矿渣微晶玻璃的多种分类

矿渣微晶玻璃按照其应用特性可以分为以下几种。

（1）低膨胀系数的矿渣微晶玻璃

V.Werner等［79］对微晶玻璃低膨胀系数的影响因素进行了系统研究，确定了影响微晶玻璃低膨胀系数的主要晶相是：β－锂霞石LiAl（SiO4）、β－锂辉石LiAl（Si2O6）、堇青石Mg2Al3（AlSi5O18）和金红石TiO2。

D.Agrawal等［80］发现，晶核剂TiO2有利于β－锂霞石、β－锂辉石和堇青石等主晶相的析出，并使其性能得到改善。M.Karkhanvala等［81］认为：Li2O－Al2O3－SiO2系的主要特性是热膨胀系数在很大范围内可调，而且可达到零膨胀，甚至负膨胀值，这与析出的晶体具有各向异性的热膨胀行为有关。潘儒宗等［82］以MgO－CaO－Al2O3－SiO2系矿渣微晶玻璃为基础，通过加入适量添加剂、少量的过渡元素和稀土金属氧化物，研究高发射率的红外辐射材料。

目前，采用矿渣制备低膨胀系数微晶玻璃的研究较少，而利用工业原料制备低膨胀系数微晶玻璃的研究较多，低膨胀系数微晶玻璃主要应用于：

①制造天文望远镜、耐高温炊具和环形激光陀螺等。

②制备滚珠轴承、加工刀具和汽轮机叶片等部件。

③制备雷达天线保护罩。

④制备红外辐射材料。

（2）可切削的矿渣微晶玻璃

Jiin等［83］在Na2O－MgO－Al2O3－SiO2－CaO－P2O5－F系可切削微晶玻璃的研究中，用能谱分析测定了卡片状交联结构和“卷心菜”结构的云母晶体中Al与Si和Mg与Si的原子数的比率，结果表明云母结构发生了较大的转变。

G.David［84］认为，四面体层的弯曲是由于云母晶体生长过程中形成了非化学计量的化合物引起的。Al3＋并非以1∶1.5取代Mg2＋，而是形成层间离子缺位，此外，只有依靠四面体层的弯曲畸变来保证电中性。

目前，可切削微晶玻璃主要应用于［85］：

①生物医学领域，如人造骨骼、牙齿等，磷酸盐类陶瓷材料由于具有良好的生物相容性，已逐渐在临床医学领域被广泛应用。

②可作为主体材料和电子绝缘材料。

③制备新型的无机纸。

（3）高强度的矿渣微晶玻璃

M.Shigeki等［86］对矿渣微晶玻璃强度的影响因素进行了系统研究，发现影响微晶玻璃高强度的主要晶相是堇青石Mg2Al3（AlSi5O18）、方石英SiO2和镍尖晶石（Ni，Mg）Al2O3。

迟玉山等［87］在研究MgO－A12O3－SiO2系微晶玻璃析晶时发现，在温度为1 030℃的条件下，假蓝宝石开始转变为方石英固溶体，而在1 125℃以上温度，α－石英固溶体转化为α－茧青石、方石英和顽火辉石，同时金红石和Zr／Ti固溶体向方英石和钛酸镁转变。依据玻璃析晶序列，选择在930～1 050℃温度范围内对玻璃进行热处理，制得以假蓝宝石为主晶相的微晶玻璃，此微晶玻璃具有细小均匀的晶粒结构，具有高的弹性模量（120 GPa）和良好的表面性能。

随着研究的不断深入，堇青石基微晶玻璃的应用越来越广泛，目前主要应用在［88－89］：

①电子材料领域，如可以用作电子元器件的封装材料，可以制作各种类型的电路板，可用作绝缘材料、电容器、微波器、混频器以及用作信息记录材料等；

②可制备蜂窝陶瓷载体、催化剂载体以及生物过滤材料等。

（4）高耐磨性的矿渣微晶玻璃

张培新等［90］认为，结晶相的数量增加有利于微晶玻璃的机械强度、硬度、耐磨性以及化学稳定性的提高，因此，要注意防止“稀释效应”，即防止玻璃相含量过多而降低了晶相对微晶玻璃性能的贡献。

肖兴成等［91］在研究钛渣微晶玻璃时发现，对于制备辉石类的废渣微晶玻璃最有效的晶核剂是Cr2O3、复合晶核剂Fe2O3和Cr2O3、TiO2和Cr2O3、氟化物和Cr2O3。成核机制为液相分离，主晶相为透辉石和榍石，并且具有良好的力学性能。(www.xing528.com)

由于辉石类晶体微细而均匀，且相互之间排列得相当致密，晶粒间又填充有极薄的可起胶凝作用的玻璃相，因而制品内部结构非常致密。因此，辉石类矿渣微晶玻璃可以广泛用于［92－93］：

①公用和民用建筑的承重及饰面材料，可完全代替大理石或花岗岩。

②化工、采矿及其他工业部门的高强、耐酸、耐磨材料。

③侵蚀性介质或高磨损条件下工作的机械部件。

矿渣微晶玻璃按照矿渣原料可以分为如下几种［94－95］。

（1）高炉渣微晶玻璃

高炉矿渣是冶炼生铁时高炉中排放出来的，也是冶金工业中排放量最大的一种渣。这类渣的主要特点是：化学成分波动小，利用率高。多用于建筑材料，如作为矿渣水泥原料、矿渣砖、铺路材料等。高炉渣也是微晶玻璃制品的原料，以高炉渣为主要原料制备微晶玻璃的研究已经较为成熟，制品性能稳定。由于高炉渣中CaO、SiO2含量较高，限制了高炉渣的用量和高炉渣微晶玻璃性能的提高。目前，国内的研究工作集中于以高炉渣和其他废渣在化学组成上的互补性来提高固体废弃物的用量和微晶玻璃的性能。

（2）钢渣微晶玻璃

钢渣包括转炉渣、电炉渣和平炉渣，是钢铁冶炼过程中排放出来的固体废弃物。在冶金工业渣中，其排放量仅次于高炉矿渣。由于其成分不稳定，其利用率远低于高炉渣。其主要化学成分CaO和SiO2，二者是CaO－MgO－SiO2系统微晶玻璃的重要组成。FeO、Fe2O3不仅有利于玻璃的熔制，还可以作为微晶玻璃的晶核剂。钢渣的形成温度为1 500～1 700℃，倒渣后的温度在1 400～1 500℃之间，可以利用钢渣的余热制备微晶玻璃，这样不但可以避免钢渣热量的损失，还可以节省能源。由于钢渣得到了充分的利用且所制备的钢渣微晶玻璃性能优良，目前，一些企业正在着手产业化的工程技术研究。

（3）铬渣微晶玻璃

铬渣是生产铬酸盐时排出的化工废渣。全国积蓄的铬渣已超过2.5×106t，渣中除了具有Cr2O3和有毒的水溶性Cr6＋外，还有微晶玻璃所需的成分。同时Cr2O3可作为微晶玻璃的晶核剂，从而降低了微晶玻璃的制备成本。若将Cr6＋全部转换为Cr2O3，就可实现铬渣的无毒化。通过这种方法可利用50 wt%有毒铬渣及其他原料制备出用于装饰或结构材料的黑色微晶玻璃。铬渣微晶玻璃中Cr6＋的析出量为0.22 mg／kg，远低于50.22mg／kg的国家排放标准。

（4）镍渣微晶玻璃

镍渣是在生产有色金属镍过程中排放出的固体废弃物，其中含有SiO2、MgO、Al2O3、CaO以及Fe、Cu、Ni等金属元素。镍渣的主要用途为制备矿渣水泥和硫酸镍化工原料。目前，一些人正在研究利用镍渣制备微晶玻璃。

（5）磷渣微晶玻璃

目前，国内约60%的磷炉渣未被利用，且磷炉渣排放量逐年增加。磷渣的主要成分为CaO和SiO2，其中，CaO含量高达50 wt%，这两种氧化物是制备微晶玻璃的重要组成材料，CaO对微晶玻璃的制备工艺和玻璃的析晶有较大的影响。为此，利用黄磷渣开发高附加值的产品——微晶玻璃成为许多学者研究的目标。

（6）硼镁渣微晶玻璃

硼镁渣主要成分为CaO、Al2O3、SiO2、MgO、Fe2O3和B2O3等，其中，MgO、B2O3含量较高，以酸洗硼镁渣为主要原料制造微晶玻璃，利用率达60%，在添加适量的长石、方解石等原料的情况下，可获得主晶相为透辉石和透辉石与钙长石固溶体的性能良好的微晶玻璃。B2O3是微晶玻璃的常用助熔剂，MgO则有利于促进晶粒的细化和辉石类晶体析出。

（7）铅渣微晶玻璃

铅矿渣的化学成分为：SiO2，34 wt%～38 wt%；Al2O3，10 wt%～15 wt%；且含有较多的氧化铁。用铅渣和钢渣作玻璃原料，同其他玻璃原料混合可以制成性能优良的矿渣微晶玻璃，不需另加晶核剂，矿渣的加入量可高达60 wt%～62 wt%。由于该配方铁的含量较高，故制得的玻璃为黑色，熔制温度为1 480℃。

（8）灰渣微晶玻璃

粉煤灰是电厂排放的固体工业废渣。目前虽然在筑路材料、水泥、烧结砖等方面得到了利用，但利用价值不高。国内外许多科研工作者研究了利用粉煤灰制备微晶玻璃，取得了非常好的成绩，而且充分体现了粉煤灰的利用价值。

（9）钛渣微晶玻璃

钛渣中TiO2含量高达20 wt%。TiO2是性能优良的晶核剂和助熔剂，因此，钛渣可以直接作为微晶玻璃的原料。但是，以TiO2作为单一晶核剂易出现表面析晶，需加入少量其他的晶核剂。