Al2O3的試樣D3中氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，主晶相仍為氟閃石和鐵板鈦礦，次晶相為鎂橄欖石；Al2O3含量增加至9.5%時(shí)，試樣D4中主晶相氟閃石和鐵板鈦礦的衍射峰減弱，晶相含量降低；Al2O3添加量為10.5%時(shí)，從XRD圖譜中看出試樣D5在24.0°和53.7°出現(xiàn)新的衍射峰，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，確定晶相為鎂鈦礦MgTiO3。

圖2    不同Al2O3含量試樣的XRD圖譜

　　（3）SEM分析。Al2O3含量為6.5%~10.5%微晶玻璃試樣的SEM照片如圖3所示，從圖3中可以看出，Al2O3對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃析出晶體的顯微結(jié)構(gòu)存在非常大影響。隨著Al2O3含量的增加，氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石晶粒細(xì)化。

圖3    不同Al2O3含量試樣的SEM照片

　?。?）力學(xué)性能。不同Al2O3含量試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出，Al2O3含量從6.5%增加至10.5%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。結(jié)合XRD和SEM可知：Al2O3含量增加至8.5%時(shí)，試樣D3中氟閃石、鐵板鐵礦和鎂橄欖石進(jìn)一步增多且晶粒之間的交錯(cuò)程度上升，抗彎強(qiáng)度和顯微硬度分別達(dá)到136.76 MPa、7.09 GPa；Al2O3含量超過(guò)8.5%時(shí)，試樣D4和試樣D5中氟閃石和鐵板鈦礦減少，其力學(xué)性能下降，Al2O3含量為10.5%試樣D5的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度分別降至113.44 MPa、6.61 GPa。

圖4    不同Al2O3含量試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度

　　通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)得出：（1）用花崗巖廢渣制備了R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃，Al2O3含量在6.5%~10.5%之間時(shí)，微晶玻璃的主晶相均為氟閃石和鐵板鈦礦。隨著Al2O3含量的增加，氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石晶粒細(xì)化。（2）Al2O3含量由6.5%增加至10.5%，微晶玻璃的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。添加8.5%Al2O3時(shí)，微晶玻璃的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度達(dá)到大值，分別為136.76 MPa、7.09 GPa。