LMG材料设计方案.docVIP

2 LMGC材料的设计 摘要 对LMGC材料进行设计的原则为以使材料具有较低的熔点, 晶化时易于得到云母晶体, 并具有较理想的性能. 可切削微晶玻璃由于其独特的加工性能，自出现以来引起了人们的广泛关注.时至今日，人们已对其进行了大量、广泛的研究.然而目前众多的研究中，各种可切削微晶玻璃的熔融温度一般都在1500℃以上【,】，晶化的温度也相应较高,时间较长.这给可切削微晶玻璃的生产带来很多不便，并在一定程度上提高了生产成本.本章通过对材料成分分析、元素替换,降低可切削微晶玻璃的熔融温度和晶化温度，从而扩展其生产和应用的领域, 并希望使微晶玻璃的可切削性能和机械性能进一步得到提高. 2.1 元素置换对原子键合力及晶胞畸变的影响 可切削微晶玻璃的成分组成通常为：R2O-MgO-Al2O3-SiO2-F体系（注：“R”表示碱金属），常见的云母相结构有：氟金云母,KMg3AlSi3O10F2；锂云母,(Na2O,K2O)Li(Mg,Fe)[AlSi3O11]F2和四硅酸云母 KMg2.5Si4O10F2【4】,以氟金云母最常见. 氟金云母的通式为X0.5-1Y2-3(Z4O10)F2, 如前文所述可占据X,Y,Z位置的元素决定于离子半径的大小和离子键的键强，通式下标表达氟云母晶体中所能包容的离子元素的数量. 表2.1为云母晶中可能出现的元素的离子半径和在云母化学式中所占的位置【】。 从表2.1可以看出X类元素都为碱金属和碱土金属类离子，这些离子可以置换氟金云母结构中的K＋元素，Y类元素以金属离子居多，它们能置换氟金云母结构中的Mg＋，Z类元素主要是网络生长体离子和可置换网络体离子的中间体离子，它们在氟金云母结构中可置换Si的位置。不同离子取代氟金云母结构中各位置上的Si＋，Mg2＋，K＋，可得到一系列异质同晶结构的不同性质的云母。 表2.1 云母中某些阳离子和离子半径(×0.1nm) X Y Z K+ 1.33 Ti+ 1.44 Mg2+ 0.65 Mn2+ 0.80 Si4+ 0.41 Be2+ 0.31 Na2+ 0.95 Rb+ 1.48 Ni2+ 0.69 Cu2+ 0.96 Al3+ 0.50 V3+ 0.74 Li+ 0.60 Cs+ 1.69 Fe2+ 0.80 Fe3+ 0.64 B3+ 0.20 Cr3+ 0.63 Ba2+ 1.35 Ti2+ 0.90 V3+ 0.74 Fe3+ 0.64 Ga3+ 0.62 Sr2+ 1.13 Li+ 0.60 Ti3+ 0.76 Zn2+ 0.74 Ge4+ 0.53 Ca2+ 0.99 Co2+ 0.72 Ti4+ 0.68 Mn3+ .66 Pb2+ 1.21 Zn2+ 0.74 Co3+ 0.63 对云母晶体结构置换研究表明，X位置由K＋占据时云母晶体最易生长. 一般讲随取代X位置离子半径减小，析出的晶体尺寸减小. Mg是Y位置上最易引发析晶的元素. Y位置的Mg2＋被取代的越多，云母析晶越困难. 通常经离子置换后，云母晶体的析晶温度和晶化热能都比氟金云母低。对氟金云母晶体进行部分离子置换将改变云母晶胞原有的各层面结构参数【】，并引起晶胞层的畸变。 从晶体理论分析晶体结构畸变有利于晶体强度的提高，这如同钢中的合金元素置换铁原子一样。这一点对云母晶中的K＋层尤为重要，如前所述，（001）面的K+层是云母晶体最薄弱环节,也是云母微晶玻璃材料强度较低的主要原因，用不同于K+半径离子适当的置换K+可造成K+层的离子层面畸变，改变该层离子的键合状态，有可能提高该层面的抗解理能力，进而提高材料的宏观强度. 然而加大K+层畸变程度还必须考虑对可切削性能的负面影响，因为云母结构K+层弱键结合也是造成可切削性能的主要原因，因此设计对K+层置换的元素时，应控制置换分数，寻求加工性能和强度的合理配合。 金属研究中，细化晶粒尺寸使材料强度，韧性得到提高已是不争的事实,本文分析对云母微晶玻璃的云母晶体细化也应达到类似的效果，细化云母晶尺寸，可使材料在外力作用下裂纹的一次性扩展长度缩短，在晶体体积分数相同时增加了二次裂纹萌生的频率，因而增大了裂纹扩展的阻力，提高材料强度，较多的细小晶体尺寸还能使裂纹扩展的分叉能力提高，达到增韧的效果，此外，从加工表面质量考虑细小云母晶断裂后产生的加工表面的峰谷差较小，有利于加工表面精度的提高，因此减小云母晶体尺寸是提高材料性能和加工质量的理想途径。表2.1中X类中Li元素离子半径最小，可能造成的结构畸变最强烈，从这个意义上讲Li＋是置换K＋的最好元素，然而，表2.1还表明Li＋具有置换Mg2＋的能力，这将影响基体玻璃的析晶能力，不利于晶化过程。这是本文成分设计中需要十分注意的问题。