En tant que matériau inorganique amorphe, les propriétés du verre sont déterminées à la fois par sa composition chimique et sa microstructure. Dans les systèmes de verre traditionnels tels que le verre de silicate de sodium et de calcium, le verre borosilicaté, etc., en plus du composant principal SiO ₂, la sélection et le rapport des additifs d'oxyde affectent directement la formation par fusion, les propriétés mécaniques, la stabilité chimique et les caractéristiques fonctionnelles du verre.Oxyde de magnésium (MgO), en tant qu'oxyde de métal alcalino-terreux typique, joue un rôle clé dans la régulation de la structure, l'optimisation des performances et l'amélioration du processus dans la composition du verre en raison de son petit rayon ionique (0,072 nm) et de son intensité de champ élevée (Z/r²=6,25). Cet article analyse brièvement le mécanisme et la valeur pratique de l'oxyde de magnésium dans le verre selon six dimensions : processus de fusion, propriétés mécaniques, stabilité chimique, propriétés thermiques, qualité optique et scénarios d'application.
1、 Ajustement du processus de fusion et de formage : réduction de la consommation d'énergie et minimisation des défauts
Le processus de fusion du verre est le processus de conversion de matières premières solides en une matière fondue uniforme et d'élimination des bulles et des rayures. L'oxyde de magnésium optimise considérablement la qualité de fusion et de formage en régulant la viscosité et la tension superficielle de la masse fondue.
Dans le verre de silicate de sodium et de calcium, les composants traditionnels sont principalement SiO ₂ (70 % à 75 %), Na ₂ O (12 % à 16 %) et CaO (6 % à 10 %), MgO (3,5 % à 4 %). CaO et MgO sont tous deux des métaux alcalino-terreux. À des températures élevées (> 1400 ℃), Mg ² ⁺ réagit avec Ca ² ⁺ et se combine avec l'oxygène sans pontage pour affaiblir le degré de polymérisation du réseau d'oxygène du silicium, réduire la viscosité de la masse fondue et accélérer la dissolution des matières premières et l'échappement des bulles ; Dans l'étape de formage à basse température (<1 000 ℃), les caractéristiques d'intensité de champ élevée du Mg ² ⁺ améliorent les forces intermoléculaires, augmentent la viscosité de la masse fondue (comme dans le bain d'étain du verre flotté, la viscosité augmente d'environ 8 %), évite la déformation du ruban de verre due à la gravité et réduit les défauts d'épaisseur inégale. Le double effet de contrôle de « réduction de la viscosité à haute température et augmentation de la viscosité à basse température » réduit la consommation d'énergie du four de fusion, raccourcit le temps de fusion de 10 % à 15 % et réduit le taux de bulles de plus de 30 %, améliorant considérablement l'efficacité de la production.
De plus, l'oxyde de magnésium peut inhiber la tendance à la cristallisation de la masse fondue. Lorsque le verre fondu refroidit, Ca ² ⁺ forme facilement des phases cristallines telles que le feldspath calcique (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) avec SiO ₂, entraînant une perte de verre (telle que des rayures et des défauts de pierre). Le rayon ionique de Mg ² ⁺ est plus petit que celui de Ca ² ⁺ (0,099 nm) et il présente une compatibilité plus forte avec le réseau d'oxygène du silicium, ce qui peut entraver la croissance des noyaux cristallins grâce à « l'effet de remplissage ». Dans la production de verre plat, lorsque la quantité de MgO ajoutée est de 2 à 4 %, la température limite supérieure de cristallisation dans la masse fondue diminue de 15 à 25 ℃, élargissant ainsi la plage de température de moulage et réduisant les défauts de cristallisation provoqués par un sous-refroidissement local.
2、 Renforcement des propriétés mécaniques : amélioration de la résistance et de la ténacité
La fragilité du verre est essentiellement due au désordre à longue distance de l'arrangement atomique dans la microstructure, tandis que l'oxyde de magnésium améliore considérablement ses propriétés mécaniques en optimisant la densité du réseau et la force de liaison ionique.
Amélioration de la dureté et du module élastique : l'intensité de champ élevée du Mg²⁺ forme de fortes liaisons ioniques avec les ions oxygène, réduisant ainsi le nombre d'espèces oxygène non pontantes (qui sont des points faibles dans la structure du réseau). Dans le verre de silicate de sodium et de calcium, lorsque MgO remplace 10 % à 20 % de CaO, la dureté Vickers du verre augmente de 5,5 GPa à 6,2 GPa et le module élastique augmente de 68 GPa à 75 GPa. En effet, l'énergie de liaison entre Mg ² ⁺ et les tétraèdres d'oxygène silicium (environ 640 kJ/mol) est supérieure à celle du Ca ² ⁺ (environ 560 kJ/mol), ce qui rend la structure du réseau plus dense. Par exemple, l'ajout de 3 à 5 % de MgO au verre photovoltaïque augmente la résistance aux rayures de surface de 20 %, réduisant ainsi les dommages de surface pendant le transport et l'installation.
Optimisation de la résistance à la flexion et de la ténacité : La résistance à la flexion du verre dépend de la résistance à la propagation des « microfissures » dans la structure, et l'oxyde de magnésium joue un rôle en affinant la taille des défauts du réseau. Des recherches ont montré que dans le verre de silicate de sodium et de calcium contenant du MgO, la longueur moyenne des microfissures est réduite de 8 μm à 5 μm et le taux de propagation des fissures est réduit de 30 %. Après avoir remplacé 25 % de CaO par du MgO dans le verre de la bouteille, la résistance à la flexion est passée de 45 MPa à 58 MPa et la résistance aux chocs du corps de la bouteille a augmenté de 25 %, réduisant considérablement le problème d'explosion pendant le processus de remplissage. De plus, l’oxyde de magnésium peut réduire l’indice de fragilité (énergie de rupture/module d’élasticité) du verre. Dans le verre borosilicaté résistant à la chaleur, l'ajout de 4 à 6 % de MgO peut réduire l'indice de fragilité de 12 % et améliorer sa résistance aux chocs thermiques.
La stabilité chimique du verre (résistance à l’eau, résistance aux acides, résistance aux alcalis) dépend de la résistance de la structure du réseau à l’érosion ionique externe. L'oxyde de magnésium améliore considérablement son adaptabilité environnementale en améliorant la densité du réseau et la force de liaison des ions.
Amélioration de la résistance à l'eau : Dans le verre de silicate de calcium et de sodium, le taux de migration élevé de Na⁺ le rend facilement soluble dans l'eau (formant une « couche alcaline »), tandis que Mg²⁺ peut réduire le taux de dissolution de Na⁺ par « échange d'ions ». Dans le test de résistance à l'eau ISO 719, le taux de perte de poids du verre sodium-calcium sans MgO était de 0,15 mg/cm². Après avoir ajouté 3 % de MgO, le taux de perte de poids a diminué à 0,08 mg/cm². Cela est dû à la force de liaison plus forte entre Mg²⁺ et le réseau d'oxygène du silicium, qui empêche la pénétration des molécules H₂O à l'intérieur du verre. Cette fonctionnalité prolonge la durée de vie du verre contenant du MgO de plus de 30 % dans les environnements humides tels que les murs-rideaux des bâtiments et les aquariums.
Résistance améliorée aux alcalis : dans les environnements alcalins, OH⁻ attaque la liaison Si-O-Si, conduisant à la désintégration du réseau, tandis que l'introduction de Mg²⁺ peut former une « couche tampon alcaline ». Après avoir ajouté 5 à 7 % de MgO aux fibres de verre utilisées dans les matériaux composites à base de ciment, le taux de rétention de résistance des fibres de verre trempées dans une solution alcaline de pH = 13 pendant 28 jours est passé de 65 % à 82 %. En effet, Mg ² ⁺ et OH ⁻ forment des précipités de Mg (OH) ₂, bloquant les pores de la surface du verre et ralentissant la pénétration de la solution alcaline.
Régulation de la résistance aux acides : Pour les verres contenant du bore (tels que les verres optiques), l'oxyde de magnésium peut inhiber l'hydrolyse des réseaux d'oxygène du bore. Dans le verre borosilicaté, B ³ ⁺ se combine facilement avec H ⁺ pour former [BO ∝] ³ ⁻, conduisant à la désintégration du réseau, tandis que l'intensité de champ élevée de Mg ² ⁺ peut stabiliser la structure tétraédrique de [BO ₄] ⁻. Après avoir ajouté 2 à 3 % de MgO, le taux de perte de poids du verre dans une solution à 10 % de HCl a diminué de 40 %, ce qui le rend adapté aux fenêtres d'instruments de précision dans des environnements acides.
4、 Optimiser les propriétés thermiques : réduire le coefficient de dilatation et améliorer la résistance à la chaleur
Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est un paramètre clé dans les composites de verre, de métal, de céramique et d'autres matériaux. L'oxyde de magnésium permet un contrôle précis du CTE en ajustant les caractéristiques vibratoires du réseau.
L'additif de base du verre à faible expansion : dans le verre borosilicaté à faible expansion (comme le verre Pyrex), MgO agit en synergie avec B ₂ O3 et Al ₂ O3 pour réduire l'amplitude des vibrations thermiques grâce au « remplissage du réseau ». Le rayon ionique de Mg ² ⁺ est petit et peut être noyé dans les interstices des réseaux silicium oxygène/bore oxygène, limitant la relaxation du réseau à haute température. Lorsque la quantité de MgO ajoutée est de 4 % à 6 %, le CTE du verre diminue de 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ à 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, répondant ainsi aux exigences correspondantes pour l'étanchéité avec des métaux tels que le tungstène et le molybdène (le CTE du métal est d'environ 4 × 10 ⁻⁶/℃). Par exemple, dans le verre à faible dilatation utilisé pour les emballages électroniques, l’introduction de MgO réduit de 25 % la contrainte thermique au niveau de l’interface d’étanchéité, évitant ainsi les fissures causées par les cycles de température.
Amélioration de la résistance aux chocs thermiques : La résistance aux chocs thermiques du verre dépend de l’effet combiné du CTE et de la conductivité thermique, et l’oxyde de magnésium peut optimiser les deux simultanément. Dans le verre de silicate de sodium et de calcium, l'ajout de 3 % de MgO réduit le CTE de 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ à 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, augmente la conductivité thermique de 1,05 W/à 1,18 W/ et augmente la différence de température d'impact résistante à la chaleur (Δ T) de 120 ℃ à 150 ℃. Cette caractéristique rend le verre contenant du MgO adapté aux ustensiles de cuisine (tels que les moules à pâtisserie), aux phares de voiture (résistant aux fluctuations de température de -40 ℃ à 120 ℃) et à d'autres scénarios.
5、 Assurer la qualité optique : maintenir la transparence, réguler l'indice de réfraction
Le verre optique a des exigences strictes en matière de transparence, d'indice de réfraction (nD) et de coefficient de dispersion (∆ D), et l'oxyde de magnésium est devenu un additif idéal pour le verre optique fonctionnel en raison de ses propriétés colorantes incolores et faibles.
Maintien élevé de la transparence : MgO lui-même est un oxyde incolore et n'introduit pas d'ions de métaux de transition (tels que Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), ce qui peut éviter la coloration du verre. Dans le verre photovoltaïque ultra blanc, lorsque l'ajout de MgO est contrôlé à 2 % -3 %, la transmission de la lumière visible (400-700 nm) peut atteindre plus de 94,5 %, ce qui est seulement 0,3 % inférieur à celui du verre de silicium pur et bien supérieur au verre contenant Fe ₂ O ∝ (transmittance < 91 %). De plus, l'oxyde de magnésium peut réduire les bulles et les défauts de cristallisation dans le verre, réduire davantage les pertes par diffusion de la lumière et améliorer de 15 % l'uniformité de la transmission de la lumière des fenêtres en verre pour les télémètres laser.
Indice de réfraction et contrôle de la dispersion : L'indice de réfraction molaire (R=3,2) de MgO est compris entre CaO (R=4,0) et ZnO (R=3,0), et les constantes optiques du verre peuvent être ajustées en ajustant la quantité ajoutée. Après avoir remplacé 10 % de CaO par MgO dans le verre optique de marque Crown, l'indice de réfraction nD a diminué de 1,523 à 1,518 et le coefficient de dispersion ∆ D a augmenté de 58 à 62, répondant ainsi aux exigences de conception des lentilles à faible dispersion. Pour le verre à transmission infrarouge (tel que le système GeO ₂ - MgO), MgO peut réduire le coefficient d'absorption infrarouge du verre et augmenter la transmission de 8 % dans la bande 3-5 μm, ce qui convient aux fenêtres d'imagerie thermique.
À l'avenir, avec la modernisation de la fabrication verte et la demande de verre fonctionnel, l'application de l'oxyde de magnésium évoluera vers le raffinement : d'une part, les propriétés mécaniques et optiques du verre seront encore améliorées par dopage avec du nano MgO (taille des particules < 50 nm) ; D'autre part, en combinant la conception de composants pilotés par l'IA, un nouveau système de verre à base de MgO (tel que le verre à bas point de fusion MgO Li ₂ O-ZrO ₂) peut être développé pour s'adapter aux applications flexibles d'électronique et de stockage et de transport d'énergie hydrogène. La valeur de l'oxyde de magnésium dans la composition du verre passe d'un « régulateur de performance » à un « catalyseur fonctionnel », conduisant à l'évolution des matériaux en verre vers des performances plus élevées et des scénarios plus larges.
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