浮法玻璃表面渗锡研究及电气石纳米薄膜制备与性能表征

论文摘要

本篇论文工作分为两个方面。第一,针对浮法玻璃材料特定的渗锡缺陷,采用多种现代分析手段进行了渗锡形成机理的研究,对减轻渗锡的处理方法中的科学问题等进行了讨论,确认了新的定量渗锡测量的分析手段及表征方法,建立了判断出现浮法玻璃表面钢化虹彩的渗锡量阈值;第二,针对目前电磁屏蔽玻璃透光性与高频段屏蔽效能无法兼顾的问题,结合纳米电气石材料具有的自发极化特征,设计了宽频带电磁屏蔽玻璃的功能材料结构,并对靶材及成膜机制开展了系列实验研究,确认了电气石被沉积在镀有导电膜的玻璃表面,对薄膜性能进行了初步测试。研究结果表明,可以用XRF（X-Ray Fluorescence spectroscopy）强度测量值表征浮法玻璃表面渗锡含量。用XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy）方法明确了浮法玻璃下表面中的锡元素以Sn0、Sn2+、Sn4+状态存在,确定了各价态的锡元素在渗入玻璃中的比例。渗锡量中Sn2+的含量决定着是否产生钢化虹彩以及其程度,XRF锡计数可以用来近似表征Sn2+的含量,也确定产生虹彩现象存在渗锡量的临界值。通过光致发光（Photoluminescence, PL）分析方法,找出了浮法玻璃表面渗锡的荧光激发发射特征谱,并建立了与XRF的定量关系。在第一性原理的基础上,分别按CaSi4O8体系、MgSi4O8体系计算了Mg、Fe和Sn离子替换Ca离子前后体系结构能量的变化。以化学配位理论为出发点,讨论了在玻璃成形的高温环境中,可能的离子替换是所产生的系统结构能量与初始结构能量差较小的容易发生,而那些替换完成后系统结构能量变得较高的状态相对较难发生,在结构能量接近的情况下存在多种替换反应同时发生的可能性。对计算结果的分析表明,当玻璃体中含铁量较高,或者金属锡液中加入微量铁的情况下,可以阻止锡元素向玻璃内部的扩散。经对SO2处理前后浮法玻璃下表面样品的XRF和EDX（Energy Dispersive X-ray spectroscopy）分析表明,未能找到浮法玻璃下表面内锡离子在SO2气氛的作用下的产物和锡离子进一步扩散的特征。采用多种分析方法对过渡辊材料的样品表面进行的分析,表明热辊表面硫含量按着非线性指数规律增加,热辊样品表面形成了具有层状结构的疏松的FeS层,可以起到润滑作用。但SO2熏蒸热辊时间和加大浓度,对热辊表面润滑作用不会进一步增加,对浮法玻璃生产环境有一定污染。SO2气体与浮法玻璃表面富集的碱金属氧化物反应形成硫酸盐,起到了抗发霉作用。系统研究了镀有ITO导电膜的透明玻璃的电磁屏蔽特征,ITO玻璃薄膜对电磁波的反射率在低频段（<1 GHe）保持在97%以上,但在高频波段,ITO镀膜玻璃的屏蔽效能明显下降,典型值为在600 MHz,下降到43 dB,在4 GHz,下降到35.5 dB。在明确电气石热学性能的情况下,利用离子束溅射沉积方法,选择合适的条件,在在线Low-E玻璃表面实现电气石的纳米化镀层,并表现出特有的自发极化特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 浮法玻璃工艺的发展现状
• 1.2 浮法玻璃成形工艺的特点与特征缺陷的产生
• 1.2.1 浮法玻璃工艺的成形方法
• 1.2.2 浮法玻璃成形工艺的特点
• 1.2.3 浮法玻璃工艺带来的外观特征缺陷
• 1.3 浮法玻璃表面渗锡的研究
• 1.3.1 浮法玻璃表面渗锡的产生及影响
• 1.3.2 浮法玻璃表面渗锡研究概况
• 1.4 钢化虹彩的研究
• 1.4.1 钢化虹彩的产生机理
• 1.4.2 钢化虹彩与渗锡的关系
• 1.4.3 钢化虹彩的影响及解决途径
• 1.5 锡离子在浮法玻璃中的扩散行为及其赋存状态研究
• 1.6 玻璃表面电磁屏蔽功能性的要求
• 1.6.1 电磁屏蔽问题的提出及电磁屏蔽原理
• 1.6.2 电磁屏蔽的种类
• 1.6.3 电磁屏蔽材料的国内外现状
• 1.6.4 电磁屏蔽玻璃
• 1.6.5 电气石材料概述
• 1.7 本论文研究目的、内容及工作设想
• 第2章 锡元素在浮法玻璃中的状态及表征
• 2.1 浮法玻璃非均匀渗锡层的X 射线荧光光谱测试研究
• 2.1.1 试验方法的选取
• 2.1.2 浮法玻璃下表面渗锡的试验结果分析与讨论
• 2.2 锡元素在浮法玻璃网络中的存在状态研究
• 2.2.1 试验
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.3 浮法玻璃渗锡量的荧光光谱分析方法研究
• 2.3.1 试验过程及结果讨论
• 2.3.2 Sn 元素分析中PL、XPS 与XRF 的关系
• 2.4 本章小结
• 第3章 锡离子在玻璃网络中行为的计算机数值模拟
• 3.1 浮法玻璃渗锡机制的理论分析与数值模拟模型建立
• 3.1.1 锡元素扩散行为的分子动力学模拟
• 3.1.2 分子动力学模拟的理论基础
• 3.1.3 力场
• 3.2 浮法玻璃中Sn 元素扩散行为的分子动力学模拟
• 3.2.1 分子作用位能
• 3.2.2 分子动力学模拟实验的条件选择
• 3.2.3 计算结果与讨论
• 3.3 用第一性原理研究锡离子与玻璃中其他离子间的交换作用
• 3.4 本章小结
• 2对玻璃渗锡及过渡辊材表面作用机理研究'>第4章 SO₂对玻璃渗锡及过渡辊材表面作用机理研究
• 2 对玻璃渗锡的作用'>4.1 SO₂对玻璃渗锡的作用
• 2 处理前后的浮法玻璃下表面的对比分析'>4.1.1 SO₂处理前后的浮法玻璃下表面的对比分析
• 2 对玻璃成形环境的影响及锡槽窗口沉积物的分析'>4.1.2 SO₂对玻璃成形环境的影响及锡槽窗口沉积物的分析
• 2 对过渡辊材表面的作用机理'>4.2 SO₂对过渡辊材表面的作用机理
• 4.2.1 微区X 射线能谱分析
• 4.2.2 热辊表面显微硬度、摩擦系数及表面形貌分析
• 4.2.3 原子力显微镜分析
• 4.2.4 X 射线光电子能谱分析
• 4.3 浮法玻璃的抗发霉实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 电气石纳米化薄膜的制备与性能表征
• 5.1 ITO 薄膜透明导电玻璃的电磁屏蔽效能特征
• 5.2 电气石纳米化的薄膜的制备研究与性能表征
• 5.2.1 具有自发极化效应的电气石纳米薄膜制备
• 5.2.2 原矿电气石与纳米化电气石薄膜的磁效应初步探讨
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介