專利名稱：CaO－Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中子衍射測定微晶玻璃殘余應(yīng)力方法，特別涉及CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃試樣表面殘余應(yīng)力中子衍射測定方法。
背景技術(shù)：
近年來，國內(nèi)外對建筑裝飾微晶玻璃，即以β-硅灰石為主要晶相(參見圖1)的微晶玻璃(CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng))研究報(bào)導(dǎo)很多，其中對硅灰石晶體的析出過程研究較深入，不論從晶化機(jī)理探討，還是從成分、工藝影響因素的研究，以至到晶化程度對微晶玻璃力學(xué)性能的研究都已深入到一定深度。隨著CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在其工業(yè)生產(chǎn)中，存在難以解決的“變形”或“炸裂”等現(xiàn)象。這些問題的出現(xiàn)會大大降低產(chǎn)品的成品率，從而影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。另外，也會給用戶的使用帶來不安全的因素。究其產(chǎn)生原因，是由于微晶玻璃當(dāng)中存在著較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。有關(guān)微晶玻璃中的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力等科學(xué)問題是非常值得研究的。
目前在材料的內(nèi)應(yīng)力的研究方面，金屬材料已經(jīng)有了較深的研究，理論也比較完善。而無機(jī)非金屬材料中的有關(guān)應(yīng)力問題，有研究，但研究深度不夠，如何準(zhǔn)確、有效地檢測出微晶玻璃中的應(yīng)力是非常關(guān)鍵的。國內(nèi)外在測試應(yīng)力方面主要采用偏光儀、X射線應(yīng)力測試儀、中子衍射應(yīng)力儀、超聲波應(yīng)力測定儀等現(xiàn)在測試手段。
專利03155738.4介紹了X射線應(yīng)力測試方法。而有關(guān)中子衍射法對無機(jī)非金屬，特別是微晶玻璃這種非透明、多晶材料殘余應(yīng)力的測試還沒有介紹。
普通X射線衍射法測試應(yīng)力原理簡單，射線來源方便經(jīng)濟(jì)，因此被廣泛應(yīng)用。但其射線的能量較低，穿透能力很弱，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力層厚度一般在10微米左右。由于中子能透射試樣較大深度的特性，可以測得試樣內(nèi)部應(yīng)力，而且適于大塊試樣進(jìn)行測定，具有很大的優(yōu)越性。因此，為了提高射線對試樣的穿透深度，本發(fā)明提出中子衍射法測試應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種不損傷被測樣品殘余應(yīng)力測量方法，即提供一種利用中子衍射法對CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測試。
中子射線衍射法是一種無損性的測試方法，因此，對于測試脆性和不透明材料的殘余應(yīng)力是非常合適的方法。中子衍射法同X射線衍射法相似，也是測定材料晶格常數(shù)的變化來計(jì)算物體的應(yīng)力狀態(tài)，但中子的穿透性強(qiáng)，故可以測試大塊塊狀樣品的體應(yīng)力分布。當(dāng)波長為λ的中子流按某一角度輻照向材料表面時，若輻照區(qū)中米勒指數(shù)為hkl的晶面族間距Dhkl剛好為λ的整數(shù)倍，則反射的中子流便會發(fā)生相長干涉。這時在與入射中子流成角度ψhkl的探測器處會收到一個峰值信號。根據(jù)這些產(chǎn)生相長干涉的角度及波峰寬度，應(yīng)用布拉格(Bragg)定律2Dhklsinθ＝nλ，可以求出輻照區(qū)中某些晶面族的平均間距Dhkl。由于殘余應(yīng)力改變了材料的晶格常數(shù)，因而同一晶面族(hkl)的間距在無應(yīng)力狀態(tài)時，用中子衍射測出的間距會變成D0hkl，所以輻照區(qū)中晶格的微應(yīng)變可表示為ehkl＝(Dhkl-D0hkl)/D0hkl。當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)已知，如CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃以β-硅灰石為主晶相，可以分析晶體的強(qiáng)度和位置，進(jìn)而可以確定晶相的晶格常數(shù)。而平均微彈性應(yīng)變?yōu)閑a＝(a-a0)/a0，a0和a對應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)晶格常數(shù)和應(yīng)力作用下的微晶玻璃晶格常數(shù)。對于CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃最終的應(yīng)力值可以由公式σ=E3(1-2υ)Δ]]>來計(jì)算。式中，E為楊氏模量，υ為泊松比，Δ為體積應(yīng)變即三軸向應(yīng)變總和Δ＝ea+eb+ec，進(jìn)而得到微晶玻璃的應(yīng)力狀況。實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃殘余應(yīng)力的測試方法，其特征在于所述的測試方法為中子衍射法，測試按如下步驟進(jìn)行步驟1.CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的制備，按微晶玻璃成分重量百分比為SiO260～70％、Al2O37～10％、CaO 18～20％、ZnO 5～7％、BaO 4～5％、Na2O+K2O 4～5％、B2O31～3％和Sb2O30.5～1％配制玻璃原料，攪拌混合均勻，經(jīng)過熔制和晶化制得CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃；步驟2、借助于中子衍射儀，配套應(yīng)力測試程序，調(diào)整中子單色器，選取相應(yīng)的單色中子；步驟3、將步驟1制得CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃試樣置于中子衍射儀的放測試試樣處，對于大塊樣品則利用測角頭選擇測量區(qū)域及測量點(diǎn)，并用中子束入射所選樣品區(qū)域；小塊樣品則將樣品直接置于中子束中10×70毫米2面積內(nèi)；步驟4、將中子束照射試樣表面，探測器掃描衍射角2θ范圍10～75°；步驟5、對CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃中不同含量主晶相β-硅灰石的晶面上的進(jìn)行應(yīng)變測量εij，至少從六個方向檢測；步驟6、用步驟5測量的εij各軸向的微應(yīng)變計(jì)算得到平均應(yīng)變結(jié)果為ϵ‾=13(ϵ11+ϵ22+ϵ33),]]>對應(yīng)的體積平均應(yīng)變?yōu)?amp;Delta;=1V∫Vϵ‾dV,]]>式中；V為β-硅灰石晶體體積，ε11、ε22、ε33分別為晶體三軸向的應(yīng)變；步驟7、代入應(yīng)力公式σ=E3(1-2υ)Δ]]>來計(jì)算，式中E為楊氏模量，υ為泊松比，Δ為體積應(yīng)變，即三軸向應(yīng)變總和Δ＝ea+eb+ec對于CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃，E＝70GPa，υ＝0.245，即可求得應(yīng)力值σ；步驟8、重復(fù)以上工作步驟，測試各種標(biāo)準(zhǔn)試樣不同位置的殘余應(yīng)力，繪制出被測量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線所述的CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的制備，是將玻璃原料充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝螅糜谔沾邵釄鍍?nèi)，放入硅鉬爐中以3℃/分鐘升到1450℃～1480℃保溫≥2小時后，水淬成0.5～6毫米的玻璃顆粒，烘干備用。將玻璃料放入做好的模具中置入高溫實(shí)驗(yàn)爐以3℃/分鐘的升溫速率從室溫升到1120℃，保溫≥2小時，使玻璃顆粒晶化攤平，經(jīng)退火冷卻至室溫，制得微晶玻璃試樣。
本發(fā)明提供的一種不損傷被測樣品殘余應(yīng)力測量方法，尤其適用于不透明的無機(jī)非金屬材料。
本發(fā)明采用中子衍射法對微晶玻璃進(jìn)行應(yīng)力測量。由于中子透射試樣較大深度的特性，可以測得試樣內(nèi)部應(yīng)力，而且適于大塊試樣進(jìn)行測定，較普通X射線衍射法測試應(yīng)力具有很大的優(yōu)越性。
本發(fā)明采用的中子衍射儀為中國原子能科學(xué)研究院重水研究堆旁的二軸中子粉未衍射儀。


圖1是微晶玻璃試樣的衍射圖譜，主晶相為β-CaSiO3。
圖2為中子衍射儀應(yīng)力測試示意圖。
圖中標(biāo)號名稱1-反應(yīng)堆，2-中子束，3-單色器，4-準(zhǔn)直器，5-觀測孔，6-試樣，7-試樣臺，8-準(zhǔn)直器，9-探測器。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1按前述的方法制備CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。
將干燥的玻璃料放入做好的模具中置入高溫實(shí)驗(yàn)爐以3℃/分鐘的升溫速率從室溫升到1120℃，保溫2小時，使玻璃顆粒晶化攤平，經(jīng)退火冷卻至室溫，制得20毫米×20毫米×8mm毫米微晶玻璃試樣。將試樣分為兩塊一塊試樣表面進(jìn)行磨拋，一塊試樣表面保持原本自動攤平的狀態(tài)。中子衍射測量在中國原子能科學(xué)研究院重水研究堆旁的二軸中子粉末衍射儀上進(jìn)行。入射中子波長為0.1159納米，散射角為25°～105°，步距0.1°，采用固定入射中子計(jì)數(shù)的方式記錄4個探測器的衍射譜，每步監(jiān)視器計(jì)數(shù)為10000，平均所用時間為2.75分鐘。利用Rietveld峰形精修方法對每個探測器記錄的中子衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和。
將樣品放入圖2中的試樣臺上，中子束照射試樣表面，探測器掃描衍射角2θ范圍10～75°；對β-硅灰石晶體的(234)晶面進(jìn)行精測峰位，衍射角2θ接近69.6°。
測試應(yīng)力狀態(tài)下的晶面常數(shù)，計(jì)算各軸向微應(yīng)變，得到平均應(yīng)變結(jié)果為ϵ‾=13(ϵ11+ϵ22+ϵ33).]]>對應(yīng)的體積平均應(yīng)變?yōu)?amp;Delta;=1V∫Vϵ‾dV,]]>代入應(yīng)力公式σ=E3(1-2υ)Δ,]]>取E＝70GPa，υ＝0.245，即可求得表面機(jī)械加工和表面未加工試樣的應(yīng)力值。
實(shí)施例2按前述的方法制備CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。
將干燥的玻璃料放入做好的模具中置入高溫實(shí)驗(yàn)爐以3℃/分鐘的升溫速率從室溫升到1120℃，保溫2小時，使玻璃顆粒晶化攤平，設(shè)置不同的退火速率。制備不同退火制度的試樣進(jìn)行應(yīng)力測試。測試應(yīng)力狀態(tài)下的晶面常數(shù)，計(jì)算各軸向微應(yīng)變，得到平均應(yīng)變結(jié)果為ϵ‾=13(ϵ11+ϵ22+ϵ33).]]>對應(yīng)的體積平均應(yīng)變?yōu)?amp;Delta;=1V∫Vϵ‾dV,]]>代入應(yīng)力公式σ=E3(1-2υ)Δ,]]>即可求得不同退火速率下制得的微晶玻璃應(yīng)力。
實(shí)施例3按前述的方法制備CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。改變微晶玻璃的CaO、Al2O3的含量制備不同氧化物的微晶玻璃試樣。測試應(yīng)力狀態(tài)下的晶面常數(shù)，計(jì)算各軸向微應(yīng)變，得到平均應(yīng)變結(jié)果為ϵ‾=13(ϵ11+ϵ22+ϵ33).]]>對應(yīng)的體積平均應(yīng)變?yōu)?amp;Delta;=1V∫Vϵ‾dV,]]>代入應(yīng)力公式σ=E3(1-2υ)Δ,]]>即可求得不同氧化物含量的微晶玻璃應(yīng)力值。
權(quán)利要求
1.一種CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃殘余應(yīng)力的測試方法，其特征在于所述的測試方法為中子衍射法，測試按如下步驟進(jìn)行，步驟1.CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的制備，按微晶玻璃成分重量百分比為SiO260～70％，Al2O37～10％，CaO 18～20％，ZnO 5～7％，BaO 4～5％，Na2O+K2O4～5％，B2O31～3％和Sb2O30.5～1％配制玻璃原料，攪拌混合均勻，經(jīng)過熔制和晶化制得CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃；步驟2、借助于中子衍射儀，配套應(yīng)力測試程序，調(diào)整中子單色器，選取相應(yīng)的單色中子；步驟3、將步驟1制得CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃試樣置于中子衍射儀的放測試試樣處，對于大塊樣品則利用測角頭選擇測量區(qū)域及測量點(diǎn)，并用中子束入射所選樣品區(qū)域；小塊樣品則將樣品直接置于中子束中10×70毫米2面積內(nèi)；步驟4、將中子束照射試樣表面，探測器掃描衍射角2θ范圍10～75°；步驟5、對CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃中不同含量主晶相β-硅灰石的晶面上的進(jìn)行應(yīng)變測量εij，至少從六個方向檢測；步驟6、用步驟5測量的εij各軸向的微應(yīng)變計(jì)算得到平均應(yīng)變結(jié)果為ϵ‾=13(ϵ11+ϵ22+ϵ33),]]>對應(yīng)的體積平均應(yīng)變?yōu)?amp;Delta;=1V∫Vϵ‾dV,]]>式中；V為β-硅灰石晶體體積，ε11、ε22、ε33分別為晶體三軸向的應(yīng)變；步驟7、代入應(yīng)力公式σ=E3(1-2υ)Δ]]>來計(jì)算，式中E為楊氏模量，ν為泊松比，Δ為體積應(yīng)變，即三軸向應(yīng)變總和Δ＝ea+eb+ec對于CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃，E＝70GPa，ν＝0.245，即可求得應(yīng)力值σ；步驟8、重復(fù)以上工作步驟，測試各種標(biāo)準(zhǔn)試樣不同位置的殘余應(yīng)力，繪制出被測量構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布曲線。
全文摘要
一種CaO－Al
文檔編號G06F19/00GK1828282SQ20061001867
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者程金樹, 謝俊, 何峰, 湯李纓, 李宏, 全健 申請人:武漢理工大學(xué)