[发明专利]一种钛酸锆/假蓝宝石复相微晶玻璃材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种钛酸锆/假蓝宝石复相微晶玻璃材料及制备。其特点是在MgO‑Al₂O₃‑SiO₂（MAS）体系中，加入高掺量的TiO₂和ZrO₂作为晶核剂。经配料、高温熔制后得到均匀的玻璃液，玻璃液在倒入预热的铸铁模具中成型，再经退火消除部分热应力，得到均匀透明，无明显气泡的基础玻璃。再采用两段热处理方法，以一定的升温速率，控制基础玻璃在不同的温度下依次进行核化、晶化，析出钛酸锆和假蓝宝石晶相，最终得到复相微晶玻璃。本发明通过在MAS体系中加入高掺量的TiO₂和ZrO₂，制备出了力学性能好，介电常数和介质损耗均较低的钛酸锆/假蓝宝石复相微晶玻璃，该微晶玻璃有望用于无线充电和移动通讯领域。

技术领域

本发明涉及微晶玻璃制造技术领域，具体涉及一种钛酸锆/假蓝宝石复相微晶玻璃材料及制备方法。

背景技术

由于无线充电目前常用的Qi标准是利用电磁感应原理对手机进行充电，其工作频率为100-205kHz。为了使电磁波能够顺利穿过手机后盖，需要后盖材料具有低的介电常数和低的介质损耗（低介低损耗）。玻璃材料具有可加工性较好，低介低损耗的优点，但是玻璃较高的脆性仍然是限制其应用的主要原因之一。陶瓷材料也具有较低的介质损耗，并且可以获得较高的强度。但是陶瓷不能像玻璃那样利用热弯工艺加工成曲面手机后盖，一般采用计算机数控车床技术对陶瓷进行机械加工，导致其成本相对较高。

微晶玻璃是采用合理的热处理制度控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料，特殊的形成机理使其可以兼具玻璃和陶瓷的诸多优良性质，如低介低损耗、力学强度高、导热性良好等。微晶玻璃的性能主要来源于其中的晶相，其中MgO-Al₂O₃-SiO₂（MAS）系α-堇青石微晶玻璃的介电常数（ε_r=9.9）和介质损耗（Q×f=28600GHz）均较低，并且谐振频率温度系数（τ_f）在晶核剂TiO₂的调控下也可以趋于0，维氏硬度在4.5-8.0GPa之间，抗弯强度一般处于62-175MPa的范围内。Harbi等制备了堇青石-假蓝宝石-尖晶石三相复合的MAS系微晶玻璃，其维氏硬度最高可以达到8.14GPa（CeramicsInternational，2014，40(4)，5283-5288）。

尽管MAS体系微晶玻璃有众多优点，但是在不含晶核剂的MAS系微晶玻璃中，析晶方式总是表面结晶，从而导致结晶度较低，力学强度明显下降。钛酸锆和假蓝宝石也是两种介电性能较好的晶相，Yang等制备的钛酸锆陶瓷介质损耗较低（Q×f=26741GHz），介电常数为41.93，τ_f为-2.3ppm/℃（Ceramics International，2019，46(4)，4543-4549）。杨海波等研究了堇青石-假蓝宝石复相陶瓷的介电性能，当假蓝宝石的加入量为60mol%时，复相陶瓷的介电常数为7，介质损耗为4×10^-3（第十三届全国高技术陶瓷学术年会，2004）。因此在MAS体系中加入ZrO₂和TiO₂这两种晶核剂，制备钛酸锆/假蓝宝石复相微晶玻璃，可以具有良好的力学性能和介电性能。此外，由于微晶玻璃也可以通过在基础玻璃阶段进行热弯加工，再晶化得到曲面微晶玻璃，从而使最后得到的复相微晶玻璃材料有望用于支持无线充电的手机后盖材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低介低损耗，维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度均高的微晶玻璃材料及其制备方法。