玻璃-陶瓷材料及其生產方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種玻璃-陶瓷材料及其生產方法，其中生態(tài)地生產具有低膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷，其中所述方法包括以下步驟：原料批料制備(101)、熔融(102)、最終組合物的批料補償(103)、氣泡精制(104)、成形工藝(105)和陶瓷化(106)。優(yōu)選地，該玻璃-陶瓷以wt%計包含：60-70的SiO2，15-25的AI2O3，0.5-5的B2O3，3-8的Li2O，0.5-2的Na2O，0.1-0.8的K2O，0.1-1.5的BaO，0-0.5的CaO，1-2.5的ZnO，1-4的TiO2，1-4的ZrO2，0.1-2.5的P2O5，0-0.5的MgO。批料補償步驟(103)由熔融工藝(102)期間添加0.5-5wt%的B2O3和0.1-2.5wt%的P2O5組成。代替氧化物原料，使用碳酸鹽(例如Li2CO3)，硝酸鹽(例如KNO3)，或硫酸鹽。
【專利說明】玻璃-陶瓷材料及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種玻璃-陶瓷材料及其生產方法，其中生態(tài)地生產具有低膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷。
現(xiàn)有技術
[0002]玻璃-陶瓷可以通過特殊設計的玻璃的受控結晶來獲得。與其玻璃等效物相比，這些玻璃-陶瓷是高度結晶的材料，其具有更高的機械強度，沖擊強度和耐高溫性，以及更低的熱膨脹系數(shù)。它們可以廣泛地用于電絕緣材料，廚房用具，牙科應用，植入物以及空間探測。 [0003]如今，鋰-氧化鋁-硅酸鹽(LAS)玻璃陶瓷是非常流行的，原因是具有高透明度和耐熱震性。LAS玻璃-陶瓷具有兩個重要的結晶相，β_石英固溶體(Li20-Al203-2Si02)和β-鋰輝石(Li20-Al203-4Si02)。玻璃-陶瓷材料中具有這些相之一可以提高耐化學品性和降低熱膨脹系數(shù)。這些玻璃-陶瓷也顯示高耐熱震性和透明度。因為這個原因，它們可以在工業(yè)中找到廣泛的應用。但是，加工這些玻璃-陶瓷期間，特別是在熔融部分中，使用的一些氧化物(As2O3, Sb2O3和PbO等)容易揮發(fā)并污染環(huán)境。因為這個原因，必須為這些有害成分找到替代的生態(tài)友好的方法和氧化物。
[0004]在已知的技術之一中，美國專利號US5336643記錄生產具有低熱膨脹系數(shù)和高透明度并且便于用于光學領域的這些玻璃-陶瓷。在該玻璃-陶瓷組合物中，減少了類似于Al2O3^SiO2和P2O5的主要成分的量，增加了一定量的Mg0、Ba0和ZnO。另外，作為替代，也在該組合物中使用P2O5氧化物和TiO2和ZrO2成核劑。
[0005]在另一個技術文獻美國專利US6060412中，通過張力法(tension method)成形一種結晶的玻璃-陶瓷材料。該玻璃-陶瓷材料中的晶體尺寸小于5 μπι。該材料中的晶體量為10-85%，由受控結晶改變(changin)。另外，該材料的軟化溫度低于其熔融溫度。
[0006]在俄國專利RU2170715中提及玻璃-陶瓷材料的透明產品的另一個應用。依據(jù)該發(fā)明，用對環(huán)境友好的生態(tài)技術生產玻璃-陶瓷產品。另外，該產品可以用于陶瓷和航空工業(yè)。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的為提供一種生態(tài)玻璃-陶瓷材料及其生產方法，該方法不污染自然并且其中使用替代的氧化物來代替有害氧化物。
[0008]本發(fā)明的另一個目的是提供一種玻璃-陶瓷材料，其中該產品的耐性得到提高，并且具有高耐熱震性，以及提供其生產方法。
[0009]本發(fā)明的詳細解釋
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，在附圖中示例“一種玻璃-陶瓷材料及其生產方法”;
圖1.本發(fā)明的玻璃-陶瓷材料的生產方法的流程圖。
[0010]開發(fā)來實現(xiàn)本發(fā)明目的的“玻璃-陶瓷材料生產方法”(100)由以下步驟組成；-原料組合物的批料制備(101)，
-熔融(102)，
-最終組合物的批料補償(103)，
-氣泡消除(精制)(104)，
-成形工藝(105)，
-陶瓷化(106) ο
[0011]在用本發(fā)明的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)生產的最終產品的內含物中，存在能夠使玻璃-陶瓷具有高強度和耐熱震性的一個或多個高溫石英固溶體相。所述相的量不應小于70%。為生產具有這些性能的玻璃-陶瓷材料，首先必須進行原料批料制備(101)。該組合物由包含 Si02、A1203、Li2O, Na2O, K2O, BaO, CaO, ZnO、TiO2, Zr02、MgO 的多種氧化物制備。但是在這一點上，代替使用純的氧化物，使用它們每一種的碳酸鹽(如Li2CO3),氮化物(如K2 (NO3)2)或硫酸鹽(如BaS)。使用這些組分有助于熔融工藝，因為其降低以下階段中的熔融溫度。碳酸鹽、氮化物和硫酸鹽形式的這些氧化物或原料都不造成任何生態(tài)危害。
[0012]全部批料組合物在特制玻璃熔融爐中經(jīng)歷熔融工藝(102)，所述特制玻璃熔融爐耐受高溫和含堿溶液，并且由含有硅和鋯的高品質耐火材料制成。該步驟中，爐內溫度為1550至1700°C，取決于玻璃的組成。
[0013]與熔融(102)工序一起，向批料組合物中添加0.5-5重量％的B2O3和0.1-2.5重量％的匕05，以補償和 獲得最終組合物(103)。在該步驟的結尾，最終組合物將含有:60-70%的 SiO2,15-25% 的 Al2O3,0.5-5% 的 B2O3, 3-8% 的 Li2O, 0.5-2% 的 Na2O, 0.1-0.8% 的 K2O,
0.1-1.5% 的 BaO，0-0.5% 的 CaO，1-2.5% 的 ZnO，1-4% 的 TiO2,1-4% 的 ZrO2,0.1-2.5% 的 P2O5和0-0.5%的MgO，按重量計。
[0014]在對最終組合物的批料補償步驟加入的B2O3,降低混合物的粘度，并能夠消除熔融期間由于加入到原料中的碳酸鹽、硫酸鹽和氮化物分解而形成的氣泡(精制)(104)。較大尺寸的氣泡在熔體內快速移動，到達表面并從那里離開該熔體。但是，因為較小氣泡在粘稠熔體中移動慢的多，如果不干涉，它們可能陷在最終產品中。存在這些氣泡是不希望有的，因為它們降低最終產品的強度。添加B2O3還引起混合物的陶瓷化溫度降低至500-700°C。在低溫下進行的陶瓷化(106)是不希望有的，因為其引起最終產品的性能在其使用期間隨時間改變。通常，用于爐面的玻璃-陶瓷產品的工作溫度為400-600°C。在最終組合物的補償步驟(103)期間，添加P2O5增強陶瓷化溫度的降低。
[0015]在精制(氣泡消除)步驟(104)中，P2O5和B2O3 —起使用能夠消除氣泡并且調節(jié)適用于陶瓷化工藝(106)的溫度。
[0016]高溫下熔融的玻璃糊然后經(jīng)歷成形工藝(105)。成形工藝(105)可以用非常不同的方法進行，例如吹制，流延棍(casting- roller),拉制和浮動(floating)。
[0017]成形的玻璃在下一個階段中經(jīng)歷陶瓷化(106)。該工藝的目的是形成細粒結構并因此改善最終產品的強度和耐磨性。陶瓷化工藝(106)在5-24小時的時間內在800-950°C進行。
[0018]本發(fā)明范圍中使用的SiO2能夠獲得玻璃-陶瓷相并提高最終產品的強度。
[0019]該組合物中的Al2O3為玻璃提供低熱膨脹性能和透明度。另外，其為高二氧化硅含量β_石英固溶體相內的組分并提高玻璃強度。[0020]Li2OS β_石英固溶體結構的一部分。此外，其促進玻璃陶瓷熔融(102)期間的熔融，并由此形成低粘度液體。這進而提高熔體的均勻性。
[0021]添加Na20、K20、Ca(^PBaO以改善玻璃的熔融特性。但是，這些添加劑提高玻璃-陶瓷最終產品中的殘留玻璃相量。因為這個原因，必須限制它們的量。
[0022]B2O3用來消除熔融工藝期間玻璃-陶瓷中形成的氣泡。B2O3降低熔體粘度，提高氣泡到達表面的速率。用這種方法，因為當變?yōu)樽罱K產品時，玻璃將含有少得多的缺陷，因此其將具有更高的強度。
[0023]TiO2和ZrO2 —起以混合物形式使用，以能夠快速成核并提高工藝效率。成核和透明度取決于Ti02/Zr02比率。[0024]構成陶瓷化(106)的兩個重要步驟的成核和晶粒生長的控制可以由高溫X射線衍射儀在短時間內和以有效方式測定。
[0025]用該設備獲得的結果已經(jīng)顯示由本發(fā)明中使用的來自硼砂原料(Na2B4O7.1OH2O)的B2O3將陶瓷化(106)溫度降低至較低程度。但是，因為一個已知的事實，低于800°C的陶瓷化(106)溫度不是優(yōu)選的。因為這個原因，將P2O5加入到混合物中，以將最佳結晶溫度提高到高于所述值。因為一個已知的事實，P2O5的存在提高晶體形成的量以及將晶體形成溫度提高至高的程度。
[0026]在這些基本概念之下，可以形成本發(fā)明的玻璃-陶瓷材料及其生產方法(100)的各種實施方案。本發(fā)明并不受這些給定實例的限制，本發(fā)明基本上如權利要求中限定的。
【權利要求】
1.一種玻璃陶瓷材料生產方法(100)，其包括以下步驟: -原料組合物的批料制備(101)， -熔融(102)， -最終組合物的批料補償(103)， -氣泡消除(精制)(104)， -成形工藝(105)， -陶瓷化(106)； 其特征在于以下步驟
-原料制備(101)，其中使用包含 Si02、A1203、Li2O' Na2O, K2O, BaO, CaO, ZnO, TiO2, ZrO2和MgO的多種氧化物 -最終組合物的批料補償(103)，其中熔融(102)工藝期間，向所述原料組合物添加0.5-5 重量 ％ 的 B2O3 和 0.1-2.5 重量 ％ 的 P2O5, -氣泡消除(104)，其中消除氣泡，并且通過聯(lián)合使用P2O5和B2O3化合物調節(jié)適用于陶瓷化(106)工藝的溫度。
2.根據(jù)權利要求1的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中代替使用純的氧化物，使用它們每一種的碳酸鹽(如Li2CO3),氮化物(如K2(NO3)2)或硫酸鹽(如BaS)以降低所述組合物的熔點并促進熔融工藝(102)。
3.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于熔融步驟(102)，其中在1550-1700°C的特制玻璃熔爐內加工原料組合物，所述特制玻璃熔爐耐高溫和含堿溶液并由含硅和鋯的高品質耐火材料制成。
4.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于最終組合物的批料補償步驟(103)，其中 Si02、A1203、B2O3' Li20、Na2O, K2O, BaO、CaO, ZnO, TiO2, ZrO2,P2O5 和 MgO 的氧化物分別以 60-70%, 15-25%, 0.5-5%, 3-8%, 0.5-2%, 0.1-0.8%, 0.1-1.5%,0-0.5%，1-2.5%，1-4%，1-4%, 0.1-2.5%和0-0.5%的重量比存在于所述組合物中，按重量計。
5.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于陶瓷化步驟(106)，其在800-950°C在5_24小時時間內進行，并且改善最終產品的強度和耐磨性。
6.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于成形工藝步驟(105)，其中可以進行不同的方法，例如吹制，流延輥，拉制和浮動。
7.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中SiO2能夠獲得玻璃-陶瓷相并且提高最終玻璃-陶瓷產品的強度。
8.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中Al2O3為最終玻璃-陶瓷產品提供低熱膨脹和透明度以及高強度性能。
9.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中Li2O促進玻璃陶瓷的熔融并提高熔融步驟(102)期間的均勻性，以及由此形成低粘度液體。
10.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中Na20、K2O, CaO和BaO改善玻璃-陶瓷的熔融特性。
11.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中B2O3降低熔體粘度，提高氣泡到達表面的速率，以及為最終玻璃-陶瓷產品提供高強度，因為玻璃將含有少得多的缺陷。
12.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中TiO2和ZrO2 —起存在，以能夠快速成核和提高工藝效率。
13.根據(jù)在前權利要求任一項的玻璃-陶瓷材料生產方法(100)，其特征在于原料組合物的批料制備步驟(101)，其中向混合物中添加P2O5,以將結晶溫度提高至高于800°C，因為低于所述值的陶瓷化(106)溫度不是優(yōu)選的。
14.一種玻璃-陶瓷材料，由以上權利要求任一項的方法獲得。
【文檔編號】C03C10/12GK103958426SQ201280048543
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年8月27日 優(yōu)先權日:2011年10月3日
【發(fā)明者】E.多勒克塞基 申請人:塔默·皮納爾奇