硼硅酸玻璃和其制备方法及其应用与流程

[0001]
本发明涉及材料学技术领域，具体涉及一种硼硅酸玻璃和其制备方法及其应用。


背景技术：

[0002]
海底地震仪(obs)及其由其组成的海底流动地震观测台阵是近年来发展起来的高新技术，在油气探测、科学研究、防灾减灾等方面有广泛的用途，是地球物理仪器与探测技术发展中的一个新增长点。在科学研究领域中，海底深部结构是海盆构造演化的“骨架”，是边缘海形成演化、海底扩张和洋壳形成过程的信息载体，一直是大陆边缘演化与洋中脊扩张等科学问题研究的重点，而海底地震仪探测是研究海底深部结构的最有效的地球物理方法，成为目前进行海底地壳内部结构研究的最新发展方向；另外，在油气探测领域中，未来世界油气总储量的44％将来自海洋深水区，海洋石油勘探开发已从水深300m扩展到3000m的深海区。海底地震仪具有噪声小、排列长度大、包含折射波和转换横波等优势，特别是与大容量震源的结合，可成为海洋油气勘探的重要手段。
[0003]
中科院在2017年就在马里亚纳海沟完成了两条万米级人工地震剖面，标志着我国成为继日本之后世界上第二个具有自主研发万米级海底地震仪能力的国家，并在世界首次成功获取万米级海洋人工地震剖面。但是海底地震仪不能直接放入海底，为了抵抗深海压力和海水的侵蚀，需要把地震仪放入玻璃球舱中，要求玻璃球舱具备：透明的、轻质的、耐腐蚀、易处理、有足够的强度、无污染的特点，具体的评价指标主要体现在四个参数上面，热膨胀系数、弹性模量、密度、化学稳定性。这种可应用于全海深的地震仪玻璃球舱(11000米)，目前世界上只有德国、美国等少数几个国家具备生产能力，我国在相关领域开展研究的时间较晚，只有中国建材国际工程集团有限公司下属中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司做过深海玻璃浮球的相关研究(非全海深)，所以我们国内科研院所在进行涉及到的地震仪球舱的科研活动，尤其是全海深，仍需进口，这种可应用于海底11000米的全海深地震仪用玻璃球舱的制备难点在于选择玻璃配方，在保证球舱净浮力的前提下，兼具高弹性模量、低密度、低热膨胀系数和高的化学稳定性特点。


技术实现要素：

[0004]
本发明的首要目的是提供一种硼硅酸玻璃，在保证足够净浮力的前提下，兼具高弹性模量、低密度、低热膨胀系数和高化学稳定性。
[0005]
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006]
一种硼硅酸玻璃，包括如下质量百分数的原料：72～80％的sio
2
，13～18％的b
2
o
3
，1.5～4％的al
2
o
3
，0～1％的cao，3～5％的na
2
o，0～1％的k
2
o，0～1％的mgo，0～1％的zno。
[0007]
本发明的优选方案为，还包括占原料总质量1.2％的澄清剂。
[0008]
本发明的优选方案为，所述澄清剂为nacl。
[0009]
本发明的另一个目的在于提供如上所述的硼硅酸玻璃在深海环境下和/或高压环境下的应用。
[0010]
本发明的优选方案为，所述应用产品为玻璃球舱。
[0011]
本发明的又一个目的在于提供一种如上所述的硼硅酸玻璃的制备方法，包括如下步骤：
[0012]
(1)将al
2
o
3
、cao、na
2
o、k
2
o、mgo、zno和澄清剂预先混合均匀，再加入sio
2
和b
2
o
3
，在搅拌下混合均匀；
[0013]
(2)对步骤(1)所得混合物加热至熔化；
[0014]
(3)将步骤(2)所得熔融液进行澄清处理；
[0015]
(4)对步骤(3)所得玻璃液倒入模具中并压制成型；
[0016]
(5)对步骤(4)所得成型的玻璃球舱进行退火处理；
[0017]
(6)对步骤(5)所得玻璃球舱进行表面打磨处理，获得产品。
[0018]
本发明的优选方案为，所述步骤(2)中的加热温度为1530℃～1580℃。
[0019]
本发明的优选方案为，所述步骤(3)中的澄清温度为1550℃～1610℃。
[0020]
本发明的优选方案为，所述步骤(4)中的成型温度为880℃～1380℃。
[0021]
本发明的优选方案为，所述步骤(5)中的退火温度为560℃～600℃，退火时间为10～16小时。
[0022]
除非另有说明，本发明涉及液体与液体之间的百分比时，所述的百分比为体积/体积百分比；本发明涉及液体与固体之间的百分比时，所述的百分比为体积/重量百分比；本发明涉及固体与液体之间的百分比时，所述的百分比为重量/体积百分比；其余为重量/重量百分比。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果：提供一种硼硅酸玻璃，可用于制成深海地震仪用玻璃球舱，产品具有：
[0024]
1、仓密度低，可以在同等体积的情况下提供更大的浮力。
[0025]
2、热膨胀系数低，具有更好的抗热震性。
[0026]
3、弹性模量高，抗压强度大，可以保证玻璃球舱在11000米深的海底下能够保护地震仪。
[0027]
4、化学稳定性好，不仅可以保证玻璃球舱能够耐受海水的腐蚀，而且对深海环境无污染。
具体实施方式
[0028]
以下结合实施例对本发明做进一步的说明。
[0029]
实施例1硼硅酸玻璃及其制备方法
[0030]
一种硼硅酸玻璃，包括如下质量百分数的原料：sio
2
：72％，b
2
o
3
：17.5％，al
2
o
3
：4％，cao：1％，na
2
o：3％，k
2
o：1％，mgo：0.5％，zno：1％。
[0031]
其制备方法，包括如下步骤：
[0032]
(1)按照配方称取各原料，并预先准备相当于原料总量1.2％的澄清剂nacl，将al
2
o
3
、cao、na
2
o、k
2
o、mgo、zno和澄清剂预先混合均匀，再加入sio
2
和b
2
o
3
，在搅拌下混合均匀；
[0033]
(2)将步骤(1)所得混合料投入到窑炉中，在1532℃下加热至熔化；
[0034]
(3)将窑炉升温至1550℃，对步骤(2)所得熔融液进行澄清处理；
[0035]
(4)倒取适量步骤(3)所得玻璃液于模具中，在880℃～1350℃下压制成型；
[0036]
(5)将步骤(4)所得成型的玻璃球舱送入退火炉中，在580℃下退火13小时；
[0037]
(6)利用数控抛光设备对步骤(5)所得玻璃球舱进行表面打磨处理，消除毛边，毛刺等缺陷，获得产品。
[0038]
实施例2硼硅酸玻璃及其制备方法
[0039]
一种硼硅酸玻璃，包括如下质量百分数的原料：sio
2
：78.4％，b
2
o
3
：14.6％，al
2
o
3
：1.7％，na
2
o：5％，k
2
o：0.12％，mgo：0.18％。
[0040]
其制备方法，包括如下步骤：
[0041]
(1)按照配方称取各原料，并预先准备相当于原料总量1.2％的澄清剂nacl，将al
2
o
3
、na
2
o、k
2
o、mgo和澄清剂预先混合均匀，再加入sio
2
和b
2
o
3
，在搅拌下混合均匀；
[0042]
(2)将步骤(1)所得混合料投入到窑炉中，在1546℃下加热至熔化；
[0043]
(3)将窑炉升温至1566℃，对步骤(2)所得熔融液进行澄清处理；
[0044]
(4)倒取适量步骤(3)所得玻璃液于模具中，在880℃～1345℃下压制成型；
[0045]
(5)将步骤(4)所得成型的玻璃球舱送入退火炉中，在585℃下退火12小时；
[0046]
(6)利用数控抛光设备对步骤(5)所得玻璃球舱进行表面打磨处理，消除毛边，毛刺等缺陷，获得产品。
[0047]
实施例3硼硅酸玻璃及其制备方法
[0048]
一种硼硅酸玻璃，包括如下质量百分数的原料：sio
2
：79.6％，b
2
o
3
：13％，al
2
o
3
：2％，na
2
o：5％，k
2
o：0.4％。
[0049]
其制备方法，包括如下步骤：
[0050]
(1)按照配方称取各原料，并预先准备相当于原料总量1.2％的澄清剂nacl，将al
2
o
3
、na
2
o、k
2
o和澄清剂预先混合均匀，再加入sio
2
和b
2
o
3
，在搅拌下混合均匀；
[0051]
(2)将步骤(1)所得混合料投入到窑炉中，在1563℃下加热至熔化；
[0052]
(3)将窑炉升温至1586℃，对步骤(2)所得熔融液进行澄清处理；
[0053]
(4)倒取适量步骤(3)所得玻璃液于模具中，在880℃～1400℃下压制成型；
[0054]
(5)将步骤(4)所得成型的玻璃球舱送入退火炉中，在590℃下退火11小时；
[0055]
(6)利用数控抛光设备对步骤(5)所得玻璃球舱进行表面打磨处理，消除毛边，毛刺等缺陷，获得产品。
[0056]
对实施例1-3制得的产品依次进行产品的密度、热膨胀系数、弹性模量、重量损失(hf侵蚀)、重量损失(naoh侵蚀)方面的检测，结果如表1所示。
[0057]
表1实施例1-3所得产品的性能检测结果
[0058][0059]

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