Als amorphes anorganisches Material werden die Eigenschaften von Glas sowohl durch seine chemische Zusammensetzung als auch durch seine Mikrostruktur bestimmt. In gängigen Glassystemen wie Natrium-Kalzium-Silikatglas, Borosilikatglas usw. wirken sich neben der Hauptkomponente SiO₂ auch die Auswahl und das Verhältnis der Oxidzusätze direkt auf die Schmelzbildung, die mechanischen Eigenschaften, die chemische Stabilität und die funktionellen Eigenschaften des Glases aus.Magnesiumoxid (MgO)Als typisches Erdalkalimetalloxid spielt es aufgrund seines kleinen Ionenradius (0,072 nm) und seiner hohen Feldstärke (Z/r²=6,25) eine Schlüsselrolle bei der Regulierung der Struktur, der Optimierung der Leistung und der Verbesserung der Glaszusammensetzung. Dieser Artikel analysiert kurz den Mechanismus und den praktischen Wert von Magnesiumoxid in Glas aus sechs Dimensionen: Schmelzprozess, mechanische Eigenschaften, chemische Stabilität, thermische Eigenschaften, optische Qualität und Anwendungsszenarien.
1、 Anpassung des Schmelz- und Formprozesses: Reduzierung des Energieverbrauchs und Minimierung von Fehlern
Der Schmelzprozess von Glas ist der Prozess, bei dem feste Rohstoffe in eine gleichmäßige Schmelze umgewandelt und Blasen und Streifen entfernt werden. Magnesiumoxid optimiert die Qualität des Schmelzens und Umformens deutlich, indem es die Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze reguliert.
In Natrium-Kalzium-Silikatglas sind die traditionellen Bestandteile hauptsächlich SiO₂ (70 % – 75 %), Na₂ O (12 % – 16 %) und CaO (6 % – 10 %), MgO (3,5 % – 4 %). CaO und MgO sind beide Erdalkalimetalle. Bei hohen Temperaturen (>1400 ℃) reagiert Mg²⁺ mit Ca²⁺ und verbindet sich mit nicht verbrückendem Sauerstoff, um den Polymerisationsgrad des Silizium-Sauerstoffnetzwerks zu schwächen, die Viskosität der Schmelze zu verringern und die Auflösung von Rohstoffen und das Entweichen von Blasen zu beschleunigen; In der Formungsphase bei niedriger Temperatur (<1000 ℃) verstärken die hohen Feldstärkeeigenschaften von Mg ² ⁺ die intermolekularen Kräfte, erhöhen die Viskosität der Schmelze (z. B. im Zinnbad der Floatglasformung erhöht sich die Viskosität um etwa 8 %), vermeiden eine Verformung des Glasbandes aufgrund der Schwerkraft und reduzieren Defekte durch ungleichmäßige Dicke. Der doppelte Steuereffekt „Viskositätsreduzierung bei hoher Temperatur und Erhöhung der Viskosität bei niedriger Temperatur“ reduziert den Energieverbrauch des Schmelzofens, verkürzt die Schmelzzeit um 10–15 % und reduziert die Blasenrate um mehr als 30 %, wodurch die Produktionseffizienz deutlich verbessert wird.
Darüber hinaus kann Magnesiumoxid die Kristallisationsneigung der Schmelze hemmen. Beim Abkühlen der Glasschmelze bildet Ca²⁺ leicht Kristallphasen wie Calciumfeldspat (CaAl₂Si₂O₈) mit SiO₂, was zu Glasverlust (wie Streifen und Steindefekten) führt. Der Ionenradius von Mg²⁺ ist kleiner als der von Ca²⁺ (0,099 nm) und weist eine stärkere Kompatibilität mit dem Silizium-Sauerstoffnetzwerk auf, was durch den „Fülleffekt“ das Wachstum von Kristallkeimen behindern kann. Bei der Herstellung von Flachglas sinkt die obere Grenztemperatur der Kristallisation in der Schmelze um 15–25 °C, wenn die zugesetzte MgO-Menge 2–4 % beträgt, wodurch der Formtemperaturbereich wirksam erweitert und durch lokale Unterkühlung verursachte Kristallisationsfehler reduziert werden.
2、 Stärkung der mechanischen Eigenschaften: Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit
Die Sprödigkeit von Glas ist im Wesentlichen auf die weitreichende Unordnung der Atomanordnung in der Mikrostruktur zurückzuführen, während Magnesiumoxid seine mechanischen Eigenschaften durch die Optimierung der Netzwerkdichte und der Ionenbindungsstärke deutlich verbessert.
Verbesserung der Härte und des Elastizitätsmoduls: Die hohe Feldstärke von Mg²⁺ bildet starke Ionenbindungen mit Sauerstoffionen und reduziert so die Anzahl nicht verbrückender Sauerstoffspezies (die Schwachstellen in der Netzwerkstruktur darstellen). Wenn in Natriumcalciumsilikatglas 10–20 % CaO durch MgO ersetzt werden, steigt die Vickers-Härte des Glases von 5,5 GPa auf 6,2 GPa und der Elastizitätsmodul steigt von 68 GPa auf 75 GPa. Dies liegt daran, dass die Bindungsenergie zwischen Mg²⁺ und Silizium-Sauerstofftetraedern (ca. 640 kJ/mol) höher ist als die von Ca²⁺ (ca. 560 kJ/mol), wodurch die Netzwerkstruktur dichter wird. Beispielsweise erhöht die Zugabe von 3–5 % MgO zu Photovoltaikglas die Kratzfestigkeit der Oberfläche um 20 %, wodurch Oberflächenschäden während des Transports und der Installation reduziert werden.
Optimierung der Biegefestigkeit und Zähigkeit: Die Biegefestigkeit von Glas hängt vom Ausbreitungswiderstand von „Mikrorissen“ in der Struktur ab, und Magnesiumoxid spielt eine Rolle, indem es die Größe von Netzwerkdefekten verfeinert. Untersuchungen haben gezeigt, dass in Natriumcalciumsilikatglas mit MgO die durchschnittliche Länge der Mikrorisse von 8 μm auf 5 μm verkürzt und die Rissausbreitungsrate um 30 % verringert wird. Nach dem Ersetzen von 25 % CaO durch MgO im Flaschenglas stieg die Biegefestigkeit von 45 MPa auf 58 MPa und die Schlagfestigkeit des Flaschenkörpers erhöhte sich um 25 %, wodurch das Explosionsproblem während des Abfüllvorgangs deutlich reduziert wurde. Darüber hinaus kann Magnesiumoxid den Sprödigkeitsindex (Bruchenergie/Elastizitätsmodul) von Glas verringern. Bei hitzebeständigem Borosilikatglas kann die Zugabe von 4–6 % MgO den Sprödigkeitsindex um 12 % reduzieren und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Thermoschocks verbessern.
Die chemische Stabilität von Glas (Wasserbeständigkeit, Säurebeständigkeit, Alkalibeständigkeit) hängt von der Widerstandsfähigkeit der Netzwerkstruktur gegenüber äußerer Ionenerosion ab. Magnesiumoxid verbessert seine Umweltanpassungsfähigkeit erheblich, indem es die Netzwerkdichte und die Ionenbindungskraft erhöht.
Verbesserung der Wasserbeständigkeit: In Natrium-Kalzium-Silikatglas sorgt die hohe Migrationsrate von Na⁺ dafür, dass es leicht in Wasser löslich ist (Bildung einer „De-Alkali-Schicht“), während Mg²⁺ die Auflösungsrate von Na⁺ durch „Ionenaustausch“ verringern kann. Beim Wasserbeständigkeitstest nach ISO 719 betrug der Gewichtsverlust von Natriumcalciumglas ohne MgO 0,15 mg/cm². Nach Zugabe von 3 % MgO sank die Gewichtsverlustrate auf 0,08 mg/cm². Dies ist auf die stärkere Bindungskraft zwischen Mg²⁺ und dem Silizium-Sauerstoffnetzwerk zurückzuführen, die das Eindringen von H₂O-Molekülen in das Innere des Glases behindert. Diese Funktion verlängert die Lebensdauer von MgO-haltigem Glas in feuchten Umgebungen wie Vorhangfassaden und Aquarien um mehr als 30 %.
Erhöhte Alkalibeständigkeit: In alkalischen Umgebungen greift OH⁻ die Si-O-Si-Bindung an und führt zum Zerfall des Netzwerks, während die Einführung von Mg²⁺ eine „alkalische Pufferschicht“ bilden kann. Nach der Zugabe von 5–7 % MgO zu Glasfasern, die in Verbundwerkstoffen auf Zementbasis verwendet werden, stieg die Festigkeitserhaltungsrate von Glasfasern, die 28 Tage lang in einer alkalischen Lösung mit einem pH-Wert von 13 eingeweicht wurden, von 65 % auf 82 %. Dies liegt daran, dass Mg²⁺ und OH⁻ Mg(OH)₂-Ausfällungen bilden, die die Poren auf der Glasoberfläche verstopfen und das Eindringen alkalischer Lösung verlangsamen.
Regulierung der Säurebeständigkeit: Bei borhaltigen Gläsern (z. B. optischen Gläsern) kann Magnesiumoxid die Hydrolyse von Bor-Sauerstoff-Netzwerken hemmen. In Borosilikatglas verbindet sich B ³ ⁺ leicht mit H ⁺ zu [BO ∝] ³ ⁻, was zum Netzwerkzerfall führt, während die hohe Feldstärke von Mg ² ⁺ die tetraedrische Struktur [BO ₄] ⁻ stabilisieren kann. Nach der Zugabe von 2–3 % MgO verringerte sich die Gewichtsverlustrate von Glas in 10 %iger HCl-Lösung um 40 %, wodurch es für Präzisionsinstrumentenfenster in sauren Umgebungen geeignet ist.
4、 Optimieren Sie die thermischen Eigenschaften: Reduzieren Sie den Ausdehnungskoeffizienten und verbessern Sie die Hitzebeständigkeit
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ist ein Schlüsselparameter im Verbund aus Glas, Metall, Keramik und anderen Materialien. Magnesiumoxid ermöglicht eine präzise Steuerung des CTE durch Anpassung der Schwingungseigenschaften des Netzwerks.
Der Kernzusatz von Glas mit geringer Ausdehnung: In Borosilikatglas mit geringer Ausdehnung (z. B. Pyrex-Glas) wirkt MgO synergistisch mit B₂ O3 und Al₂ O3, um die thermische Schwingungsamplitude durch „Netzwerkfüllung“ zu reduzieren. Der Ionenradius von Mg ² ⁺ ist klein und kann in die Lücken von Silizium-Sauerstoff-/Bor-Sauerstoff-Netzwerken eingebettet werden, wodurch die Relaxation des Netzwerks bei hohen Temperaturen begrenzt wird. Wenn die zugesetzte MgO-Menge 4–6 % beträgt, sinkt der CTE des Glases von 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ auf 2,8 × 10 ⁻⁶/℃ und erfüllt damit die entsprechenden Anforderungen für die Versiegelung mit Metallen wie Wolfram und Molybdän (der CTE des Metalls beträgt etwa 4 × 10 ⁻⁶/℃). Beispielsweise reduziert die Einführung von MgO in Glas mit geringer Ausdehnung, das für elektronische Verpackungen verwendet wird, die thermische Spannung an der Dichtungsschnittstelle um 25 %, wodurch Risse durch Temperaturwechsel vermieden werden.
Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit: Die Thermoschockbeständigkeit von Glas hängt von der kombinierten Wirkung von CTE und Wärmeleitfähigkeit ab, und Magnesiumoxid kann beides gleichzeitig optimieren. Bei Natrium-Kalzium-Silikatglas verringert die Zugabe von 3 % MgO den CTE von 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ auf 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, erhöht die Wärmeleitfähigkeit von 1,05 W/auf 1,18 W/ und erhöht die hitzebeständige Schlagtemperaturdifferenz (Δ T) von 120 ℃ auf 150 ℃. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich MgO-haltiges Glas für Küchenutensilien (z. B. Backformen), Autoscheinwerfer (hält Temperaturschwankungen von -40 °C bis 120 °C stand) und andere Einsatzbereiche.
5、 Sicherstellung der optischen Qualität: Aufrechterhaltung der Transparenz, Regulierung des Brechungsindex
Optisches Glas stellt strenge Anforderungen an Transparenz, Brechungsindex (nD) und Dispersionskoeffizient (∆ D), und Magnesiumoxid ist aufgrund seiner farblosen und schwachen Farbeigenschaften zu einem idealen Zusatzstoff für funktionelles optisches Glas geworden.
Hohe Transparenz: MgO selbst ist ein farbloses Oxid und führt keine Übergangsmetallionen (wie Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺) ein, wodurch eine Glasfärbung vermieden werden kann. Bei ultraweißem Photovoltaikglas kann die Durchlässigkeit für sichtbares Licht (400–700 nm) über 94,5 % erreichen, wenn der MgO-Zusatz auf 2 % bis 3 % kontrolliert wird, was nur 0,3 % niedriger ist als bei reinem Siliziumglas und deutlich besser als bei Glas mit Fe₂O∝ (Durchlässigkeit <91 %). Darüber hinaus kann Magnesiumoxid Blasen und Kristallisationsfehler im Glas reduzieren, Lichtstreuverluste weiter reduzieren und die Gleichmäßigkeit der Lichtdurchlässigkeit von Glasfenstern für Laser-Entfernungsmesser um 15 % verbessern.
Brechungsindex und Dispersionskontrolle: Der molare Brechungsindex (R=3,2) von MgO liegt zwischen CaO (R=4,0) und ZnO (R=3,0), und die optischen Konstanten des Glases können durch Anpassen der Zugabemenge fein abgestimmt werden. Nach dem Ersetzen von 10 % CaO durch MgO in optischem Glas der Marke Crown sank der Brechungsindex nD von 1,523 auf 1,518 und der Dispersionskoeffizient ∆ D stieg von 58 auf 62, wodurch die Designanforderungen von Linsen mit geringer Dispersion erfüllt wurden. Bei Infrarot-Transmissionsglas (z. B. GeO₂-MgO-System) kann MgO den Infrarot-Absorptionskoeffizienten des Glases verringern und die Durchlässigkeit im 3–5 μm-Band, das für Wärmebildfenster geeignet ist, um 8 % erhöhen.
Mit der Weiterentwicklung der umweltfreundlichen Fertigung und der Nachfrage nach Funktionsglas wird sich die Anwendung von Magnesiumoxid künftig in Richtung Verfeinerung entwickeln: Einerseits werden die mechanischen und optischen Eigenschaften von Glas durch die Dotierung mit Nano-MgO (Partikelgröße <50 nm) weiter verbessert; Andererseits kann durch die Kombination von KI-gesteuertem Komponentendesign ein neues MgO-basiertes Glassystem (wie MgO Li₂ O-ZrO₂-Glas mit niedrigem Schmelzpunkt) entwickelt werden, das sich an flexible Elektronik- und Wasserstoff-Energiespeicher- und Transportanwendungen anpasst. Der Wert von Magnesiumoxid in der Glaszusammensetzung verlagert sich von einem „Leistungsregulator“ zu einem „Funktionsfaktor“ und treibt die Entwicklung von Glasmaterialien hin zu höherer Leistung und umfassenderen Einsatzmöglichkeiten voran.
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