Как аморфный неорганический материал, свойства стекла определяются как его химическим составом, так и микроструктурой. В основных стекольных системах, таких как натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло и т. д., помимо основного компонента SiO ₂, выбор и соотношение оксидных добавок напрямую влияют на форму при плавлении, механические свойства, химическую стабильность и функциональные характеристики стекла.Оксид магния (MgO), как типичный оксид щелочноземельного металла, играет ключевую роль в регулировании структуры, оптимизации производительности и улучшении процесса изготовления стекла благодаря небольшому ионному радиусу (0,072 нм) и высокой напряженности поля (Z/r²=6,25). В этой статье кратко анализируется механизм и практическая ценность оксида магния в стекле с шести сторон: процесс плавления, механические свойства, химическая стабильность, термические свойства, оптическое качество и сценарии применения.
1、 Регулировка процесса плавления и формования: снижение энергопотребления и минимизация дефектов.
Процесс плавления стекла – это процесс превращения твердого сырья в однородный расплав и удаления пузырьков и полос. Оксид магния существенно оптимизирует качество плавки и формовки за счет регулирования вязкости и поверхностного натяжения расплава.
В натриево-кальциево-силикатном стекле традиционными компонентами являются в основном SiO ₂ (70–75 %), Na ₂ O (12–16 %) и CaO (6–10 %), MgO (3,5–4 %). CaO и MgO являются щелочноземельными металлами. При высоких температурах (>1400 ℃) Mg²⁺ вступает в реакцию с Ca²⁺ и соединяется с немостиковым кислородом, ослабляя степень полимеризации кремнийкислородной сети, уменьшая вязкость расплава, ускоряя растворение сырья и выход пузырьков; На этапе низкотемпературного (<1000 ℃) формования характеристики высокой напряженности поля Mg ² ⁺ усиливают межмолекулярные силы, увеличивают вязкость расплава (например, в оловянной ванне при формовании флоат-стекла вязкость увеличивается примерно на 8%), позволяют избежать деформации стеклянной ленты под действием силы тяжести и уменьшить дефекты неравномерной толщины. Двойной эффект управления «снижением высокотемпературной вязкости и увеличением низкотемпературной вязкости» снижает потребление энергии плавильной печи, сокращает время плавки на 10–15% и снижает скорость пузырьков более чем на 30%, что значительно повышает эффективность производства.
Кроме того, оксид магния может подавлять склонность расплава к кристаллизации. Когда расплав стекла охлаждается, Ca ² ⁺ легко образует кристаллические фазы, такие как кальциевый полевой шпат (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) с SiO ₂, что приводит к потере стекла (например, полосам и каменным дефектам). Ионный радиус Mg²⁺ меньше, чем у Ca²⁺ (0,099 нм), и он имеет более сильную совместимость с кремниево-кислородной сеткой, что может препятствовать росту кристаллических ядер за счет «эффекта заполнения». При производстве листового стекла при количестве добавляемого MgO 2-4% верхняя предельная температура кристаллизации в расплаве снижается на 15-25 ℃, что эффективно расширяет диапазон температур формования и уменьшает дефекты кристаллизации, вызванные локальным переохлаждением.
2. Укрепление механических свойств: повышение прочности и ударной вязкости.
Хрупкость стекла по существу обусловлена дальним беспорядком расположения атомов в микроструктуре, тогда как оксид магния значительно улучшает его механические свойства за счет оптимизации плотности сетки и прочности ионной связи.
Повышение твердости и модуля упругости: высокая напряженность поля Mg ² ⁺ образует прочные ионные связи с ионами кислорода, уменьшая количество немостиковых форм кислорода (которые являются слабыми местами в сетчатой структуре). В натриево-кальциево-силикатном стекле при замене 10-20% СаО MgO твердость стекла по Виккерсу увеличивается с 5,5 ГПа до 6,2 ГПа, а модуль упругости увеличивается с 68 ГПа до 75 ГПа. Это связано с тем, что энергия связи между Mg ² ⁺ и кремний-кислородными тетраэдрами (около 640 кДж/моль) выше, чем у Ca ² ⁺ (около 560 кДж/моль), что делает структуру сетки более плотной. Например, добавление 3%-5% MgO в фотоэлектрическое стекло увеличивает устойчивость поверхности к царапинам на 20%, уменьшая повреждение поверхности во время транспортировки и установки.
Оптимизация прочности на изгиб и ударной вязкости. Прочность стекла на изгиб зависит от сопротивления распространению «микротрещин» в структуре, а оксид магния играет определенную роль, уменьшая размер сетчатых дефектов. Исследования показали, что в натриево-кальциево-силикатном стекле, содержащем MgO, средняя длина микротрещин сокращается с 8 мкм до 5 мкм, а скорость распространения трещин снижается на 30%. После замены 25% CaO на MgO в бутылочном стекле прочность на изгиб увеличилась с 45 МПа до 58 МПа, а ударопрочность корпуса бутылки увеличилась на 25%, что значительно уменьшило проблему взрыва в процессе розлива. Кроме того, оксид магния может снизить показатель хрупкости (энергию разрушения/модуль упругости) стекла. В боросиликатном жаростойком стекле добавление 4–6% MgO может снизить показатель хрупкости на 12% и повысить его устойчивость к термическому удару.
Химическая устойчивость стекла (водостойкость, кислотостойкость, щелочестойкость) зависит от устойчивости сетчатой структуры к внешней ионной эрозии. Оксид магния значительно улучшает его способность адаптироваться к окружающей среде за счет увеличения плотности сетки и силы связывания ионов.
Улучшение водостойкости: в натриево-кальциево-силикатном стекле высокая скорость миграции Na ⁺ делает его легко растворимым в воде (образуя «щелочной слой»), тогда как Mg ² ⁺ может снизить скорость растворения Na ⁺ за счет «ионного обмена». В тесте на водостойкость по стандарту ISO 719 скорость потери веса натриево-кальциевого стекла без MgO составила 0,15 мг/см². После добавления 3% MgO скорость потери массы снизилась до 0,08 мг/см². Это связано с более сильной силой связи между Mg² ⁺ и кремний-кислородной сеткой, которая препятствует проникновению молекул H ₂ O внутрь стекла. Эта функция продлевает срок службы стекла, содержащего MgO, более чем на 30% во влажных средах, таких как навесные стены зданий и аквариумы.
Повышенная устойчивость к щелочам: в щелочной среде OH ⁻ атакует связь Si-O-Si, что приводит к распаду сети, тогда как введение Mg² ⁺ может образовать «щелочной буферный слой». После добавления 5%-7% MgO к стекловолокнам, используемым в композиционных материалах на основе цемента, степень сохранения прочности стекловолокон, выдержанных в щелочном растворе с pH=13, в течение 28 дней увеличилась с 65% до 82%. Это происходит потому, что Mg²⁺ и OH⁻ образуют осадок Mg(OH)₂, закупоривая поры на поверхности стекла и замедляя проникновение щелочного раствора.
Регулирование кислотостойкости: для борсодержащих стекол (таких как оптические стекла) оксид магния может ингибировать гидролиз бор-кислородных сеток. В боросиликатном стекле B ³ ⁺ легко соединяется с H ⁺ с образованием [BO ∝] ³ ⁻, что приводит к распаду сетки, тогда как высокая напряженность поля Mg² ⁺ может стабилизировать тетраэдрическую структуру [BO ₄] ⁻. После добавления 2%-3% MgO скорость потери веса стекла в 10% растворе HCl снизилась на 40%, что делает его пригодным для прецизионных окон приборов в кислых средах.
4. Оптимизация тепловых свойств: уменьшение коэффициента расширения и улучшение термостойкости.
Коэффициент теплового расширения (КТР) является ключевым параметром в композите из стекла, металла, керамики и других материалов. Оксид магния обеспечивает точный контроль КТР за счет регулирования вибрационных характеристик сети.
Основная добавка к стеклу с низким коэффициентом расширения: в боросиликатном стекле с низким коэффициентом расширения (например, стекле из пирекса) MgO работает синергетически с B ₂ O3 и Al ₂ O3, уменьшая амплитуду тепловой вибрации за счет «заполнения сети». Ионный радиус Mg ² ⁺ невелик и может внедряться в зазоры сеток кремний-кислород/бор-кислород, ограничивая релаксацию сетки при высоких температурах. Когда количество добавленного MgO составляет 4–6 %, КТР стекла снижается с 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ до 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, что соответствует требованиям соответствия для герметизации такими металлами, как вольфрам и молибден (КТР металла составляет около 4 × 10 ⁻⁶/℃). Например, в стекле с низким коэффициентом расширения, используемом для упаковки электронных устройств, введение MgO снижает термическое напряжение на границе герметизации на 25%, избегая растрескивания, вызванного циклическими изменениями температуры.
Улучшение термостойкости: термостойкость стекла зависит от комбинированного эффекта КТР и теплопроводности, а оксид магния может оптимизировать и то, и другое одновременно. В натриево-кальциево-силикатном стекле добавление 3% MgO снижает КТР с 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ до 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, увеличивает теплопроводность с 1,05 Вт/до 1,18 Вт/ и увеличивает термостойкую разницу температур удара (Δ T) со 120 ℃ до 150 ℃. Эта характеристика делает стекло, содержащее MgO, подходящим для кухонной утвари (например, противней), автомобильных фар (выдерживает колебания температуры от -40 ℃ до 120 ℃) и других сценариев.
5. Обеспечьте оптическое качество: поддерживайте прозрачность, регулируйте показатель преломления.
К оптическому стеклу предъявляются строгие требования к прозрачности, показателю преломления (nD) и коэффициенту дисперсии (∆D), а оксид магния стал идеальной добавкой для функционального оптического стекла благодаря своим бесцветным и слабым окрашивающим свойствам.
Поддержание высокой прозрачности: MgO сам по себе является бесцветным оксидом и не содержит ионов переходных металлов (таких как Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), что позволяет избежать окрашивания стекла. В ультрабелом фотоэлектрическом стекле, когда добавление MgO контролируется на уровне 2–3%, коэффициент пропускания видимого света (400–700 нм) может достигать более 94,5%, что всего на 0,3% ниже, чем у чистого кремниевого стекла, и намного превосходит стекло, содержащее Fe ₂ O ∝ (коэффициент пропускания <91%). Кроме того, оксид магния может уменьшить пузырьки и дефекты кристаллизации в стекле, еще больше снизить потери на рассеяние света и улучшить на 15% однородность светопропускания стекол для лазерных дальномеров.
Показатель преломления и контроль дисперсии: молярный показатель преломления (R=3,2) MgO находится между CaO (R=4,0) и ZnO (R=3,0), а оптические константы стекла можно точно настроить, регулируя добавляемое количество. После замены 10% CaO на MgO в оптическом стекле марки Crown показатель преломления nD снизился с 1,523 до 1,518, а коэффициент дисперсии ∆D увеличился с 58 до 62, что соответствует конструктивным требованиям низкодисперсионных линз. Для стекла, пропускающего инфракрасное излучение (например, системы GeO ₂ - MgO), MgO может снизить коэффициент поглощения инфракрасного излучения стекла и увеличить коэффициент пропускания на 8% в диапазоне 3-5 мкм, что подходит для тепловизионных окон.
В будущем, с модернизацией экологически чистого производства и спросом на функциональное стекло, применение оксида магния будет развиваться в сторону очистки: с одной стороны, механические и оптические свойства стекла будут дополнительно улучшены за счет легирования наноMgO (размер частиц <50 нм); С другой стороны, объединив дизайн компонентов, управляемый искусственным интеллектом, можно разработать новую стеклянную систему на основе MgO (например, стекло с низкой температурой плавления MgO Li ₂ O-ZrO ₂), которая будет адаптирована к гибкой электронике, а также приложениям для хранения и транспортировки водородной энергии. Значение оксида магния в составе стекла смещается от «регулятора производительности» к «функциональному активатору», стимулируя эволюцию стеклянных материалов в сторону более высоких характеристик и более широких сценариев.
SAT NANO является лучшим поставщиком порошка оксида магния MgO в Китае. Мы можем предложить размер наночастиц. Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу sales03@satnano.com
