【中玻網(wǎng)】微晶玻璃是將設定的特定成分的基礎玻璃在控制升溫速率，溫度和保溫時間的條件下，使玻璃體中產(chǎn)生晶體，從而生成的一種玻璃相和晶體相共存的復合材料。
　　
　　微晶玻璃具有低膨脹率、較高的機械強度、耐酸堿腐蝕和良好的抗熱穩(wěn)定性等性能，廣泛應用于建筑、電磁、生物醫(yī)學等領域。利用高爐渣、鋼渣、粉煤灰和尾礦等工業(yè)廢渣制備了微晶玻璃。其中煉鐵過程生產(chǎn)的高爐渣主要成分（本文均為質(zhì)量分數(shù)）CaO=35～44%,SiO2=32～42%，Al2O3=6～16%，MgO=4～13%及少量的MnO、FeO和CaS等，在高爐冶煉給料條件固定和冶煉正常情況下，爐渣成分波動較小，是制備微晶玻璃的良好原料。煉鐵高爐渣是首先用于研制礦渣微晶玻璃的原料，已經(jīng)有四十多年的歷史。
　　
　　英國的Kemantaski于1965年利用高爐渣制備了微晶玻璃，G.Agarwel等人利用高CaO的高爐渣制備了一種致密纏繞纖維狀的鎂硅灰石微晶玻璃，實驗結果發(fā)現(xiàn)其具有較好的耐磨性能，是其基礎玻璃的2倍。Z.E.Erkmen等利用高爐渣添加TiO2與Cr2O3在780℃核化18h，910℃晶化20min制得了以鈣黃長石和鎂黃長石為主晶相的微晶玻璃。
　　
　　高爐渣微晶玻璃的晶核劑的選擇從熱力學條件上來看，玻璃是一種非晶態(tài)物質(zhì)，體系在能量上處于亞穩(wěn)態(tài)，玻璃態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的熱力學條件具備；從動力學條件看，隨著溫度的降低，玻璃粘度迅速加大，使成核和晶體增長的原子擴散和重新排列過程變得緩慢。所以要使玻璃態(tài)成功向晶態(tài)轉(zhuǎn)化，必須提供有力的動力學條件，加速玻璃態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化。晶核劑的作用是在玻璃熔制的過程中，能夠均勻溶解在玻璃液中，在玻璃處于析晶穩(wěn)定區(qū)時降低析晶活化能，使玻璃能夠在較低溫度下整體析晶。
　　
　　Stookey提出，良好的晶核劑應該具備以下性能：在玻璃的熔融成型條件下，具備良好的溶解性，但在熱處理時溶解性較小，并且可以降低成核活化能，促使整體析晶；晶核劑擴散活化能要小，在玻璃中容易擴散；晶核劑組分與初晶相間界面張力小。
　　
　　目前用于高爐渣微晶玻璃的晶核劑主要有TiO2、CaF2和P2O5,但對微晶玻璃的成核作用不盡相同。
　　
　　有些學者認為TiO2是一種良好的晶核劑，能夠有效促進高爐渣微晶玻璃分相，從而核化和晶化形成以輝石為主晶相的微晶玻璃。有些學者在研究CaOMgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃時提出隨著TiO2含量的升高，核化晶化溫度降低。現(xiàn)在一般認為，Ti4+離子屬于中間陽離子，在不同狀態(tài)下會以四配位形式[TiO4]或六配位形式[TiO6]存在。高溫時以四配位鍵形式存在，隨著溫度的降低，四配位鍵向六配位鍵過渡。六配位形式[TiO6]與玻璃體不互熔，導致它從硅氧四面體中分離出來，從而形成晶核。岳欽艷等研究了TiO2含量與析晶活化能和鈦的存在形式之間的關系，表明TiO2在3.1%時析晶活化能較低，TiO2含量為3～4%時鈦以六配位形式存在。
　　
　　F-與O2-半徑非常接近，所以F-可以置換硅氧四面體中的O2-，從而使硅氧四面體斷裂，起到顯著地破壞作用，降低了玻璃的粘度。CaF2在玻璃冷卻時，能夠從玻璃中分離出來從而成為形核的中心。
　　
　　P2O5在玻璃中有兩種作用：一是與[AlO4]5-結合進入到硅氧網(wǎng)絡，起到補網(wǎng)的作用，舒緩了析晶，另一方面P5+場強大，分相能力強，起到誘導析晶的作用。當P2O5含量低時，前者起主要作用，當含量高時，后者起到主要作用。羅果萍等研究表明P2O5含量低于4%時主要起舒緩作用，核化晶化溫度升高，當含量超過4%時，核化晶化溫度降低。田清波等在研究P2O5對CaOMgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃析晶的影響中表明P2O5含量達到10%時，玻璃整體析晶，且晶粒細小均勻。
　　
　　根據(jù)晶核劑作用優(yōu)勢互補的特點，選擇復合晶核劑會得到更好的效果。復合晶核劑CaF2與TiO2能使CMAS微晶玻璃的活化能E降低到392.2KJ/mol,促使晶體快速結晶；CaF2與P2O5協(xié)同可使晶體生長指數(shù)n增至2.87，從而實現(xiàn)整體析晶。
　　
　　為了降低玻璃的粘度，降低熔點，常加入助溶劑Na2SO4、K2O等物質(zhì)。為了減少熔制玻璃過程中的氣泡，提高玻璃的致密度，也經(jīng)常加入些澄清劑，例如硝酸鈉和氧化鈰等。為了增加微晶玻璃的絕熱保溫和吸聲隔聲性能，加入適量的發(fā)泡劑可制備泡沫微晶玻璃。
　　
　　高爐渣微晶玻璃的配料基礎玻璃成分是影響微晶玻璃的熱處理制度、晶相及玻璃相的重要因素，而微晶玻璃的性能主要有微晶玻璃中的晶相、晶體形態(tài)、晶體含量和玻璃相的含量決定，因此確定合適的基礎玻璃化學成分非常必要。
　　
　　現(xiàn)在確定高爐渣微晶玻璃基礎化學成分的主要方法有以下幾種：
　　
　?。?）經(jīng)驗范圍法。
　　
　　根據(jù)已有報道微晶玻璃成分的含量范圍，并結合自己使用的原料和要求制備微晶玻璃的性能，確定微晶玻璃成分，然后再檢驗微晶玻璃性能，微調(diào)成分，再檢驗微晶玻璃性能，直到制備出理想的微晶玻璃。
　　
　?。?）根據(jù)含MgO(10%)的CaO-SiO2-Al2O3三元系相圖。
　　
　　透輝石具有良好的耐磨、耐腐蝕性和抗沖擊性，硅灰石結構穩(wěn)定，化學性能、機械性能及熱性能優(yōu)異。根據(jù)高爐渣化學成分并考慮到微晶玻璃具有良好的力學性能和化學穩(wěn)定性，選擇輝石，硅灰石或黃長石為微晶玻璃的主晶相。所以把微晶玻璃的成分預設在黃長石，硅灰石和輝石區(qū)域。根據(jù)圖1可計算出高爐渣微晶玻璃主要成分：SiO2=35～55%，Al2O3=3～10%，CaO=15～25%，MgO=10%。
　　
　　（3）相平衡法。
　　
　　先確定要得到的主晶相，然后找出其類質(zhì)同象的晶體化學構造的共同點。以氧化物表示的分子中，網(wǎng)絡外體和網(wǎng)絡形成體分子摩爾比應符合預設晶相和玻璃相的物相組成及比例。使用經(jīng)驗范圍法配料簡單，省去了配料計算，但不能非常大限度的利用高爐渣減少化學試劑使用量或試驗次數(shù)較多，增加了實驗成本。根據(jù)使用的原料成分和設計的主晶相，結合含MgO(10%)的CaO-Al2O3-SiO2三元系統(tǒng)相圖很快可以計算出各主要成分含量。但形成的晶體存在類質(zhì)同象現(xiàn)象，特別是成分靠近三元系相界時，有時得不到設計的主晶相微晶玻璃。相平衡法配料可以找到各成分理想的范圍及比例。但由于高爐渣微晶玻璃原料復雜，同時受制備工藝和熱處理制度的不同，所以在使用相圖和相平衡法配料時，都需要結合經(jīng)驗范圍多次試驗與探討，才能得到合理的配料制度。高爐渣微晶玻璃的熔制及成型方法生產(chǎn)微晶玻璃的方法有熔融法、燒結法、溶膠-凝膠法和浮法四種工藝，在高爐渣微晶玻璃中主要使用熔融法和燒結法。熔融法是制作微晶玻璃的一種重要方法。按照基礎玻璃成分將高爐渣與其它礦渣或化學試劑混合，將混合料在加熱爐中加熱到1500℃左右保溫1h，在這個過程中水分蒸發(fā)，碳酸鹽分解，難熔物質(zhì)與其他礦物形成低熔點化合物。玻璃液澄清后，迅速成型，然后退火去除玻璃的內(nèi)應力。較后根據(jù)確定的核化晶化溫度及時間對玻璃做合適的熱處理就會得到微晶玻璃。
　　
　　采用熔融法制備微晶玻璃的優(yōu)點是：
　　
　　(1)玻璃的成型方法多且簡單，例如壓延、壓制、澆筑和吹制等，適合自動化生產(chǎn)和制備形狀復雜的微晶玻璃；