[发明专利]具有低热膨胀或负热膨胀的陶瓷和玻璃陶瓷

说明书

本发明涉及具有低热膨胀系数和/或负热膨胀系数的陶瓷和玻璃陶瓷。因此，本发明的目的是指出在低熔化温度下以尽可能小的花费可制备具有低热膨胀或负热膨胀的陶瓷和/或玻璃陶瓷的可能方式。根据本发明，该目的通过式AM2Si2‑yGeyO7（A=Sr和Ba和M=Zn、Mg、Ni、Co、Fe、Cu、Mn，其中Sr、Ba和Zn必须被包含）的结晶相来实现，所述结晶相可以通过常规的陶瓷工艺或通过从玻璃结晶来制备。所给出的组合物形成固溶体，其中列举为组分M的元素可以几乎任意浓度相互取代，但Zn的浓度必须始终为M下列举出的所有组分的总和的至少50％。这些硅酸盐的化学计量及其结构可以或多或少地大为不同。

本发明涉及具有低热膨胀系数和/或负热膨胀系数的陶瓷和玻璃陶瓷。

大多数材料在温度升高时膨胀。但是，有一些材料随着温度的升高收缩或仅很少膨胀。由玻璃陶瓷制成而没有显著热膨胀的产品的最著名的实例之一是公司Schott的Ceran®，并且例如用于制备玻璃陶瓷灶台(kochfeldes)。这样的灶台包含主要成分SiO2、Al2O3和Li2O。在此，通过低膨胀或负膨胀的硅酸铝锂的结晶来决定性地实现膨胀行为。在相关的温度范围内，这种材料具有接近于零的热膨胀系数。甚至许多热循环负荷和温度冲击在这种材料中仅引起非常小的热应力，这通常不会导致机械故障，即断裂。缺点是在这种玻璃陶瓷的制备中必须产生非常高的工艺温度，有时高于1600℃。

这种零膨胀材料也用于精密应用，例如，大尺寸的望远镜镜面或者在微光学中。这些材料在很多应用领域当然是可以想到的，在这些应用领域需要在或多或少较宽的温度范围内的耐热冲击性，例如，在烹饪用具的情况中。

上述的负热膨胀或非常小的热膨胀可通过具有低膨胀或负膨胀的结晶相来实现，例如β-锂辉石（LiAlSi2O6的高温变体）、β-锂霞石（LiAlSiO4）、堇青石（Mg2Al2Si5O18）、高温石英-或β-石英-混合晶体。这些是众所周知的并且在各种文章中详细描述（例如在J. N.Grima，V. Zammit，R. Gatt，Xjenza 11, 2006, 17-29或G. D. Barrera，J. A. O. Bruno，T. H. K. Barron，N. L. Allan，J. Phys.: Condens. 2005年第17期，R217-R252）。

除了各种玻璃陶瓷之外，熔融石英也具有非常低的膨胀系数（0.5·10-6 K-1），其可以通过掺杂TiO2而进一步降低。然而，由于极高的熔化温度（> 2200℃），该材料的制备困难、复杂且因此昂贵。

具有负热膨胀的其它结晶相是在WO 02/22521 A1中描述的ZrW2O8、HfW2O8、ZrV2O7和HfV2O7。然而，迄今为止还没有关于这些相由其结晶并且然后其热膨胀系数接近于零的玻璃的说法。另外，这些材料通常是昂贵的（特别是在钨化合物的情况下）并且可能含有有毒组分（钒化合物）。包括负膨胀或低膨胀的材料的其它专利文献如下列举出。