微晶玻璃抗折强度相关实验研究：影响因素及最佳配比

CaO－Al2O3－SiO2－Na2O系微晶玻璃抗折强度的测定结果如图2.36～图2.38所示。从图2.36～图2.38可以看出，随着CaO、Al2O3和Na2O质量分数的增加，微晶玻璃的抗折强度均呈先增加后降低的趋势。在本实验条件下，当CaO、Al2O3和Na2O质量分数分别为25.49%、11.77%和1.96%时，微晶玻璃的抗折强度达到最大值，为84 MPa。

图2.36　CaO质量分数与微晶玻璃抗折强度的关系

微晶玻璃的抗折强度主要受其内部的晶体析出量、晶体尺寸、晶体内部结构以及缺陷等因素的影响作用，可以采用Griffith微裂纹强度理论［156］进行探讨，晶体的临界强度σ可由下式表示：

式中：E为弹性模量；

　　　r为断裂表面能（kJ／mol）；

　　　C为微裂纹的临界长度（nm）。

图2.37　Al2O3质量分数与微晶玻璃抗折强度的关系(www.xing528.com)

图2.38　Na2O质量分数与微晶玻璃抗折强度的关系

根据式（2.17），材料的强度与表面能的平方根成正比。红外光谱分析表明，由于CaO和Na2O质量分数的增加，微晶玻璃的结晶度指数增大，晶体内部有序程度以及析晶的完整程度增加，当裂纹在生长和扩展时，能够反复被晶界阻止而改变方向，导致断裂时形成较高的断裂表面能，故微晶玻璃的抗折强度增加。

实验证明［157］，微晶玻璃的断裂强度与晶粒直径的平方根成正比，即

式中：k为常数；

　　　d为晶粒直径（μm）。

多晶材料一般沿晶界发生断裂。如果材料的晶粒愈细，数量愈多，则沿晶界破坏时裂纹扩展要走过的路程就愈长。此外，材料中初始裂纹长度与晶粒尺寸相当，晶体尺寸越小，则初始裂纹尺寸愈小，进而临界抗折强度就愈大。随着CaO和Na2O质量分数的增加，微晶玻璃的晶体尺寸和析晶率逐渐增大；随着Al2O3质量分数的增加，微晶玻璃的晶体尺寸逐渐减小。

在本实验条件下，当晶体尺寸为752 nm和析晶率为38.25%时，微晶玻璃的抗折强度达到最大值。因此，必须控制适当的晶体尺寸和析晶率，以改善微晶玻璃的性能。