Amorf inorganik bir malzeme olarak camın özellikleri hem kimyasal bileşimi hem de mikro yapısı tarafından belirlenir. Sodyum kalsiyum silikat camı, borosilikat camı vb. gibi ana cam sistemlerinde, ana bileşen SiO₂'ye ek olarak oksit katkı maddelerinin seçimi ve oranı, camın erime şeklini, mekanik özelliklerini, kimyasal stabilitesini ve fonksiyonel özelliklerini doğrudan etkiler.Magnezyum oksit (MgO)Tipik bir alkali toprak metal oksit olan , küçük iyon yarıçapı (0,072 nm) ve yüksek alan kuvveti (Z/r ²=6,25) nedeniyle cam bileşiminde yapının düzenlenmesinde, performansın optimize edilmesinde ve prosesin iyileştirilmesinde önemli bir rol oynar. Bu makale, camdaki magnezyum oksidin mekanizmasını ve pratik değerini altı boyutta kısaca analiz etmektedir: erime süreci, mekanik özellikler, kimyasal stabilite, termal özellikler, optik kalite ve uygulama senaryoları.
1、 Eritme ve şekillendirme prosesinin ayarlanması: enerji tüketiminin azaltılması ve kusurların en aza indirilmesi
Camın eritilmesi işlemi, katı hammaddelerin tekdüze bir eriyik haline dönüştürülmesi ve kabarcıkların ve şeritlerin giderilmesi işlemidir. Magnezyum oksit, eriyiğin viskozitesini ve yüzey gerilimini düzenleyerek erime ve şekillendirme kalitesini önemli ölçüde optimize eder.
Sodyum kalsiyum silikat camında, geleneksel bileşenler esas olarak SiO₂ (%70 - %75), Na₂ O (%12 - %16) ve CaO (%6 - %10), MgO（%3,5 -%4)'tür. CaO ve MgO'nun her ikisi de alkalin toprak metalleridir. Yüksek sıcaklıklarda (>1400 ⁺), Mg ² ⁺ Ca ² ⁺ ile reaksiyona girer ve silikon oksijen ağının polimerizasyon derecesini zayıflatmak, eriyiğin viskozitesini azaltmak ve ham maddelerin çözünmesini ve kabarcıkların kaçmasını hızlandırmak için köprü oluşturmayan oksijenle birleşir; Düşük sıcaklıkta (<1000 °C) şekillendirme aşamasında, Mg²⁺'nin yüksek alan mukavemeti özellikleri moleküller arası kuvvetleri arttırır, eriyiğin viskozitesini arttırır (yüzdürme cam şekillendirmenin kalay banyosunda olduğu gibi viskozite yaklaşık %8 artar), cam şeridin yerçekimi nedeniyle deformasyonunu önler ve eşit olmayan kalınlık kusurlarını azaltır. "Yüksek sıcaklık viskozitesinde azalma ve düşük sıcaklıkta viskozite artışının" ikili kontrol etkisi, eritme fırınının enerji tüketimini azaltır, eritme süresini %10 - %15 oranında kısaltır ve kabarcık oranını %30'dan fazla azaltarak üretim verimliliğini önemli ölçüde artırır.
Ayrıca magnezyum oksit eriyiğin kristalleşme eğilimini engelleyebilir. Cam eriyik soğuduğunda Ca²⁺ kolayca SiO₂ ile kalsiyum feldispat (CaAl₂ Si₂ O₈) gibi kristal fazlar oluşturarak cam kaybına (çizgiler ve taş kusurları gibi) yol açar. Mg ² ⁺'nin iyon yarıçapı Ca ² ⁺'den (0,099 nm) daha küçüktür ve "doldurma etkisi" yoluyla kristal çekirdeklerin büyümesini engelleyebilen silikon oksijen ağı ile daha güçlü bir uyumluluğa sahiptir. Düz cam üretiminde, eklenen MgO miktarı %2 - %4 olduğunda, eriyikteki kristalleşmenin üst sınır sıcaklığı 15-25 °C azalır, bu da kalıplama sıcaklığı aralığını etkili bir şekilde genişletir ve yerel aşırı soğutmanın neden olduğu kristalleşme kusurlarını azaltır.
2、 Mekanik özelliklerin güçlendirilmesi: gücün ve tokluğun arttırılması
Camın kırılganlığı temel olarak mikro yapıdaki atomik düzenlemenin uzun menzilli bozukluğundan kaynaklanırken, magnezyum oksit ağ yoğunluğunu ve iyonik bağlanma gücünü optimize ederek mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirir.
Sertlik ve elastik modülün arttırılması: Mg²⁺'nin yüksek alan kuvveti, oksijen iyonlarıyla güçlü iyonik bağlar oluşturarak, köprü oluşturmayan oksijen türlerinin (ağ yapısındaki zayıf noktalar olan) sayısını azaltır. Sodyum kalsiyum silikat camında, MgO %10-%20 CaO'nun yerini aldığında camın Vickers sertliği 5,5 GPa'dan 6,2 GPa'ya, elastik modül ise 68 GPa'dan 75 GPa'ya yükselir. Bunun nedeni, Mg²⁺ ile silikon oksijen tetrahedra arasındaki bağlanma enerjisinin (yaklaşık 640 kJ/mol) Ca²⁺'ninkinden (yaklaşık 560 kJ/mol) daha yüksek olması ve ağ yapısını daha yoğun hale getirmesidir. Örneğin fotovoltaik cama %3 -%5 MgO eklenmesi yüzeyin çizilme direncini %20 artırarak nakliye ve kurulum sırasında yüzey hasarını azaltır.
Eğilme mukavemeti ve tokluğun optimizasyonu: Camın bükülme mukavemeti, yapıdaki "mikro çatlakların" yayılma direncine bağlıdır ve magnezyum oksit, ağ kusurlarının boyutunu iyileştirerek rol oynar. Araştırmalar, MgO içeren sodyum kalsiyum silikat camında, mikro çatlakların ortalama uzunluğunun 8 μm'den 5 μm'ye kısaldığını ve çatlak yayılma hızının %30 oranında azaldığını göstermiştir. Şişe camında %25 CaO'nun MgO ile değiştirilmesinden sonra bükülme mukavemeti 45 MPa'dan 58 MPa'ya çıkarılmış, şişe gövdesinin darbe direnci ise %25 artırılarak dolum işlemi sırasında patlama sorunu önemli ölçüde azaltılmıştır. Ayrıca magnezyum oksit, camın kırılganlık indeksini (kırılma enerjisi/elastik modül) azaltabilir. Borosilikat ısıya dayanıklı cama %4-%6 MgO eklenmesi kırılganlık indeksini %12 oranında azaltabilir ve termal şoka karşı dayanıklılığını artırabilir.
Camın kimyasal stabilitesi (su direnci, asit direnci, alkali direnci) ağ yapısının dış iyon erozyonuna karşı direncine bağlıdır. Magnezyum oksit, ağ yoğunluğunu ve iyon bağlama kuvvetini artırarak çevreye uyum sağlama yeteneğini önemli ölçüde artırır.
Su direncinin iyileştirilmesi: Sodyum kalsiyum silikat camında, Na⁺'ın yüksek göç hızı onu suda kolayca çözünür hale getirir ("alkali olmayan bir katman" oluşturur), Mg²⁺ ise "iyon değişimi" yoluyla Na⁺'nin çözünme hızını azaltabilir. ISO 719 suya dayanıklılık testinde MgO içermeyen sodyum kalsiyum camın ağırlık kaybı oranı 0,15 mg/cm² olarak gerçekleşti. %3 MgO ilavesinden sonra ağırlık kaybı oranı 0,08 mg/cm²'ye düştü. Bunun nedeni, Mg ² ⁺ ile H ₂ O moleküllerinin camın iç kısmına nüfuz etmesini engelleyen silikon oksijen ağı arasındaki daha güçlü bağlanma kuvvetidir. Bu özellik, bina giydirme cephe ve akvaryum gibi nemli ortamlarda MgO içeren camların kullanım ömrünü %30'dan fazla uzatır.
Geliştirilmiş alkali direnci: Alkali ortamlarda OH ⁻, Si-O-Si bağına saldırarak ağın parçalanmasına yol açar, Mg ² ⁺'nin eklenmesi ise bir "alkali tampon tabakası" oluşturabilir. Çimento esaslı kompozit malzemelerde kullanılan cam elyaflara %5 -%7 MgO ilavesi sonrasında pH=13 alkali solüsyonda 28 gün bekletilen cam elyafların mukavemetini koruma oranı %65'ten %82'ye çıkmıştır. Bunun nedeni Mg ² ⁺ ve OH ⁻'nun Mg (OH) ₂ oluşturması, cam yüzeyindeki gözenekleri tıkaması ve alkali çözeltinin nüfuzunu yavaşlatmasıdır.
Asit direnci düzenlemesi: Bor içeren camlar (optik camlar gibi) için magnezyum oksit, bor oksijen ağlarının hidrolizini engelleyebilir. Borosilikat camda B ³ ⁺, H ⁺ ile kolayca birleşerek [BO ∝] ³ ⁻ oluşturur, bu da ağın parçalanmasına yol açar, Mg ² ⁺'nin yüksek alan kuvveti ise [BO ₄] ⁻ tetrahedral yapıyı stabilize edebilir. %2 -%3 MgO ilave edildikten sonra %10 HCl çözeltisindeki camın ağırlık kaybı oranı %40 azaldı, bu da onu asidik ortamlardaki hassas alet pencereleri için uygun hale getirdi.
4、 Termal özellikleri optimize edin: genleşme katsayısını azaltın ve ısı direncini artırın
Termal genleşme katsayısı (CTE), cam, metal, seramik ve diğer malzemelerin kompozitlerinde önemli bir parametredir. Magnezyum oksit, ağın titreşim özelliklerini ayarlayarak CTE'nin hassas kontrolünü sağlar.
Düşük genleşmeli camın çekirdek katkı maddesi: Düşük genleşmeli borosilikat camda (Pyrex camı gibi), MgO, "ağ doldurma" yoluyla termal titreşim genliğini azaltmak için B ₂ O3 ve Al ₂ O3 ile sinerjistik olarak çalışır. Mg²⁺'nin iyon yarıçapı küçüktür ve silikon oksijen/bor oksijen ağlarının boşluklarına gömülebilir, bu da yüksek sıcaklıklarda ağın gevşemesini sınırlandırır. Eklenen MgO miktarı %4 -%6 olduğunda, camın CTE'si 3,2 × 10⁻⁶/°C'den 2,8 × 10⁻⁶/°C'ye düşer ve tungsten ve molibden gibi metallerle sızdırmazlık için eşleşen gereklilikleri karşılar (metal CTE yaklaşık 4 × 10⁻⁶/°C'dir). Örneğin, elektronik ambalajlama için kullanılan düşük genleşmeli camda MgO'nun eklenmesi, sızdırmazlık arayüzündeki termal gerilimi %25 oranında azaltarak sıcaklık döngüsünün neden olduğu çatlamayı önler.
Termal şok direncinin iyileştirilmesi: Camın termal şok direnci, CTE ve termal iletkenliğin birleşik etkisine bağlıdır ve magnezyum oksit, her ikisini de aynı anda optimize edebilir. Sodyum kalsiyum silikat camında %3 MgO eklenmesi, CTE'yi 9,0 × 10⁻⁶/°C'den 8,2 × 10⁻⁶/°C'ye düşürür, termal iletkenliği 1,05 W/'den 1,18 W/'ye yükseltir ve ısıya dayanıklı darbe sıcaklığı farkını (Δ T) 120°C'den 150°C'ye yükseltir. Bu özellik, MgO içeren camı mutfak eşyaları (fırın tavaları gibi), araba farları (-40 °C ila 120 °C arası sıcaklık dalgalanmalarına dayanıklı) ve diğer senaryolar için uygun hale getirir.
5、 Optik kaliteyi sağlayın: şeffaflığı koruyun, kırılma indeksini düzenleyin
Optik camın şeffaflık, kırılma indisi (nD) ve dağılım katsayısı (∆ D) açısından katı gereksinimleri vardır ve magnezyum oksit, renksiz ve zayıf renklendirme özellikleri nedeniyle fonksiyonel optik cam için ideal bir katkı maddesi haline gelmiştir.
Yüksek şeffaflık bakımı: MgO'nun kendisi renksiz bir oksittir ve camın renklenmesini önleyebilecek geçiş metali iyonlarını (Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺ gibi) içermez. Ultra beyaz fotovoltaik camda, MgO ilavesi %2 -%3 oranında kontrol edildiğinde görünür ışık geçirgenliği (400-700 nm) %94,5'in üzerine çıkabilir; bu, saf silikon camdan yalnızca %0,3 daha düşüktür ve Fe ₂ O ∝ (geçirgenlik<%91) içeren camdan çok daha üstündür. Ek olarak, magnezyum oksit, camdaki kabarcıkları ve kristalizasyon kusurlarını azaltabilir, ışık saçılımı kayıplarını daha da azaltabilir ve lazer telemetreler için cam pencerelerin ışık iletim homojenliğini %15 oranında artırabilir.
Kırılma indeksi ve dağılım kontrolü: MgO'nun molar kırılma indeksi (R=3,2) CaO (R=4,0) ile ZnO (R=3,0) arasındadır ve camın optik sabitleri eklenen miktar ayarlanarak ince ayar yapılabilir. Crown marka optik camda %10 CaO'yu MgO ile değiştirdikten sonra kırılma indeksi nD 1,523'ten 1,518'e düştü ve dağılım katsayısı ∆ D 58'den 62'ye yükseldi ve düşük dağılımlı lenslerin tasarım gereksinimlerini karşıladı. Kızılötesi geçirgen camlar için (GeO ₂ - MgO sistemi gibi), MgO, camın kızılötesi emme katsayısını azaltabilir ve termal görüntüleme pencereleri için uygun olan 3-5 μm bandında geçirgenliği %8 artırabilir.
Gelecekte, yeşil üretimin artması ve fonksiyonel cam talebiyle birlikte, magnezyum oksit uygulaması arıtmaya doğru gelişecektir: bir yandan camın mekanik ve optik özellikleri nano MgO (partikül boyutu<50 nm) ile katkılama yoluyla daha da geliştirilecektir; Öte yandan, yapay zeka destekli bileşen tasarımını birleştirerek, esnek elektroniklere ve hidrojen enerjisi depolama ve taşıma uygulamalarına uyum sağlayacak yeni bir MgO bazlı cam sistemi (MgO Li ₂ O-ZrO ₂ düşük erime noktalı cam gibi) geliştirilebilir. Cam bileşimindeki magnezyum oksidin değeri, bir "performans düzenleyiciden" "işlevsel etkinleştiriciye" doğru kayıyor ve cam malzemelerin gelişimini daha yüksek performansa ve daha geniş senaryolara doğru yönlendiriyor.
SAT NANO, Çin'deki en iyi MgO Magnezyum oksit tozu tedarikçisidir, nano parçacık boyutu sunabiliriz, herhangi bir sorunuz varsa lütfen sales03@satnano.com adresinden bizimle iletişime geçmekten çekinmeyin.
