專利名稱：一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃陶瓷及其制備方法，具體的說(shuō)，特別是含磷鋰鋁硅的玻璃陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
玻璃陶瓷是由LAS玻璃控制晶化制得的多晶固體材料，其中鋰鋁硅系(Li2O-Al2O3-SiO2，簡(jiǎn)稱LAS)是主要的一種玻璃陶瓷，因其具有超低膨脹、高強(qiáng)度、高的抗熱震性能，而被廣泛用于制造天文望遠(yuǎn)鏡、炊具、餐具、電磁爐面板、高溫電光源玻璃、微電子技術(shù)用基板、實(shí)驗(yàn)室用加熱器具、高溫?zé)峤粨Q器、代石英玻璃、高溫窗、雷達(dá)天線罩等制品。
關(guān)于所述鋰鋁硅系玻璃陶瓷，在公開號(hào)CN 1306946A、1495144A、1054957A、1607191A、1333194A、1005710B、1486947A、1054957A、1597586A、專利號(hào)97104801.0等各個(gè)公報(bào)中，公開了鋰鋁硅系玻璃陶瓷及其制造方法。
目前鋰鋁硅系玻璃陶瓷的晶核劑主要為TiO2，在鋰鋁硅玻璃體系中，TiO2在玻璃中有較大的溶解度，可溶解達(dá)20％或更高；另外，還有助于降低玻璃的粘度，促進(jìn)玻璃的熔化，使玻璃易于析晶。但當(dāng)TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)，可能產(chǎn)生粗大的晶粒，而使微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)增大；而且TiO2會(huì)使玻璃陶瓷的顏色泛黃，導(dǎo)致色澤質(zhì)量降低。
也有采用TiO2和ZrO2作為混合晶核劑，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，比單用兩種中任一種所制得的玻璃陶瓷具有更細(xì)的晶粒尺度和更高的機(jī)械強(qiáng)度，但由于ZrO2熔點(diǎn)很高，在玻璃中的溶解度不高，使其作為改善形核的作用受限。
近年來(lái)，也有加入氟化物，用其作為晶核劑或晶核生長(zhǎng)促進(jìn)劑，促進(jìn)玻璃的核化、晶化過(guò)程，能顯著降低玻璃的析晶溫度和析晶動(dòng)力，但也容易導(dǎo)致晶粒過(guò)快生長(zhǎng)，并影響玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能。
P2O5由于具有能從硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中分離出磷酸鹽集團(tuán)的特性，因而可以用作晶核劑，被用作Li2O-ZnO-SiO2、Li2O-PbO-SiO2等玻璃體系的晶核劑，也作為晶核劑和主要組成用于羥基磷灰石微晶玻璃的制備中。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種能實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)，且熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高的含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷及其制備方法。
本發(fā)明為達(dá)到以上目的，是通過(guò)這樣的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的提供一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，該玻璃陶瓷的重量百分比組成為SiO2(二氧化硅)70％、Li2O(氧化鋰)4％、Al2O3(氧化鋁)15％、MgO(氧化鎂)0.9％-1％、ZnO(氧化鋅)1％-1.1％、CaO(氧化鈣)0.4％-0.5％、B2O3(氧化硼)0.2％、TiO2(氧化鈦)1.8％-3.2％、ZrO2(氧化鋯)2.0％-2.3％、K2O+Na2O(氧化鉀和氧化鈉的混合物)2％-2.1％、P2O5(五氧化磷)0.1％-1.6％以及As2O3+Sb2O3(氧化砷和氧化銻的混合物)0.8％。
氧化鉀和氧化鈉可以任意的重量比組成混合物，其中最佳重量比為K2O∶Na2O＝1.1～1。
氧化砷和氧化銻可以任意的重量比組成混合物。
本發(fā)明還提供了上述含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷的制備方法將上玻璃陶瓷組成成分研磨均勻后配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火；再經(jīng)600～800℃核化1～4小時(shí)，然后升溫至700～1000℃晶化處理1～12小時(shí)。
本發(fā)明的含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷及其制備方法，是在發(fā)明人經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究、實(shí)驗(yàn)后獲得的。本發(fā)明所提供的一種復(fù)合晶核劑，是根據(jù)晶核劑協(xié)同效應(yīng)，在TiO2和ZrO2的基礎(chǔ)上，引入P2O5組成的。一方面，利用磷離子P5+四面體配位和磷酸鹽網(wǎng)絡(luò)形成能力，誘導(dǎo)玻璃分相，促進(jìn)玻璃的核化過(guò)程；另一方面，P2O5能提高ZrO2的溶解度，改善玻璃的熔制以及ZrO2的成核作用。
本發(fā)明的玻璃陶瓷由于采用P2O5與TiO2和ZrO2組成復(fù)合晶核劑，利用晶核劑的“協(xié)同效應(yīng)”，促使玻璃大量形核，配以精確控制核化、晶化熱處理工藝制度，控制晶核生長(zhǎng)成晶粒并長(zhǎng)大，實(shí)現(xiàn)晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)，并擁有低的熱膨脹系數(shù)和高的機(jī)械強(qiáng)度。
本發(fā)明的玻璃陶瓷的主晶相為β-鋰輝石(Li2O·Al2O3·nSiO2，n≥4)，晶體形狀為球狀，晶粒尺寸在20～100nm之間，在30～600℃范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)為5～21×10-7/℃，抗彎強(qiáng)度為110～150MPa。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其重量百分比組成為SiO270％、Li2O 4％、Al2O315％、MgO 1％、ZnO 1.1％、CaO 0.5％、B2O30.2％、TiO23.2％、ZrO22％、K2O 1.1％、Na2O 1.0％、P2O50.1％、As2O30.4％、Sb2O30.4％。
將上述玻璃陶瓷組成成分研磨均勻后配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火；再經(jīng)720℃核化1.5小時(shí)，然后升溫至810℃晶化處理4小時(shí)；得到抗折強(qiáng)度110～150MPa、膨脹系數(shù)5～21×10-7/℃的玻璃陶瓷，球狀晶粒尺寸在20～100nm之間。
實(shí)施例2一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其重量百分比組成為SiO270％、Li2O 4％、Al2O315％、MgO 0.9％、ZnO 1.1％、CaO 0.5％、B2O30.2％、TiO22.5％、ZrO22.1％、K2O 1.1％、Na2O 1.0％、P2O50.8％、As2O30.4％、Sb2O30.4％。
按上述各組份配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火，再經(jīng)740℃核化1.5小時(shí)，然后升溫至870℃晶化處理8小時(shí)，得到抗折強(qiáng)度110～150MPa、膨脹系數(shù)5～21×10-7/℃的玻璃陶瓷，球狀晶粒尺寸在20～100nm之間。
實(shí)施例3一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其重量百分比組成為SiO270％、Li2O 4％、Al2O315％、MgO 0.9％、ZnO 1％、CaO 0.4％、B2O30.2％、TiO21.8％、ZrO22.3％、K2O 1.0％、Na2O 1.0％、P2O51.6％、As2O30.4％、Sb2O30.4％。
按上述各組份配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火，再經(jīng)760℃核化1.5小時(shí)，然后升溫至950℃晶化處理4小時(shí)，得到抗折強(qiáng)度110～150MPa、膨脹系數(shù)5～21×10-7/℃的玻璃陶瓷，球狀晶粒尺寸在20～100nm之間。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其特征在于該玻璃陶瓷的重量百分比組成為二氧化硅70％、氧化鋰4％、氧化鋁15％、氧化鎂0.9％-1％、氧化鋅1％-1.1％、氧化鈣0.4％-0.5％、氧化硼0.2％、氧化鈦1.8％-3.2％、氧化鋯2.0％-2.3％、氧化鉀和氧化鈉的混合物2％-2.1％、五氧化磷0.1％-1.6％以及氧化砷和氧化銻的混合物0.8％。
2.一種如權(quán)利要求1所述的含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷的制備方法，其特征是將所述玻璃陶瓷組成成分研磨均勻后配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火；再經(jīng)600～800℃核化1～4小時(shí)，然后升溫至700～1000℃晶化處理1～12小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其重量百分比組成為二氧化硅70％、氧化鋰4％、氧化鋁15％、氧化鎂0.9％－1％、氧化鋅1％－1.1％、氧化鈣0.4％－0.5％、氧化硼0.2％、氧化鈦1.8％－3.2％、氧化鋯2.0％－2.3％、氧化鉀和氧化鈉的混合物2％－2.1％、五氧化磷0.1％－1.6％以及氧化砷和氧化銻的混合物0.8％。其制備方法如下將上述玻璃陶瓷組成成分研磨均勻后配置成混合料，經(jīng)1550～1650℃熔制，成型，退火；再經(jīng)600～800℃核化1～4小時(shí)，然后升溫至700～1000℃晶化處理1～12小時(shí)。用本發(fā)明的制備方法制得的含磷鋰鋁硅玻璃陶瓷，其晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)，且熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高。
文檔編號(hào)C03B32/00GK1785871SQ20051006130
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月28日
發(fā)明者郭興忠, 陳明形, 潘頤, 韓陳, 宋芳芳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)