[发明专利]一种新型透明玻璃陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，特别提供了一种高结晶度(晶相含量大于95％)，零气孔率，微米级晶粒尺寸，在可见光范围透过率大于75％的新型透明玻璃陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

透明玻璃陶瓷(Glass-ceramics，也称微晶玻璃)是近些年发展起来的一类新型功能材料，和晶体材料相比，其除了具有制备成本低，可以批量化生产，易于制备出复杂形状和大尺寸的样品等显而易见的优点外，还由于制备技术本身的特点使其具备激活离子掺杂量高、微结构易于调控等优点；另外，与以烧结方式制备的透明陶瓷材料相比，其不容易在多晶内部产生缺陷、色心、吸收、散射等，这些显著的优点使得透明玻璃陶瓷有望取得广泛应用，如固体激光介质材料、闪烁材料、以及信息、照明等民用领域。透明玻璃陶瓷的研究近几年得到国内外学者的广泛关注，近3年关于透明玻璃陶瓷研究的SCI收录论文达近百篇，从这些透明微晶玻璃的化学组成来看，主要集中在氟氧化物体系、硫卤化物体系、氧化物-氮化物体系等。由于析出晶相的化学组成、物理性能与基体玻璃相有较大的差异，这些透明微晶玻璃的共同特征是晶相含量通常较低(小于70％)，并且要控制晶相晶粒尺寸在几十个纳米，否则玻璃的透过率会非常不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型Na₂O-CaO-SiO₂系透明玻璃陶瓷及其制备方法。该Na₂O-CaO-SiO₂系透明玻璃陶瓷材料由于在晶化过程中析出相(Na₂Ca₂Si₃O₉)和玻璃基体相的化学成分连续变化，即析出晶相的化学成分与基础玻璃相似，从而使得两相之间的折射率差异极小，因而 可以得到高度晶化、大晶粒尺寸的透明玻璃陶瓷样品。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

本发明的透明玻璃陶瓷的基质玻璃的主要原材料为Na₂O、CaO、SiO₂，添加少量的ZrO₂、TiO₂提高材料的析晶性能；微量的NH₄NO₃、Sb₂O₃主要起澄清作用，保证玻璃熔化均匀，没有气泡。Na₂O-CaO-SiO₂系透明玻璃陶瓷成分配比如下表所示：

所述玻璃陶瓷的原料组分及最佳质量百分比含量为：19.2％Na₂O，27.5％CaO，48.3％SiO₂，2.5％TiO₂+ZrO₂，0.5％Sb₂O₃，2％NH₄NO₃。

本发明的Na₂O-CaO-SiO₂系透明玻璃陶瓷的制备所采用的工艺包括如下流程：组分设计-配料-球磨混合-高温熔化-浇注成型-受控晶化-冷加工(样品)。

在上述工艺中，采用传统的熔融整体晶化法制备Na₂O-CaO-SiO₂系透明玻璃陶瓷，按上述成分配比组成配料，球磨2～3小时后在1400-1450的硅钼棒电炉中熔融2～3h，将熔融好的玻璃液浇铸成型，450℃～500℃退火后700℃～800℃晶化处理，得到高度晶化、大晶粒尺寸的透明玻璃陶瓷样品，图2是本发明制备的透明激光玻璃的扫描电镜形貌，显示本发明的样品晶粒尺寸。

具体的工艺步骤为：

(1)玻璃熔炼：按所述Na₂O-CaO-SiO₂系透明激光玻璃陶瓷原料的组分及含量的配置料在行星球磨机中均匀混料3小时后，倒入刚玉坩埚，在硅钼电阻炉内于1450℃熔融3小时，注入预热的不锈钢模具，使熔体迅速降温固化成型；

(2)玻璃退火：将成型后的玻璃体迅速置于500℃马弗炉内保温2小时，然后随炉降至室温，得到块体透明玻璃；

(3)玻璃切割：用切割机将制备的玻璃制品切割成小块，用于后续 晶化热处理；

(4)玻璃热处理：根据差热分析曲线确定玻璃晶化热处理制度，将切割后的小块样品在675℃核化2小时后在725℃晶化2小时，获得透明玻璃陶瓷；