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[学位]

二硅酸锂玻璃陶瓷的析晶过程与性能控制研究

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Author:

陈雨钊 (陈雨钊.)

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学位论文库

Abstract:

在对牙科修复材料要求日益提升的今天,二硅酸锂(Li2Si2O5)玻璃陶瓷凭借其优秀的机械性能、光学性能、耐腐蚀性能以及生物性能在牙科修复领域获得了一席之地,拥有广阔的应用前景。但国内目前对该系列的玻璃陶瓷研究较少,依然存在析晶过程不明,力学性能较差等问题,因此对其进行析晶过程探索及材料性能优化具有重要的研究意义和应用价值。
本课题以Li2O-SiO2-Al2O3-K2O-P2O5-ZrO2-CeO2七元体系的二硅酸锂玻璃陶瓷作为研究对象,探索了玻璃基体析出偏硅酸锂晶体、偏硅酸锂向二硅酸锂转化以及玻璃基体析出二硅酸锂晶体过程中的形核与长大机制,研究了两步保温过程的温度与时间对样品的物相、显微形貌、抗弯强度、断裂韧性等参数的影响规律。
通过DSC结果可以确定二硅酸锂玻璃陶瓷的析晶过程分为低温生成偏硅酸锂(Li2SiO3)晶体和高温生成二硅酸锂晶体两个过程。经过试验研究,确定了两步加热温度范围分别为600~700°C和800~880°C的处理工艺通过控制保温时间可以有效地调整二硅酸锂晶体析出量、大小以及形态。对样品宏观颜色存在差异的问题进行了研究,确认了晶粒小透光率低的样品由于光的散射宏观显蓝色,晶粒大透光率高的样品显黄色,介于二者之间的形貌导致样品显白色。
研究表明,在七元二硅酸锂玻璃体系中,偏硅酸锂晶体的形核方式为异质形核,二硅酸锂晶体的形核方式根据偏硅酸锂的析出情况不同为异质形核或自发形核。在偏硅酸锂晶体含量较高时(基质玻璃在600°C保温10h),由于二硅酸锂形核数量较大,因而形成细晶结构。延长保温时间,部分二硅酸锂晶体与玻璃中的硅氧网络解聚,体系中的晶体生长为大棒状晶粒周围分布小棒状晶粒的双峰分布结构。在偏硅酸锂含量较低时(直接在870°C保温),二硅酸锂形核数量少,晶体生长空间充足,最终形成均匀棒状结构。因此通过控制玻璃陶瓷中偏硅酸锂中间相的含量以及第二步保温温度与时间等因素,得到了细晶结构、均匀棒状晶结构以及双峰分布结构的二硅酸锂玻璃陶瓷。
通过正交试验对热处理工艺参数进行优化,发现第二步保温温度与保温时间对样品的力学性能影响最大。综合分析正交试验样品的微观形貌与力学性能,发现具有细晶结构的材料强度高韧性低,具有双峰分布结构的材料强度低韧性高,具有均匀棒状晶结构的材料强度和韧性均相对较高。在850°C对偏硅酸锂充足析出的样品进行第二步热处理,随着保温时间从1h延长至8h,晶粒尺寸逐渐增大,显微形貌从细晶结构向双峰分布结构转变,抗弯强度先降低后升高再降低,断裂韧性先升高后降低;而保温5h时,随着保温温度从800°C增加至875°C,显微形貌从细晶结构先转变为双峰分布再转变为均匀棒状结构,晶粒尺寸逐渐增大,但抗弯强度与断裂韧性均先升高后降低。通过对实验结果进行分析与总结,最终确定第一步在600°C下保温10h,第二步在850°C下保温5h的样品具备最优的力学性能,强度可达344.8MPa,韧性可达2.33MPa•m1/2。

Keyword:

玻璃陶瓷 二硅酸锂 热处理 析晶过程 正交试验

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工程硕士

Mentor: 杨建锋

Year: 2018

Language: Chinese

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30 Days PV: 18

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