CN116102256A - 中铝玻璃及其制备方法、玻璃制品 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种中铝玻璃及其制备方法、玻璃制品,按质量百分数计,所述中铝玻璃的制备原料包括:SiO2:60%~70%;Al2O3:6%~12%;Na2O:12%~15.5%;K2O:1%~5%;MgO:1%~4%;CaO:1%~4%;B2O3:0~2%;ZrO2:0~1.5%。该中铝玻璃包括特定组分及其特定的配比,通过各组分及其质量百分含量的协调配合作用,在玻璃表面将形成一层压应力层,使得玻璃表面具有较高的表面应力和硬度的同时具有较低的热膨胀系数,应用于制备玻璃制品时,能提高玻璃制品的表面防刮耐划性能。
Description
技术领域
本申请涉及玻璃生产技术领域,特别是涉及一种中铝玻璃及其制备方法、玻璃制品。
背景技术
汽车玻璃要求具有良好的光学性能和力学性能,同时还要求具备耐磨性、耐热性、安全性、密封性和隔音性等性能,以保障乘员的驾驶和乘坐安全,根据应用部位的不同,汽车用玻璃主要包括前风挡玻璃、后风挡玻璃、门玻璃、天窗玻璃和前/后角窗玻璃等。
随着全球新能源汽车行业的发展,轻量化的发展路径逐步得到车企重视,成为汽车行业的共识,通过降低整体车身重量以减少能源消耗,不仅能够提高新能源汽车的续航能力,推动新能源汽车行业的发展,而且能够减少二氧化碳排放,完成各国政府节能减排的政策目标。传统的汽车玻璃一般采用普通钠钙玻璃,厚度较大,重量较重,不能满足汽车轻量化这一需求,而传统技术中能满足汽车轻量化这一需求的玻璃主要仍为高铝玻璃,但高铝玻璃生产难度大,制造成本高,且难以用现有的钠钙玻璃的加工线加工,难以直接应用到汽车玻璃中。
由此,传统技术仍有待改进。
发明内容
基于此,有必要提供一种中铝玻璃及其制备方法、玻璃制品,本申请的中铝玻璃兼具有优异的力学性能和热学性能。
本申请是通过如下的技术方案实现的:
本申请的一方面提供了一种中铝玻璃,按质量百分数计,所述中铝玻璃的制备原料包括:
在其中一些实施例中,所述Na2O、所述K2O、所述MgO、所述CaO和所述B2O3的总质量百分数为T1,所述SiO2、所述Al2O3和所述ZrO2的总质量百分数为T2,T1和T2满足:0.28≤T1/T2≤0.37。
在其中一些实施例中,按质量百分数计,所述中铝玻璃的制备原料包括:
在其中一些实施例中,所述MgO和所述CaO的总质量百分数为5%。
在其中一些实施例中,按质量百分数计,所述中铝玻璃的制备原料包括:
SiO2 60%;
本申请的另一方面提供一种中铝玻璃的制备方法,包括如下步骤:
将上述的中铝玻璃的制备原料混合,制备混合物;
将所述混合物依次进行熔融处理、成型处理、退火处理和化学强化处理,制备得到中铝玻璃。
在其中一些实施例中,所述熔融处理步骤满足(a)~(b)中至少一个条件:
(a)所述熔融处理的温度为1550℃~1630℃;
(b)所述熔融处理的时间为6h~10h。
在其中一些实施例中,所述化学强化处理的步骤包括满足(c)~(d)中至少一个条件:
(c)所述化学强化处理在熔盐中进行,所述熔盐的组分包括KNO3;
(d)所述化学强化处理的温度为385℃~425℃,时间为2h~8h。
在其中一些实施例中,在所述退火处理的步骤之后、且在所述化学强化处理的步骤之前,还包括如下步骤:
将所述退火处理之后的产品依次进行粗磨、第一清洗处理、细磨、第二清洗处理、CNC磨边倒角及抛光。
本申请还提供一种玻璃制品,所述玻璃制品包括上述的中铝玻璃或上述的中铝玻璃的制备方法制得的中铝玻璃。
与传统技术相比较,本申请的一种中铝玻璃,具有如下有益效果:
本申请的中铝玻璃的制备原料包括具有特定配比关系的特定组分,其中SiO2能提升玻璃的力学强度、化学稳定性和热稳定性,Al2O3提高玻璃的化学稳定性和硬度,K2O和Na2O促进玻璃原料熔融,对化学强化有很大的作用,MgO和CaO作为碱土金属氧化物,有助于降低玻璃组分的熔化温度,在降低玻璃析晶倾向的同时能提高玻璃的弹性模量,抑制裂纹的产生,B2O3是玻璃形成体和助溶剂,可降低玻璃的液相线温度、软化点温度和线膨胀系数,同时提高玻璃在化学强化和弯曲成形过程中的热学性能;而ZrO2可以增加玻璃离子交换过程中的离子交换动力,同时能提高玻璃的硬度、耐候性和稳定性,降低玻璃的膨胀系数;各组分通过特定配比关系的协调配合作用,在玻璃表面将形成一层压应力层,使得玻璃表面具有较高的表面应力和硬度的同时具有较低的热膨胀系数,应用于制备玻璃制品时,能提高玻璃制品的表面防刮耐划性能。
进一步地,该中铝玻璃的制备工艺简单,易于实现,制备的中铝玻璃能够适应现有的生产工艺。
具体实施方式
为了便于理解本申请,下面将对本申请进行更全面的描述,并给出了本申请的较佳实施例。但是,本申请可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
除了在操作实施例中所示以外或另外表明之外,所有在说明书和权利要求中表示成分的量、物化性质等所使用的数字理解为在所有情况下通过术语“约”来调整。例如,因此,除非有相反的说明,否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值,本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性,适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围,例如,1至5包括1、1.1、1.3、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5等等。
本申请一实施方式提供了一种中铝玻璃,按质量百分数计,该中铝玻璃的制备原料包括:
可理解,当本文中公开一个数值范围时,上述范围视为连续,且包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地,当范围是指整数时,包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外,当提供多个范围描述特征或特性时,可以合并该范围。换言之,除非另有指明,否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
需要说明的是,SiO2的取值范围为“60%~70%”即可取60%~70%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:60%、60.1%、60.2%、60.3%、60.4%、60.5%、60.6%、60.7%、60.8%、60.9%、61%、61.1%、61.2%、61.3%、61.4%、61.5%、61.6%、61.7%、61.8%、61.9%、62%、62.1%、62.2%、62.3%、62.4%、62.5%、62.6%、62.7%、62.8%、62.9%、63%、63.1%、63.2%、63.3%、63.4%、63.5%、63.6%、63.7%、63.8%、63.9%、64%%、64.1%、64.2%、64.3%、64.4%、64.5%、64.6%、64.7%、64.8%、64.9%、65%、65.1%、65.2%、65.3%、65.4%、65.5%、65.6%、65.7%、65.8%、65.9%、66%、66.1%、66.2%、66.3%、66.4%、66.5%、66.7%、66.8%、66.9%、67%、67.1%、67.2%、67.3%、67.4%、67.5%、67.6%、67.7%、67.8%、67.9%、68%、68.1%、68.2%、68.3%、68.4%、68.5%、68.6%、68.7%、68.8%、68.9%、69%、69.1%、69.2%、69.3%、69.4%、69.5%、69.6%、69.7%、69.8%、69.9%或者70%;或这些数值中任意两个组成的范围,作为示例,包括:65%~70%。
SiO2是玻璃网络骨架形成的主要成分,是玻璃中占比最大的成分,上述适当的SiO2含量能提高能提升玻璃的力学强度、化学稳定性和热稳定性等,如果SiO2的含量降低,则玻璃熔体的网络完整度下降,导致玻璃的线膨胀系数会增加,稳定性下降;若SiO2的含量过高,则玻璃的高温粘度增大,不利于工业化生产。
Al2O3的取值范围为“6%~12%”即可取6%~12%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于6%、6.1%、6.2%、6.3%、6.4%、6.5%、6.6%、6.7%、6.8%、6.9%、7%、7.1%、7.2%、7.3%、7.4%、7.5%、7.6%、7.7%、7.8%、7.9%、8%、8.1%、8.2%、8.3%、8.4%、8.5%、8.6%、8.8%、8.9%、9%、9.1%、9.2%、9.3%、9.4%、9.5%、9.6%、9.7%、9.8%、9.9%、10%、10.1%、10.2%、10.3%、10.4%、10.5%、10.6%、10.7%、10.8%、10.9%、11%、11.1%、11.2%、11.3%、11.4%、11.5%、11.6%、11.7%、11.8%、11.9%或者12%;或这些数值中任意两个组成的范围,作为示例,包括:8%~10%。
Al2O3能促进玻璃的网络结构更加完整,提高玻璃的化学稳定性、弹性模量、硬度,在上述玻璃中,游离氧与Al3+形成玻璃形成体[AlO4],在玻璃的网络结构中形成更大的空隙通道,有利于碱金属离子交换,以获得最大的表面压应力(Compressive Stress,简称CS)和压应力层深度(Depth of Layer,简称DOL)。若Al含量过高,则玻璃粘度增大,熔制温度升高,工业生产难度较大,而Al含量过低则导致化学强化中的离子交换深度大幅降低。因此,上述玻璃中,Al2O3的质量范围为6%~12%。
Na2O的取值范围为“12%~15.5%”即可取12%~15.5%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于12%、12.1%、12.2%、12.3%、12.4%、12.5%、12.6%、12.7%、12.8%、12.9%、13%、13.1%、13.2%、13.3%、13.4%、13.5%、13.6%、13.7%、13.8%、13.9%、14%、14.1%、14.2%、14.3%、14.4%、14.5%、14.6%、14.7%、14.8%、14.9%、15%、15.1%、15.2%、15.3%、15.4%或者15.5%;或这些数值中任意两个组成的范围,作为示例,包括:13.5%~15.5%。
Na2O是网络外体,促进玻璃原料熔融,对化学强化有很大的作用。如果Na2O的含量超过15.5%,会导致玻璃的线膨胀系数增加,玻璃的耐候性和稳定性变差,如果低于12%则不利于玻璃熔制,同时会导致玻璃的强度也降低。
K2O的取值范围为“1%~5%”即可取1%~5%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3%、3.1%、3.2%、3.3%、3.4%、3.5%、3.6%、3.7%、3.8%、3.9%、4%、4.1%、4.2%、4.3%、4.4%、4.5%、4.6%、4.7%、4.8%、4.9%或者5%;或这些数值中任意两个组成的范围。
K2O同Na2O是相同性质的组分,同时加入K2O和Na2O,通过混合碱效应,提高玻璃的高温熔制和澄清,促进化学强化效果。如果K2O的含量过高,玻璃的离子交换能力会下降,以及线膨胀系数增大。因此,本发明优选含有的K2O范围为1%~5%。
MgO的取值范围为“1%~4%”即可取1%~4%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3%、3.1%、3.2%、3.3%、3.4%、3.5%、3.6%、3.7%、3.8%、3.9%或者4%;或这些数值中任意两个组成的范围。
CaO的取值范围为“1%~4%”即可取1%~4%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3%、3.1%、3.2%、3.3%、3.4%、3.5%、3.6%、3.7%、3.8%、3.9%或者4%;或这些数值中任意两个组成的范围。
MgO和CaO作为碱土金属氧化物,有助于降低玻璃熔化温度,降低玻璃析晶倾向,同时能提高玻璃弹性模量,抑制裂纹的产生,但如果含量过高则会导致玻璃的线膨胀系数过高,含量过低则导致玻璃熔体的粘度会增大。
B2O3的取值范围为“0~2%”即可取0~2%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%或者2%;或这些数值中任意两个组成的范围。
B2O3是玻璃形成体和助溶剂,适当含量的B2O3可降低玻璃的液相线温度、软化点温度和线膨胀系数,同时提高玻璃在化学强化和弯曲成形过程中的热学性能,若含量过高则会降低玻璃表面离子交换能。
ZrO2的取值范围为“0~1.5%”即可取0~1.5%的范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%或者1.5%;或这些数值中任意两个组成的范围。
ZrO2可以增加玻璃离子交换过程中的离子交换动力,适当含量的ZrO2能同时提高玻璃的硬度、耐候性和稳定性,降低玻璃的膨胀系数,若含量过高,会导致玻璃的熔化温度大幅上升。
上述各组分通过特定配比关系的协调配合作用,在玻璃表面将形成一层压应力层,使得玻璃表面具有较高的表面应力和硬度的同时具有较低的热膨胀系数,应用于制备玻璃制品时,能提高玻璃制品的表面防刮耐划性能。
在其中一些实施例中,Na2O、K2O、MgO、CaO和B2O3的总质量百分数为T1,SiO2、Al2O3和ZrO2的总质量百分数为T2,T1和T2满足:其中,0.28≤T1/T2≤0.37。
通过进一步调控T1和T2的比值关系,使其具备更高的化学强化应力和离子交换深度,能满足汽车玻璃的软化点和膨胀系数需求,进一步提高其抗冲击性和抗划伤性。
在其中一些实施例中,按质量百分数计,该中铝玻璃的制备原料包括:
在其中一些实施例中,MgO和CaO的总质量百分数为5%。
在其中一些实施例中,按质量百分数计,该中铝玻璃的制备原料包括:
本申请一实施方式还提供一种中铝玻璃的制备方法,包括如下步骤S10~S20。
S10、将上述的中铝玻璃的制备原料混合,制备混合物。
S20、将上述混合物依次进行熔融处理、成型处理、退火处理和化学强化处理,制备得到中铝玻璃。
在其中一些实施例中,熔融处理的温度为1550℃~1630℃;
在其中一些实施例中,熔融处理的时间为6h~10h。
在其中一些实施例中,化学强化处理在熔盐中进行,进一步地,在一具体示例中,熔盐的组分包括KNO3。
在其中一些实施例中,化学强化处理的温度为385℃~425℃,时间为2h~8h。
在其中一些实施例中,成型处理在模具中进行;可选地,模具的具体形状可根据实际应用所需的玻璃形状而定,进一步地,模具的材质是不锈钢。
在其中一些实施例中,退火处理的温度为630℃~700℃,时间为12h~24h。
在其中一些实施例中,在退火处理的步骤之后、且在化学强化处理的步骤之前,还包括如下步骤:
将退火处理之后的产品依次进行粗磨、第一清洗处理、细磨、第二清洗处理、CNC磨边倒角及抛光处理。
该中铝玻璃制备工艺简单,易于实现,制备的中铝玻璃能够适应现有的生产工艺。
本申请一实施方式还提供一种玻璃制品,所述玻璃制品包括上述的中铝玻璃或上述的中铝玻璃的制备方法制得的中铝玻璃。
上述中铝玻璃及其制备方法应用于制备玻璃制品时,能提高玻璃制品的表面防刮耐划性能。
在其中一些实施例中,上述玻璃制品为汽车用玻璃,包括但不限于前风挡玻璃、后风挡玻璃、门玻璃、天窗玻璃和前/后角窗玻璃等。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了,本发明用以下具体实施例进行说明,但本发明绝非仅限于这些实施例。以下所描述的实施例仅为本发明较好的实施例,可用于描述本发明,不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
为了更好地说明本发明,下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。
具体实施例
实施例1
(1)原料:按表1所示的玻璃组分配方准确称取所需要的原材料800g,机械混合30min,制备混合物。
(2)熔融:将制备得到的混合物倒入铂铑坩埚中,在1550~1630℃下熔制保温10h,并1530℃~1600℃下进行澄清和均化8h。
(3)成型:将熔制好的玻璃液浇注到不锈钢模具中成型。
(4)退火:将成型处理后的玻璃制品在630℃~700℃温度下退火24h,随后降温至室温。
(5)精加工:将玻璃制品用线切割机进行300*300*1~2mm尺寸切片,然后进行粗磨→普通清洗→细磨→超声清洗→CNC磨边倒角→抛光处理,得到精加工后的玻璃片。
(6)化学强化:将精加工处理后的玻璃片置于385℃~425℃的熔融KNO3中化学钢化4h,得到玻璃样品。
(7)对制得的玻璃样品的理化性能进行测试;以下为具体性能测试。
1、热膨胀系数(30℃~300℃)是利用德国耐驰DIL-402PC卧式膨胀仪测定的,升温速率为5℃/min。
2、化学钢化后玻璃表面压应力(Compressive Stress,简称CS)和压应力层深度(Depth of Layer,简称DOL)是采用FSM-6000LE表面应力仪来测定,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,CS值越大,说明承载能力,玻璃自身抗风压性,寒暑性,冲击性等越好;钢化玻璃的应力有两方面组成,表面的压应力和中间层的张应力,表面的压应力层越深,表明张应力层不足,钢化玻璃自爆的可能性随之增加,即,DOL值在一定范围内,玻璃保持良好的压应力及张应力,可提高玻璃的表面硬度、抗冲击性能、耐划伤性能及耐损伤性能。
3、玻璃应变点和软化点是参照标准ASTM C-336和ASTM C-338测定,采用高温粘度计测定粘度,再由Vogel-Fulcher-Tamann公式计算得出熔化温度和荷重软化温度,其中,本申请中的软化点是指玻璃粘度在107.65dPa.s时的温度。
具体结果请见表3。
实施例2~12
实施例2~12与实施例1基本相同,不同之处仅在于表1中的组分。
其他条件及参数与实施例1相同,具体测试结果请见表3。
对比例1~4
对比例1~4与实施例1基本相同,不同之处仅在于:对比例1~4中玻璃的原料配方如表2所示。
其他条件及参数与实施例1相同,具体测试结果请见表3。
各实施例及对比例中玻璃的原料组分如表1及表2所示,其中Na2O、K2O、MgO、CaO和B2O3的总质量百分数为T1,SiO2、Al2O3和ZrO2的总质量百分数为T2。
表1
表2
组分 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 |
<![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | 63 | 69 | 61.5 | 60 |
<![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 12 | 5 | 13 | 14 |
<![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | 15 | 13 | 15 | 14 |
<![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> | 4 | 1 | 5 | 5 |
MgO | 5 | 4 | 4.5 | 6 |
CaO | 0 | 8 | 0 | 0 |
<![CDATA[B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 0 | 0 | 0 | 0 |
<![CDATA[ZrO<sub>2</sub>]]> | 1 | 0 | 1 | 1 |
总计 | 100 | 100 | 100 | 100 |
T1/T2 | 0.32 | 0.35 | 0.32 | 0.33 |
各实施例及对比例的性能测试结果请见表3。
表3
表3中的数据中实施例1~12制得的中铝玻璃的测试表明:线膨胀系数(30℃~300℃)97.5~99.7×10-7/℃,软化点为725℃~769℃,熔化温度T2为1589℃~1620℃,化学钢化后玻璃表面压应力(CS)为625.9MPa~884.74MPa和压应力层深度(DOL)为25.2μm~29.3μm。该中铝玻璃易化学强化,强度高,且具有优异的力学性能,热学性能,能够满足产品的实际应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
2.如权利要求1所述的中铝玻璃,其特征在于,所述Na2O、所述K2O、所述MgO、所述CaO和所述B2O3的总质量百分数为T1,所述SiO2、所述Al2O3和所述ZrO2的总质量百分数为T2,T1和T2满足:0.28≤T1/T2≤0.37。
4.如权利要求1~2任一项所述的中铝玻璃,其特征在于,所述MgO和所述CaO的总质量百分数为5%。
6.一种中铝玻璃的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将如权利要求1~5任一项所述的中铝玻璃的制备原料混合,制备混合物;
将所述混合物依次进行熔融处理、成型处理、退火处理和化学强化处理,制备得到中铝玻璃。
7.如权利要求6所述的中铝玻璃的制备方法,其特征在于,所述熔融处理步骤满足(a)~(b)中至少一个条件:
(a)所述熔融处理的温度为1550℃~1630℃;
(b)所述熔融处理的时间为6h~10h。
8.如权利要求6~7任一项所述的中铝玻璃的制备方法,其特征在于,所述化学强化处理的步骤满足(c)~(d)中至少一个条件:
(c)所述化学强化处理在熔盐中进行,所述熔盐的组分包括KNO3;
(d)所述化学强化处理的温度为385℃~425℃,时间为2h~8h。
9.如权利要求6~7任一项所述的中铝玻璃的制备方法,其特征在于,在所述退火处理的步骤之后、且在所述化学强化处理的步骤之前,还包括如下步骤:
将所述退火处理之后的产品依次进行粗磨、第一清洗处理、细磨、第二清洗处理、CNC磨边倒角及抛光处理。
10.一种玻璃制品,其特征在于,所述玻璃制品包括如权利要求1~5任一项所述的中铝玻璃或如权利要求6~9任一项所述的中铝玻璃的制备方法制得的中铝玻璃。
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