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玻璃缺陷的化学成分检测与鉴定探讨

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2020/8/26 9:42:39  

摘要:根据当前我国玻璃缺陷化学成分检测与鉴定工作的开展情况来看,传统的检测方法已经不能满足玻璃缺陷化学成分的检测需求,电子探针微区分析技术的应用,能够改善传统检测工作中存在的问题,通过监测玻璃缺陷成分,探究玻璃缺陷造成的因素,以便能够采取针对性的措施进行解决,提高玻璃生产活动的质量与效率,为玻璃企业实现持续发展奠定坚实的基础。

关键词:玻璃缺陷; 化学成分; 检测;

根据玻璃生产活动的开展情况来看,在生产过程中玻璃的表面或者内部不可避免的会产生各种类型的缺陷,这些缺陷会严重影响到玻璃的外观质量以及机械强度。化学成分检测与鉴定工作的开展,对于企业研究玻璃缺陷有着十分重要的作用,以此为依据采取针对性的解决措施,消除玻璃缺陷,稳定玻璃生产活动,对于提高玻璃产品质量,促进企业持续发展有着十分重要的现实意义。

1 玻璃缺陷的分类

根据玻璃生产活动来看,从玻璃内部以及表面的物理存在形态方面,可以将玻璃缺陷分为气态玻璃缺陷与固态玻璃缺陷两种。其中固态玻璃缺陷又可以分为玻璃态缺陷与非玻璃态缺陷。具体分类如下所示。

图1 玻璃缺陷物理状态分类示意图

从玻璃缺陷化学成分上进行分类,可以将固体状态的玻璃缺陷分为富锆质结石、富铝质、富硅质这三种,或者锆、铝、硅三种元素中任意两种元素混合形成的混合物。气体状态的玻璃缺陷则为气泡,根据气泡内气体成分的不同,可以将其分为氧气泡、二氧化碳泡、芒硝泡、一氧化碳气泡等,或者由两种及两种以上的混合气体组成的气泡[1]。

2 玻璃缺陷的化学成分检测方法

根据玻璃缺陷检测、鉴定工作的开展情况来看,应用最多的方法为岩相分析,也就是通过观察玻璃缺陷的显微结构、形貌等,判断缺陷的成因以及种类。利用化学成分检测法这一手段目前还正处于起步阶段。该方法的应用主要会受到两方面的限制。一方面是玻璃缺陷尺寸通常情况下都较小,因此想要完成精确取样十分困难,一般会夹带十分多的基础玻璃,导致检测出来的缺陷化学成分与基础玻璃化学成分之间的差异十分微小,进而难以判断玻璃的真实化学成分。其次是化学成分检测分析方法以及工具的限制,目前在我国对于玻璃缺陷还未形成一个成熟的有针对性的分析方法[2]。

2.1 电子探针微区分析技术

在应用电子探针微区分析技术检测玻璃缺陷时,主要是通过利用聚焦的电子束在玻璃缺陷的表面选定区域进行扫描,或者将其固定在某一区域进行照射,对玻璃微小区域的固体样品开展无损化学分析工作。在此过程中工作人员要注意,电子探针微区分析技术与扫描电镜的功能基本上相同,但是增加了有关化学分析功能,该技术也是电子探针的重要功能[3]。通过对电子探针的分析,可以获得玻璃缺陷的表面形貌信息以及相关化学成分数据。该数据信息就是利用电子探针微区分析技术给出玻璃缺陷的形貌信息,背散射电子或者X射线通过波长色散光谱分析法以及能量色散光谱分析法,给出玻璃的化学成分。而后工作人员通过对比基础玻璃的化学成分以及玻璃缺陷的化学成分,最终完成玻璃缺陷检测与鉴定工作。

2.2 激光技术

根据电子探针微区分析技术的应用情况来看,此项技术因为样品制备较为麻烦并且费时费力,再加上相关设备价格昂贵等关系,经常应用激光技术代替电子探针微区分析技术,获取玻璃缺陷信息。例如采用痕量元素分析,工作人员可以采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪或者激光诱导击穿光谱仪进行分析[4]。

工作人员在采用电子探针微区分析技术对玻璃缺陷进行化学检测时,要采取扩大探针区域面积、降低电流的方法,使得玻璃缺陷上能够保持较低的电流密度,防止碱金属离子发生迁移现象,避免因为迁移现象导致玻璃化学成分失真。在此过程中还需要注意的是,探针区域面积不能大于玻璃缺陷的平面尺寸,不能够使电子束照射到玻璃缺陷分析范围之外。对于玻璃几何尺寸较大的缺陷而言,可以采取分别取样富集的方法,通过常规化学分析检测或者XRF进行鉴定。在取样过程中尽量避免基础玻璃成分混在其中,以便能够将缺陷部位的化学成分与基础玻璃的化学成分进行对比,明确两者之间的差别。

3 玻璃缺陷的化学成分检测实例

3.1 硅质条纹缺陷的检测实例

相关学者利用电子探针纤维分析技术对浮法玻璃中的条纹进行分析后发现,在沿着条纹长度的方向上,分别可以选择10个点,在与条纹平行、检核1.5 mm处的基础玻璃条形区域,也可以选择10个点,对其分别开展EPMA化学成分测定工作,最终取10个点的测定结果平均值。具体结果如下表所示。

表1 基础玻璃与缺陷中主要化学成分的BPMA分析数据汇总表(质量分数:%)

由上表不能看出,该玻璃缺陷为富硅质玻璃条纹。利用光学显微镜图像以及酸腐蚀后对该玻璃条纹进行观察后发现,存在有凹凸条纹痕迹。这一现象进一步佐证了玻璃缺陷的主要化学成分为富硅质玻璃条纹[5]。

3.2 铝质节瘤缺陷的检测实例

通过对由耐火材料引起的玻璃节瘤现象进行分析后得出,节瘤当中的氧化铝成分相较于基础玻璃的氧化铝成分明显增多。最高情况下,高出基础玻璃氧化铝成分的16%~17%,而氧化钠与氧化硅的成分,明显低于基础玻璃,大概低5%~7%。虽然耐火材料会导致玻璃节瘤,但是节瘤中氧化锆含量不仅没有增高,反而存在下降现象,出现这一因素的主要原因在于高含量铝介质中溶解度大幅度降低的因素。相关学者在对玻璃中富含铝的缺陷进行化学成分测定工作时,因为耐火泥以及外来陶瓷碎片导致的玻璃结石,氧化铝含量明显降低,但是氧化铁、氧化钙以及氧化钠成分都有不同程度的上升。玻璃结石芯部的硅含量,基本上与基础玻璃中的硅含量相当,但是两者夹层中的硅含量较低。此外,通过检测结果还可得玻璃结石核心部分向基础玻璃体方向上的氧化铝含量也在逐渐降低,氧化硅含量在逐渐增加,而玻璃内的氧化钠含量基本保持持平状态[6]。

通过上述检测活动,证明了玻璃结石的化学组成空间分布的特点,是从中心向周边延伸,直到基础玻璃体方向上。结石在此方向上,主成分也会逐渐由高变低,其余成分作为补充成分存在,而玻璃体的化学成分含量变化则正好相反。

通过对玻璃缺陷化学成分进行检测,鉴定缺陷的性质以及来源,目前在玻璃企业当中还未实现实际应用。出现这一现象的主要原因在于化学和成分检测仪器设备较为昂贵,加上企业缺乏相关专业人才,导致该技术难以实现普及应用。但是随着社会经济水平的不断提高,科学技术会促使该检测技术不断普及,为玻璃工业领域的发展奠定坚实的基础。

4 结语

根据当前我国玻璃缺陷化学成分检测与鉴定工作的开展情况来看,传统的检测方法已经不能满足玻璃缺陷化学成分的检测需求,电子探针微区分析技术的应用,能够改善传统检测工作中存在的问题,通过监测玻璃缺陷成分,探究玻璃缺陷造成的因素,以便能够采取针对性的措施进行解决,提高玻璃生产活动的质量与效率,为玻璃企业实现持续发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1]代干,张振华,孟强,等.熔盐成分对高铝玻璃化学钢化性能的影响[J].玻璃,2018,45(8):32-37.

[2]周正,王吉,孙蓉,等. X射线荧光光谱法测定水玻璃中主次成分含量[J].中国无机分析化学,2018,8(3).

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