باعتباره مادة غير عضوية غير متبلورة، يتم تحديد خصائص الزجاج من خلال تركيبه الكيميائي والبنية المجهرية. في أنظمة الزجاج السائدة مثل زجاج سيليكات الكالسيوم الصوديوم، وزجاج البورسليكات، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى المكون الرئيسي SiO ₂، يؤثر اختيار ونسبة إضافات الأكسيد بشكل مباشر على تشكيل الذوبان، والخواص الميكانيكية، والاستقرار الكيميائي، والخصائص الوظيفية للزجاج.أكسيد المغنيسيوم (MgO)، كأكسيد فلز أرضي قلوي نموذجي، يلعب دورًا رئيسيًا في تنظيم الهيكل وتحسين الأداء وتحسين العملية في تكوين الزجاج نظرًا لنصف قطر الأيوني الصغير (0.072 نانومتر) وقوة المجال العالية (Z / r ² = 6.25). تحلل هذه المقالة بإيجاز الآلية والقيمة العملية لأكسيد المغنيسيوم في الزجاج من ستة أبعاد: عملية الذوبان، والخواص الميكانيكية، والاستقرار الكيميائي، والخواص الحرارية، والجودة البصرية، وسيناريوهات التطبيق.
1、 ضبط عملية الصهر والتشكيل: تقليل استهلاك الطاقة وتقليل العيوب
عملية صهر الزجاج هي عملية تحويل المواد الخام الصلبة إلى مادة مصهورة موحدة وإزالة الفقاعات والخطوط. يعمل أكسيد المغنيسيوم على تحسين جودة الذوبان والتشكيل بشكل كبير من خلال تنظيم اللزوجة والتوتر السطحي للمصهور.
في زجاج سيليكات كالسيوم الصوديوم، المكونات التقليدية هي بشكل أساسي SiO ₂ (70% -75%)، Na ₂ O (12% -16%)، وCaO (6% -10%)، MgO(3.5%-4%)). CaO وMgO كلاهما معادن ترابية قلوية. عند درجات الحرارة العالية (> 1400 ℃)، يتفاعل Mg ² ⁺ مع Ca ² ⁺ ويتحد مع الأكسجين غير الموصل لإضعاف درجة بلمرة شبكة الأكسجين السيليكونية، وتقليل لزوجة الذوبان، وتسريع ذوبان المواد الخام وهروب الفقاعات؛ في مرحلة التشكيل ذات درجة الحرارة المنخفضة (<1000 درجة مئوية)، تعمل خصائص قوة المجال العالية لـ Mg ² ⁺ على تعزيز القوى بين الجزيئات، وزيادة لزوجة الذوبان (كما هو الحال في حمام القصدير لتشكيل الزجاج المصقول، تزيد اللزوجة بحوالي 8٪)، وتجنب تشوه الشريط الزجاجي بسبب الجاذبية، وتقليل عيوب السُمك غير المتساوية. إن تأثير التحكم المزدوج المتمثل في "تقليل اللزوجة بدرجة الحرارة العالية وزيادة اللزوجة في درجة الحرارة المنخفضة" يقلل من استهلاك الطاقة لفرن الصهر، ويقصر وقت الصهر بنسبة 10% -15%، ويقلل معدل الفقاعة بأكثر من 30%، مما يحسن كفاءة الإنتاج بشكل كبير.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأكسيد المغنيسيوم أن يمنع ميل التبلور للصهر. عندما يبرد الزجاج المنصهر، يشكل Ca ² ⁺ بسهولة أطوارًا بلورية مثل فلسبار الكالسيوم (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) مع SiO ₂، مما يؤدي إلى فقدان الزجاج (مثل الخطوط والعيوب الحجرية). نصف القطر الأيوني لـ Mg² ⁺ أصغر من نصف القطر Ca ² ⁺ (0.099 نانومتر)، وله توافق أقوى مع شبكة الأكسجين السيليكونية، والتي يمكن أن تعيق نمو النوى البلورية من خلال "تأثير الملء". في إنتاج الزجاج المسطح، عندما تكون كمية MgO المضافة هي 2% -4%، فإن درجة حرارة الحد الأعلى للتبلور في المصهور تنخفض بمقدار 15-25 درجة مئوية، مما يؤدي بشكل فعال إلى توسيع نطاق درجة حرارة القولبة وتقليل عيوب التبلور الناتجة عن التبريد السفلي المحلي.
2 、 تعزيز الخواص الميكانيكية: تعزيز القوة والمتانة
ترجع هشاشة الزجاج بشكل أساسي إلى الاضطراب طويل المدى في الترتيب الذري في البنية المجهرية، بينما يعمل أكسيد المغنيسيوم على تحسين خصائصه الميكانيكية بشكل كبير من خلال تحسين كثافة الشبكة وقوة الترابط الأيوني.
تعزيز الصلابة ومعامل المرونة: تشكل قوة المجال العالية لـ Mg ² ⁺ روابط أيونية قوية مع أيونات الأكسجين، مما يقلل من عدد أنواع الأكسجين غير الموصلة (والتي تعتبر نقاط ضعف في بنية الشبكة). في زجاج سيليكات الكالسيوم الصوديوم، عندما يحل MgO محل 10% -20% CaO، تزداد صلابة فيكرز للزجاج من 5.5 GPa إلى 6.2 GPa، ويزداد معامل المرونة من 68 GPa إلى 75 GPa. وذلك لأن طاقة الارتباط بين Mg² ⁺ ورباعي أسطح أكسجين السيليكون (حوالي 640 كيلوجول/مول) أعلى من طاقة Ca² ⁺ (حوالي 560 كيلوجول/مول)، مما يجعل بنية الشبكة أكثر كثافة. على سبيل المثال، تؤدي إضافة 3% -5% MgO إلى الزجاج الكهروضوئي إلى زيادة مقاومة السطح للخدش بنسبة 20%، مما يقلل من تلف السطح أثناء النقل والتركيب.
تحسين قوة الانثناء والمتانة: تعتمد قوة الانثناء للزجاج على مقاومة انتشار "الشقوق الدقيقة" في الهيكل، ويلعب أكسيد المغنيسيوم دورًا من خلال تحسين حجم عيوب الشبكة. أظهرت الأبحاث أنه في زجاج سيليكات الكالسيوم الصوديوم المحتوي على MgO، يتم تقليل متوسط طول الشقوق الصغيرة من 8 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر، ويتم تقليل معدل انتشار الشقوق بنسبة 30٪. بعد استبدال 25% CaO مع MgO في زجاج الزجاجة، زادت قوة الانحناء من 45 ميجا باسكال إلى 58 ميجا باسكال، وزادت مقاومة تأثير جسم الزجاجة بنسبة 25%، مما يقلل بشكل كبير من مشكلة الانفجار أثناء عملية التعبئة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأكسيد المغنيسيوم أن يقلل من مؤشر هشاشة الزجاج (طاقة الكسر/معامل المرونة). في زجاج البورسليكات المقاوم للحرارة، يمكن أن تؤدي إضافة 4% -6% MgO إلى تقليل مؤشر الهشاشة بنسبة 12% وتحسين صلابته ضد الصدمات الحرارية.
يعتمد الثبات الكيميائي للزجاج (مقاومة الماء، مقاومة الأحماض، مقاومة القلويات) على مقاومة هيكل الشبكة للتآكل الأيوني الخارجي. يعمل أكسيد المغنيسيوم على تحسين قدرته على التكيف البيئي بشكل كبير من خلال تعزيز كثافة الشبكة وقوة الربط الأيوني.
تحسين مقاومة الماء: في زجاج سيليكات الكالسيوم الصوديوم، فإن معدل الهجرة المرتفع لـ Na ⁺ يجعله قابلاً للذوبان في الماء بسهولة (مشكلاً "طبقة قلوية")، بينما يمكن أن يقلل Mg ² ⁺ من معدل ذوبان Na ⁺ من خلال "التبادل الأيوني". في اختبار مقاومة الماء ISO 719، كان معدل فقدان الوزن لزجاج كالسيوم الصوديوم بدون MgO هو 0.15 مجم/سم². وبعد إضافة 3% MgO، انخفض معدل فقدان الوزن إلى 0.08 ملجم/سم². ويرجع ذلك إلى قوة الارتباط الأقوى بين Mg ² ⁺ وشبكة الأكسجين السيليكونية، مما يعيق اختراق جزيئات H ₂ O إلى داخل الزجاج. تعمل هذه الميزة على إطالة عمر خدمة الزجاج المحتوي على MgO بنسبة تزيد عن 30% في البيئات الرطبة مثل بناء الجدران الساترة وأحواض السمك.
تعزيز مقاومة القلويات: في البيئات القلوية، يهاجم OH ⁻ رابطة Si-O-Si، مما يؤدي إلى تفكك الشبكة، في حين أن إدخال Mg ² ⁺ يمكن أن يشكل "طبقة عازلة قلوية". بعد إضافة 5% -7% MgO إلى الألياف الزجاجية المستخدمة في المواد المركبة القائمة على الأسمنت، ارتفع معدل الاحتفاظ بالقوة للألياف الزجاجية المنقوعة في محلول قلوي بدرجة حموضة = 13 لمدة 28 يومًا من 65% إلى 82%. وذلك لأن Mg ² ⁺ وOH ⁻ يشكلان رواسب Mg (OH) ₂، مما يسد المسام الموجودة على السطح الزجاجي ويبطئ تغلغل المحلول القلوي.
تنظيم مقاومة الأحماض: بالنسبة للنظارات التي تحتوي على البورون (مثل النظارات البصرية)، يمكن لأكسيد المغنيسيوم أن يمنع التحلل المائي لشبكات الأكسجين البورون. في زجاج البورسليكات، يتحد B ³ ⁺ بسهولة مع H ⁺ لتكوين [BO ∝] ³ ⁻، مما يؤدي إلى تفكك الشبكة، بينما يمكن لقوة المجال العالية لـ Mg ² ⁺ تثبيت هيكل رباعي السطوح [BO ₄] ⁻. بعد إضافة 2% -3% MgO، انخفض معدل فقدان الوزن للزجاج في محلول HCl 10% بنسبة 40%، مما يجعله مناسبًا لنوافذ الأجهزة الدقيقة في البيئات الحمضية.
4 、 تحسين الخصائص الحرارية: تقليل معامل التمدد وتحسين مقاومة الحرارة
يعد معامل التمدد الحراري (CTE) معلمة أساسية في تركيب الزجاج والمعادن والسيراميك والمواد الأخرى. يحقق أكسيد المغنيسيوم تحكمًا دقيقًا في CTE عن طريق ضبط خصائص اهتزاز الشبكة.
المادة المضافة الأساسية للزجاج منخفض التمدد: في زجاج البورسليكات منخفض التمدد (مثل زجاج بيركس)، يعمل MgO بشكل تآزري مع B ₂ O3 وAl ₂ O3 لتقليل سعة الاهتزاز الحراري من خلال "ملء الشبكة". نصف قطر الأيون Mg² ⁺ صغير ويمكن دمجه في فجوات شبكات أكسجين السيليكون/أوكسجين البورون، مما يحد من استرخاء الشبكة عند درجات الحرارة المرتفعة. عندما تكون كمية MgO المضافة 4% -6%، فإن CTE للزجاج ينخفض من 3.2 × 10 ⁻⁶/°C إلى 2.8 × 10 ⁻⁶/°C، مما يلبي متطلبات المطابقة للختم بالمعادن مثل التنغستن والموليبدينوم (CTE المعدني حوالي 4 × 10 ⁻⁶/°C). على سبيل المثال، في الزجاج منخفض التمدد المستخدم للتغليف الإلكتروني، يؤدي إدخال MgO إلى تقليل الضغط الحراري عند واجهة الختم بنسبة 25%، مما يؤدي إلى تجنب التشقق الناتج عن دورة درجة الحرارة.
تحسين مقاومة الصدمات الحرارية: تعتمد مقاومة الصدمات الحرارية للزجاج على التأثير المشترك لمادة CTE والتوصيل الحراري، ويمكن لأكسيد المغنيسيوم تحسين كليهما في وقت واحد. في زجاج سيليكات الكالسيوم الصوديوم، تؤدي إضافة 3% MgO إلى تقليل CTE من 9.0 × 10 ⁻⁶/°C إلى 8.2 × 10 ⁻⁶/°C، وزيادة التوصيل الحراري من 1.05 واط/إلى 1.18 واط/، وزيادة فرق درجة حرارة التأثير المقاوم للحرارة (ΔT) من 120 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية. هذه الخاصية تجعل الزجاج المحتوي على MgO مناسبًا لأدوات المطبخ (مثل أواني الخبز)، والمصابيح الأمامية للسيارات (تتحمل تقلبات درجات الحرارة من -40 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية)، وسيناريوهات أخرى.
5. ضمان الجودة البصرية: الحفاظ على الشفافية، وتنظيم معامل الانكسار
يتمتع الزجاج البصري بمتطلبات صارمة فيما يتعلق بالشفافية ومعامل الانكسار (nD) ومعامل التشتت (∆ D)، وأصبح أكسيد المغنيسيوم مادة مضافة مثالية للزجاج البصري الوظيفي نظرًا لخصائص التلوين الضعيفة وعديمة اللون.
صيانة عالية الشفافية: MgO نفسه هو أكسيد عديم اللون ولا يقدم أيونات فلزات انتقالية (مثل Fe ³ ⁺، Cr ³ ⁺)، والتي يمكن أن تتجنب تلوين الزجاج. في الزجاج الكهروضوئي الأبيض الفائق، عندما يتم التحكم في إضافة MgO بنسبة 2% -3%، يمكن أن تصل نفاذية الضوء المرئي (400-700 نانومتر) إلى أكثر من 94.5%، وهو أقل بنسبة 0.3% فقط من زجاج السيليكون النقي ويتفوق بكثير على الزجاج الذي يحتوي على Fe ₂ O ∝ (النفاذية <91%). بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأكسيد المغنيسيوم تقليل الفقاعات وعيوب التبلور في الزجاج، وتقليل خسائر تشتت الضوء بشكل أكبر، وتحسين انتظام نقل الضوء للنوافذ الزجاجية لأجهزة تحديد المدى بالليزر بنسبة 15%.
معامل الانكسار والتحكم في التشتت: يقع مؤشر الانكسار المولي (R=3.2) لـ MgO بين CaO (R=4.0) وZnO (R=3.0)، ويمكن ضبط الثوابت البصرية للزجاج بدقة عن طريق ضبط الكمية المضافة. بعد استبدال 10% CaO مع MgO في الزجاج البصري من العلامة التجارية Crown، انخفض معامل الانكسار nD من 1.523 إلى 1.518، وزاد معامل التشتت ∆ D من 58 إلى 62، مما يلبي متطلبات تصميم العدسات منخفضة التشتت. بالنسبة لزجاج نقل الأشعة تحت الحمراء (مثل نظام GeO ₂ - MgO)، يمكن لـ MgO تقليل معامل امتصاص الأشعة تحت الحمراء للزجاج وزيادة النفاذية بنسبة 8٪ في النطاق 3-5 ميكرومتر، وهو مناسب لنوافذ التصوير الحراري.
في المستقبل، مع ترقية التصنيع الأخضر والطلب على الزجاج الوظيفي، سوف يتطور تطبيق أكسيد المغنيسيوم نحو التحسين: من ناحية، سيتم تحسين الخواص الميكانيكية والبصرية للزجاج بشكل أكبر عن طريق المنشطات بالنانو MgO (حجم الجسيمات <50 نانومتر)؛ من ناحية أخرى، من خلال الجمع بين تصميم المكونات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي، يمكن تطوير نظام زجاجي جديد قائم على MgO (مثل MgO Li ₂ O-ZrO ₂ زجاج ذو نقطة انصهار منخفضة) للتكيف مع الإلكترونيات المرنة وتطبيقات تخزين ونقل طاقة الهيدروجين. تتحول قيمة أكسيد المغنيسيوم في تركيبة الزجاج من "منظم الأداء" إلى "عامل تمكين وظيفي"، مما يدفع تطور المواد الزجاجية نحو أداء أعلى وسيناريوهات أوسع.
SAT NANO هو أفضل مورد لمسحوق أكسيد المغنيسيوم MgO في الصين، يمكننا تقديم حجم جسيمات النانو، إذا كان لديك أي استفسار، فلا تتردد في الاتصال بنا على sales03@satnano.com
