ZrO?添加对铝硼硅酸盐玻璃结构和性能的影响

《Optical Materials》：Effect of ZrO 2 Addition on the Structure and Properties of Aluminoborosilicate Glass

Aluminoborosilicate玻璃通过熔融淬冷法制备，系统研究ZrO?含量对其密度、硬度、抗弯强度、热膨胀系数及可见光透射率的影响。结果表明适量ZrO?提升力学性能但过量导致下降，热膨胀系数和软化点温度呈现反向变化，可见光透射率稳定在90%以上。

　　

徐欣|张健|张涵|莫大红|李一伟|刘斌|郑涛|郭彦彦

中国长春空军航空大学基础系

摘要

铝硼硅酸盐玻璃作为一种新型特种光学玻璃材料，因其优异的物理和化学性能而受到了广泛关注。众所周知，氧化锆（ZrO₂）能够增强玻璃的机械性能，使其成为许多铝硼硅酸盐玻璃体系中的不可或缺的成分。然而，关于ZrO₂含量对铝硼硅酸盐玻璃性能影响的研究却很少。在本研究中，我们采用熔融淬火法在SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-Na₂O-NaCl-ZnO-TiO₂-ZrO₂体系中成功制备了铝硼硅酸盐玻璃，并探讨了ZrO₂含量对其微观结构、机械性能、热膨胀系数和可见光透射率的影响。结果表明，适量的ZrO₂可以提高玻璃的密度、硬度和抗弯强度，而过量的ZrO₂则会降低这些性能。相反，热膨胀系数和软化点温度则表现出相反的趋势：适量的ZrO₂会降低这些参数，而过量的ZrO₂则会使其升高。值得注意的是，ZrO₂含量对可见光透射率没有显著影响，所有玻璃样品在可见光区域都保持了优异的透明性，透射率高达90%。这些发现对于高性能铝硼硅酸盐玻璃的开发及其在各个领域的广泛应用具有重要意义。

引言

铝硼硅酸盐玻璃作为一种新型光学特种玻璃，具有多种优异的功能特性。其主要特点可以归纳为三个方面：首先，由于其出色的光学性能（如高透射率和低缺陷密度），这种玻璃在电子信息显示和专业光学仪器镜头中得到了广泛应用；其次，它具有优异的机械性能，包括高硬度、高强度、良好的抗热震性以及低热膨胀系数，因此在太阳能玻璃领域具有巨大潜力；第三，该玻璃具有优异的化学稳定性，能够抵抗酸性和碱性环境，从而被用于制造化学和生物领域的容器玻璃和管道玻璃。

为了进一步提高铝硼硅酸盐玻璃的性能并拓宽其应用范围，近年来国内外许多学者进行了大量研究，证实制备工艺、玻璃成分和化学强化等因素对玻璃性能有显著影响。例如，在一项关于钇钙硼硅酸盐玻璃的研究中，K. Singh等人^[1]研究了逐步用ZrO₂替代CaO的效果，发现这种替代作用在不同程度上提升了玻璃的光学和介电性能，当ZrO₂含量达到7.5%时，介电性能达到最佳。Kumar等人^[2]的研究表明，使用NaCl作为细化剂可以提高回收光伏玻璃的透射率，这表明回收玻璃在太阳能光伏应用中具有潜在价值。Wang^[3]提出碱土金属的混合效应可以调节玻璃性能，当Ca/Mg比为1:4时，玻璃的介电常数和热膨胀系数最低。Dalal Abdullah Aloraini^[3]通过引入WO₃成功制备了抗辐射玻璃，能够屏蔽γ射线。Li^[4]制备了一种新型掺锡的硼酸盐-铝酸盐玻璃，并揭示了Sn离子的发光特性以及玻璃网络结构的变化，为高效可调谐发光硼酸盐-铝酸盐玻璃的制备提供了理论指导。Jia^[5]通过引入锂铝硅酸盐纳米晶体显著提升了硼硅酸盐玻璃的机械性能，同时保持了其可见光透射率。Mu^[6]研究表明，离子交换可以通过在玻璃表面形成压缩层来有效增强硼硅酸盐玻璃的机械性能，从而提高其抗弯强度。

先前的研究[7], [8], [9], [10]已经证明，加入ZrO₂可以显著提高铝硼硅酸盐玻璃的机械强度。然而，由于铝硼硅酸盐玻璃复杂的网状结构和Zr⁴⁺离子的强聚集倾向，其结构改性机制仍然较为复杂。目前的研究尚未建立ZrO₂添加对该玻璃体系结构演变和性能改性的精确定量关系或提供全面的数据。

本研究系统地探讨了ZrO₂含量对铝硼硅酸盐玻璃物理和光学性能的影响，重点关注密度、硬度、抗弯强度、热膨胀系数和光学透射率。通过控制实验和全面表征，我们旨在阐明这一复杂玻璃体系中的结构-性能关系。

部分内容摘要

玻璃配方

玻璃样品采用高纯度的分析级试剂作为起始材料制备。基础成分包括SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃、Na₂O、NaCl和TiO₂，ZrO₂的含量在不同配方中系统地变化范围为0至2.5 wt%。具体化学成分详见表1。根据表1制备了一组ZrO₂含量不同的玻璃样品（A0-A2.5）。在制备过程中，通过添加NaCl来实现

玻璃中主要成分的状态

在铝硼硅酸盐玻璃体系中，氧化铝的结构作用与其相对于二氧化硅的浓度密切相关。在0.04至0.41 mol%的Al₂O₃/SiO₂比例范围内，氧化铝主要作为网络形成剂，所有Al³⁺离子采用四面体配位结构，在玻璃基质中形成稳定的[AlO₄]结构单元^[11]。对于硼物种，大多数B³⁺离子采用三角平面[BO₃

结论

• (1)
  ZrO₂显著影响铝硼硅酸盐玻璃的结构和性能。随着ZrO₂含量的增加，玻璃的密度、硬度和抗弯强度最初上升，随后下降，而热膨胀系数和软化点温度则表现出相反的趋势，先降低后升高。在研究的ZrO₂添加范围内，玻璃保持了优异的透明性，可见光区域的透射率高达

CRediT作者贡献声明

郑涛：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。郭彦彦：项目管理。张涵：项目管理。莫大红：资金获取。李一伟：方法学研究。刘斌：软件处理。徐欣：初稿撰写。张健：数据整理

未引用参考文献

[41]; [42].

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本文得到了吉林省科学技术厅自然科学基金（编号20220101253JC）和重庆市自然科学基金（编号CSTB2022NSCQ-MSX0402）的支持。