不同ZnO 含量锌硼硅低熔点玻璃的结构与性能

2019-11-11许琳琳唐莉莉

云南化工 2019年9期

许琳琳，杨俊，牟迪，唐莉莉*

（怀化学院化学与材料工程学院，湖南怀化 418008）

近年来，随着玻璃涂料技术与玻璃表面深加工技术的迅速发展，低熔点玻璃越来越受到了人们的青睐。锌硼硅（ZnO-B2O3-SiO2）玻璃作为一种优良的硼硅酸盐玻璃，其对比普通玻璃熔化温度更低，烧结温度更合适，并且拥良好的电绝缘性以及热稳定性[1-3]。所以，ZnO-B2O3-SiO2低熔点玻璃常被用于玻璃表面的深加工，玻璃-金属封接，和器件封装等方面。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

所用试剂都为分析纯，主要有氧化锌、硼酸、二氧化硅、氧化铝、碳酸钾、碳酸钠、碳酸钙、碳酸钡、氧化镁。所用仪器见表1。

表1 化学仪器

1.2 配方设计

实验过程中只改变原料中ZnO 与SiO2的含量，其他试剂含量均不变。表2 是化学组成质量百分比配方表，表3 是根据表2 所得原料质量配比表。

1.3 玻璃的融制及性能测试

1）使用电子天平准确称取不同质量ZnO、H3BO3、SiO2、Al2O3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3、MgO，置于玛瑙研钵中充分研磨30min。2）将不锈钢坩埚洗净后烘干，放入研磨好的混合药品。3）将坩埚置于高温炉中加热。加热程序如下：室温→100℃（50 min），100℃→1100℃（220 min）；1100℃（保温2 h）；450℃（退火2 h）；随炉冷却至室温。（4）取样，编号，球磨，待测。（5）对不同样品，分别进行线性膨胀系数、玻璃粉粒度分析、形貌成分分析、红外光谱分析、酸碱耐腐蚀性以及熔点测定等性能测试。

表2 不同ZnO 含量的ZnO-B2O3-SiO2 低熔点玻璃化学组成 w/%）

表3 不同ZnO 含量的ZnO-B2O3-SiO2 低熔点玻璃原料质量配比表 m/g

2 结果与讨论

2.1 ZnO 含量与线膨胀系数的关系

取不同ZnO 含量的样品，测试温度范围30℃-150℃，实验三次，取平均值。通过膨胀系数计算公式计算出每一组玻璃的平均线膨胀系数。公式如下：

将各组数据代入公式（1）计算得到线膨胀系数并计算其每一组的线膨胀系数的平均值，共得到五组数据。以平均线膨胀系数对ZnO 含量作图，得到图。如图1 所示，随着ZnO 含量的增加，平均线膨胀系数逐渐增大。

图1 ZnO 含量与线膨系数的关系曲线

2.2 玻璃粉粒度分析

取ZnO（32）锌硼硅玻璃粉1g，做粒度检测，重复三次，取平均值，得到其粒度分布如图2 所示。可知该玻璃粉的粒径集中分布在5～12μm。

图2 32%ZnO 含量ZnO-B2O3-SiO2 玻璃粉粒径分布

2.3 红外光谱分析

[BO4] 在1040cm-1左右出现， [BO3] 在700cm-1与1400cm-1左右出现；随着ZnO 含量增多，在710cm-1处[BO3] 中的弯曲伸缩振动峰和1400cm-1处[BO3] 中的B-O 反对称伸缩振动峰均有向高波段移动的趋势并且吸收增强；1400cm-1处[BO4] 中B-O 反对称伸缩振动峰逐渐向低波段移动ZnO 含量从20%增加至28%， [BO3] 中的B-O 反对称伸缩振动峰由1385cm-1移动至1412cm-1。

2.4 ZnO 含量对玻璃粉耐腐蚀性的影响

图3 是不同ZnO 含量玻璃粉样品在酸（曲线A）与碱（曲线B）溶液中的质量损失曲线图。由曲线A 可知，在酸溶液中玻璃粉质量损失先降后升。曲线B 可知在碱溶液中玻璃粉质量损失逐渐降低，由128.3mg 减少到60.6mg。

因此当ZnO 含量为32%时，玻璃样品的耐酸耐碱是最好的。因为32%ZnO 含量的玻璃中参与玻璃形成的[ZnO4] 基团数目多，而[ZnO4] 能加强玻璃网络的稳定性，从而加强了其耐腐蚀性。

2.5 玻璃粉的熔点

图3 不同ZnO 含量玻璃粉样品在酸与碱溶液中的质量损失

585℃时打开炉门发现玻璃已有熔化迹象并有些许光泽，可见玻璃熔点在585℃左右，600℃时玻璃粉已熔融成团，表面富有光泽。因此，ZnOB2O3-SiO2低熔点玻璃熔点大概在580～600℃左右。

2.6 玻璃粉的形貌与成分分析

图4 为32% ZnO 含量ZnO-B2O3-SiO2玻璃粉的SEM（a）和EDS（b）。图4 (a) 可知，玻璃粉颗粒的形状不规则，聚合度高，颗粒均为实心，未发现空心颗粒。图4 (b) 可知，玻璃粉的主要成分与原料相符。与表3 中32% ZnO 含量玻璃配方表内各化学组成元素的原子质量百分含量符合。