[发明专利]一种改善微晶玻璃结构和性能的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种改善微晶玻璃结构和性能的新方法，该方法属于特种玻璃材料及生产技术领域。

背景技术

微晶玻璃是由基础玻璃经控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的材料。微晶玻璃由于结合了玻璃和陶瓷的优良性能，因而作为结构材料、技术材料、光学和电学材料、建筑材料、装饰材料等广泛应用于电子、化工、生物医学、机械工程、军事、建筑及生活各个领域，具有广泛应用前景。

自1957年，美国康宁公司的Stookey发明了微晶玻璃以来，微晶玻璃得到了迅速发展，国内外进行了大量研究工作。微晶玻璃作为一种多晶陶瓷材料，其综合性能主要决定三大因素：原始玻璃的化学组成、微晶体的尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量。一般认为，结晶相数量多一些对玻璃的机械强度、硬度、以及耐磨性、化学稳定性的提高将起有利的作用。另外，细晶结构也是微晶玻璃获得一系列优越性能的前提，大量试验结果表明：晶粒越小、越均匀，强度就越高。微晶玻璃的原始组成不同，其晶相的种类也不同，微晶玻璃的性能也存在很大差异性。根据原始玻璃所含主要组分可以分为：硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐等几大类。而微晶体的尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量是由微晶玻璃晶化热处理制度、晶核剂的种类和用量决定的。当微晶玻璃组成一定时，这些因素主要由热处理制度决定，通过调节热处理制度来合理调整材料的晶相含量、显微结构和性能。

就微晶玻璃本身而言，可以通过改变原始玻璃的化学组成、晶核剂的种类和含量及核化和晶化的热处理制度来改变微晶玻璃性能，这是一种最有效、也是最根本的方式，很多的研究人员通过上述三种方式分别获得了性能不同的微晶玻璃，如耐高温、耐热冲击、高强度、耐磨、易机械加工、低膨胀、光敏性、低介电损耗、强磁性和生物相容等不同性能的微晶玻璃。另一种途径是通过与增强体复合或表面修饰来改变微晶玻璃的性能，主要有：通过添加纤维、片晶或晶须与微晶玻璃复合，通过氧化锆相变增韧和增强，自增韧和增强技术，采用热压形变工艺形成择优定向晶体增强微晶玻璃，采用离子交换技术，通过表面施釉等获得不同性能的微晶玻璃，目前通过与增强体的复合是主要的技术。但是，增强体(如晶须、纤维或片晶)在基体中分散，导致了材料内部具有较高的平均剪切应力，从而降低了复合材料的烧结速率，使烧结变得十分困难。同时，研究发现增强体(如晶须、纤维或片晶)加入复合材料基体中，增强体在复合材料中易形成刚性网络骨架，不利于复合材料组分的均匀分散。特别要指出的是晶须是致癌物质，对人体健康不利，许多发达国家已禁止使用。所以，外加增强体不是提高微晶玻璃性能的最佳途径。为此人们还是希望寻找自身因素改变改善微晶玻璃性能的方法。

发明内容

本发明目的是为了寻找一种能通过自身因素的变化来改善微晶玻璃性能的途径，依据母体玻璃热历史对玻璃晶化后微晶玻璃中微晶相种类、形状及尺寸和微晶体与玻璃相的比例的微观影响关系，提供一种改善微晶玻璃结构和性能的方法。

其基本原理：玻璃在化学组成确定的情况下，一定的热历史必然对应其相应的结构状态，而一定的玻璃结构状态又将直接影响到玻璃的析晶能力、析出的晶相种类、微晶相的形状及尺寸大小和微观结构。因此，在不改变母体玻璃化学组成或化学组成改变不大的情况下，可通过改变母体玻璃的热历史来改变母体玻璃的微观结构，而母体玻璃的微观结构必将影响到玻璃的核化、晶化和晶相组成、大小及比例，最终改变微晶玻璃的微观结构和性能。

本发明为解决其技术问题采用以下工艺方案：一种改善微晶玻璃结构和性能的方法，控制玻璃熔体转变成母体玻璃的制备过程，即通过控制玻璃在应变点和软化点温度区间内一定温度下保温一定的时间来改变母体玻璃的热历史，从而改变母体玻璃的微观结构，而母体玻璃的微观结构必将影响到母体玻璃的核化和晶化过程，最终生产出性能可控的微晶玻璃。

通过控制玻璃熔体冷却至一定温度下保温一定时间或熔体直接冷却至常温后再升温至一定温度下保温一定时间来改变母体玻璃的热历史，进而改变母体玻璃的结构，以获得结构不同的母体玻璃，再按各自的热处理工艺制度进行核化和晶化处理获得微观结构和性能不同的微晶玻璃。

所述一定温度指在应变点和软化点温度区间内任一温度，所述保温一定时间指在应变点和软化点温度区间内任一温度下保温1-500小时。

在析晶峰温度下进行热处理，升温速度为1-50℃/min，热处理制度为：核化温度下保温1-10小时，晶化温度下保温1-10小时，获得微晶玻璃。

玻璃配合料熔制温度为1350℃-1650℃，并在该温度下保温1-10小时，并重熔一次，得到玻璃熔体。