[发明专利]韧性堇青石玻璃-陶瓷

说明书

发明领域

本发明涉及包含堇青石的增韧的玻璃-陶瓷混合物。

发明背景

在高温应用中，晶体材料与相应的玻璃态材料相比常具有优良的耐热变形 性。晶体制品通常通过烧结制造。烧结具有一些缺陷，包括产生空隙和需要进 行压制。相反，玻璃态制品能以几乎无空隙的状态浇铸。不幸的是，玻璃态材 料在远低于其理论熔点时可能发生热变形。

现有技术揭示晶粒可以从最初的玻璃态材料退火，因而形成玻璃-陶瓷。 玻璃-陶瓷与玻璃相比提高了耐热变形性。首先，通常在高于液相线温度将玻 璃成形，然后在高于成核温度进行退火。玻璃在高于其液相线温度时的流体特 性使其能够通过浇铸进行成形。成核温度是在玻璃内晶体开始形成和生长的温 度。选择的成核温度应低于玻璃可能发生热变形时的温度。在退火期间，晶粒 核化，开始生长，并最终包括了材料的大多数。高熔点化合物如二氧化钛能促 进成核。当温度低于晶体的熔化温度时，晶体通常比相应的玻璃具有显著低的 热变形。在要求耐热变形性的各种应用中一直使用玻璃-陶瓷。

一种这样的玻璃-陶瓷组合物包括包含堇青石的主晶相。堇青石是硅酸铝 镁，S.D.Stookey在美国专利第2,920,971号中对其进行了描述，堇青石可以 用于需要难熔材料的应用。堇青石玻璃-陶瓷具有良好的硬度和耐热变形性， 但是具有热膨胀系数(CTE)高和只有平均断裂韧性的缺陷。例如，一种堇青石 玻璃-陶瓷的断裂韧性为2.2MPa·m^0.5，在25-1000℃的温度范围内的平均CTE 为57 x 10^-7/℃。差的断裂韧性导致形成裂纹并扩大，这样会使制品在应力下破 碎或断裂。高CTE降低了耐热冲击性。较低的断裂韧性和较高的CTE限制了堇 青石玻璃-陶瓷的应用。

在要求较低CTE和较高断裂韧性的应用中使用氮化硅。氮化硅的CTE约为 30 x 10^-7/℃，断裂韧性约为6MPa·m^0.5。氮化硅比大多数金属具有更好的高温性 能，综合了高强度、蠕变阻力和抗氧化性。这些性质使氮化硅可以替代涡轮和 往复式发动机中的金属，并用作发动机部件、轴承和切削工具。此外，与大多 数陶瓷材料相比，氮化硅的低热膨胀系数提供了良好的耐热冲击性。否则作为 不足之处，氮化硅可能很难产生完全致密的材料(经常需要进行热压)，不容易 烧结，在某些条件下可能发生氧化，并且不能加热超过1850℃，超过该温度会 分解为硅和氮。这些缺陷使氮化硅部件成本高，因而限制了使用氮化硅部件的 应用。

因此需要替代氮化硅的材料。所述材料应相对价廉并容易制造。较好地， 应能够经受模塑，并结合了低CTE和高断裂韧性。

发明概述

本发明描述内部核化的堇青石玻璃—陶瓷。堇青石玻璃—陶瓷结合了良好 的断裂韧性与低CTE。此外，本发明可以以液体浇铸，但是在退火后基本为晶 体，并具有高硬度、高杨氏模量、良好的热稳定性、高强度、低密度和良好的 介电性质。

本发明的堇青石玻璃—陶瓷具有包含联锁的晶相的微结构，所述联锁的晶 相主要是基本上由拉长的堇青石晶粒组成的第一相和具有拉长的或针状结构 的第二相。还可以存在第三相，第三相包含能够形成孪晶(twinning)的晶体陶 瓷。与形成孪晶相关的能量可以进一步提高断裂韧性。

本发明的玻璃—陶瓷涉及内部核化的堇青石玻璃—陶瓷。所述堇青石玻璃 —陶瓷结合了以下特性：在2.5-6.0MPa.m^0.5范围的高断裂韧性；在25-1000 ℃的温度范围内为20-50 x 10^-7/℃的低热膨胀系数；努普值(Knoop)大于800 的高硬度；大于10GPa的高杨氏模量；在高于或等于1200℃的热稳定性；一 般大于200MPa的高强度；约2.5-2.9g/cc的低密度；以及具有高电阻率、 低介电常数和损耗正切的良好介电性质。本发明还涉及一种堇青石玻璃—陶 瓷，通过产生联锁晶相的微结构来实现高断裂韧性，在该联锁晶相中，堇青石 占主导，且至少有一个相被高度拉长或呈针状。任选地，希望另外有一个能够 形成薄片孪晶的相，例如但不限于顽辉石(MgSiO₃)和/或钙长石(CaAlSi₂O₈)。已 知孪晶能提高断裂韧性。