[发明专利]高热膨胀环硅酸盐玻璃-陶瓷

说明书

优先权

本发明要求下列三个专利的优先权：(1)美国专利申请No.11/402，761，2006 年4月11日提交，题目HIGH THERMAL EXPANSION CYCLOSILICATE GLASS-CERAMICS(高热膨胀性环硅酸盐玻璃-陶瓷)；和(2)美国专利申请 No.11/546，237，2006年10月11日提交，题目GLASS-CERAMIC SEALS FOR USE IN SOLID OXIDE FUEL CELLS(用于固态氧化物燃料电池的玻璃-陶瓷密 封材料)和(3)美国专利申请No.11/708242，2007年2月20日提交，题目HIGH THERMAL EXPANSION CYCLOSILICATE GLASS-CERAMICS(高热膨胀性 环硅酸盐玻璃-陶瓷)。

发明领域

本发明是涉及高度结晶、玻璃料烧结的玻璃-陶瓷，其中主晶相具有环硅 酸盐晶体结构。该材料可用作金属与金属、金属与陶瓷和陶瓷与陶瓷的密封材 料以及用于金属和陶瓷的高性能涂层。

发明背景

玻璃-陶瓷是通过玻璃制品前体的受控制的结晶形成的多晶材料。通过对 整体料玻璃进行热处理使其转变为结晶状态来制备玻璃-陶瓷。这被称为“内部 成核”或一种“大块”或“整体玻璃-陶瓷形成过程”。

玻璃-陶瓷还可以通过烧结玻璃料来制备，这被称为粉末工艺方法。将玻 璃缩小到粉末状态，形成要求的形状，烧结并结晶为玻璃-陶瓷态。在这个过 程中，玻璃颗粒的残余表面作为结晶相的成核位。选择玻璃组成、颗粒尺寸和 工艺条件，以便玻璃在结晶化之前先软化，并刚好在结晶化过程完成之前经过 粘性烧结至最大密度。成型方法包括但不局限于挤出成型、注浆成型、流延成 型、喷雾干燥和等静压成型。

烧结的玻璃-陶瓷材料具有适于多种应用的性能。这些应用的例子包括高 强结构复合材料；影响金属与金属、金属与陶瓷和陶瓷与陶瓷密封的密封剂， 包括气密密封的玻璃与陶瓷电子连通密封件；和微反应器和生物试验设备中的 密封剂。虽然已经有多种材料被用作密封剂，例如，其中的环氧树脂和胶合剂， 但是在这个领域还需要改进。本发明公开了用作金属和陶瓷的密封材料和高温 涂层的玻璃-陶瓷材料。

本发明涉及适合形成用于各种应用的玻璃-陶瓷材料的新组合物。特别地， 本发明的玻璃-陶瓷材料可以用作密封剂和金属、金属合金及陶瓷的高性能涂 层。

发明概述

在一方面，本发明涉及在环硅酸盐晶体结构中包含二氧化硅和一种或多种 钙、钡、锶的氧化物的玻璃-陶瓷材料。

在另一方面，本发明涉及玻璃-陶瓷组合物，以重量百分比计，所述组合 物包含：

30-55％的SiO₂，

5-40％的CaO，

0-50％的BaO，

0.1-10％的Al₂O₃，和

0-40％的SrO，

前提是CaO+BaO+SrO的总和在35-65wt.％的范围内。在一些实施方式中 CaO+BaO+SrO的总和在40-65wt.％的范围内。玻璃-陶瓷组合物具有玻璃相和 结晶相。结晶相具有选自瓦硅钙钡石(walstromite)、环硅灰石(cyclo-wollastonite) 和μ-(Ca，Sr)SiO₃(包括其固溶体)的至少一种环硅酸盐结晶成分。玻璃陶瓷还可 选择地包含选自锌黄长石、透辉石和镁黄长石的一种或多种附加结晶成分。

在另一方面，本发明涉及包含(以重量百分比计)30-55％的SiO₂、5-40％的 CaO、0-50％的BaO、0.1-10％的Al₂O₃和0-40％的SrO的组合物，该组合物可 任选地或另外还包含大于0(>0)至所指示的最大值的选自下列氧化物的至少一 种氧化物

>0-16％的MgO，和

>0-10％的ZnO，

规定CaO+BaO+SrO+MgO的总和在35-65wt.％的范围内。