[发明专利]大面积晶粒定向玻璃陶瓷片状材料的制法

说明书

本发明涉及一种制造大面积晶粒定向玻璃陶瓷的方法，属于无机非金属材料领域，特别是属于精细复合材料范畴。

晶粒定向玻璃陶瓷是在一定温度梯度条件下从玻璃基质中生长出晶粒指向某一特定方向的玻璃陶瓷，制造此种玻璃陶瓷的技术，称作精细复合技术，制出的晶粒定向玻璃陶瓷与普通的玻璃陶瓷不同点在于其有很高的定向度，各向异性，用于制造压电、热释电等器材。晶粒定向玻璃陶瓷于80年代初由美国宾州州立大学材料研究室首先研制出来，现有水平为采用高梯温场定向析晶技术，即：将圆柱状玻璃的端面抛光，放置在金属或非金属材料的基片上，在高梯温场中进行微晶化处理，梯温场是由铂丝为发热体的管式电炉产生，根据析晶温度确定热处理温度曲线，使玻璃加热析晶，最后得到厚度为8mm左右的定向玻璃陶瓷，制品的最大直径只能达到25mm，最后切开成所需要的厚度应用。其制造特点是：生长的晶粒定向玻璃陶瓷厚度较大，但其设备和工艺条件复杂，不能制作大面积材料，而且不便于大规模生产。1983年日本报道了使用滚筒压延法，经恒温处理制得厚度为0.3mm的Pb₅Ge₃O₁₁热释电晶粒定向玻璃陶瓷片状材料，其特点是：析晶处理工艺较高梯温场工艺简单，但滚筒压延法成型工艺复杂，处理厚度仅为0.3mm，因为材料太薄，作成大面积容易变形。除此之外，迄今尚未发现其它报导，在国内，本申请人是最早从事晶粒定向玻璃陶瓷研究的，从美、日等国目前对晶粒定向玻璃陶瓷的制造方法看出，现有技术很难实现大面积晶粒定向玻璃陶瓷的制造工艺问题，但高新科学技术的发展急需解决大面积晶粒定向玻璃陶瓷的制造问题，同时，制造工艺复杂，成本高、生产规模小也是目前迫切需要解决的问题。

本发明的任务就是根据高新科学技术对大面积晶粒定向玻璃陶瓷的需求，分析现有技术所存在的问题，在深入研究玻璃陶瓷定向机理和晶化理论的基础上，探求简化工艺过程和加工设备，降低成本，生产出大面积晶粒定向玻璃陶瓷的方法，使此种材料获得更广泛的应用。

本发明大面积晶粒定向玻璃陶瓷片状材料的制法主要是将配合料熔融均化，成型为薄片玻璃并进行退火，两面抛光，置于均匀的温度场中，在其析晶温度范围内，进行晶粒定向微晶化处理，使其充分析晶，再进行后加工，即从厚度中央剖为两片，将接近中央的非定向析晶过渡层去掉，得到两片晶粒定向方向一致的玻璃陶瓷片状材料。

以下结合说明书附图对本方法详述如下：

（1）针对使用要求，选取可析出晶粒定向玻璃陶瓷的玻璃系统，加热熔融并均化，浇注成型为薄片玻璃，两面抛光，为了后加工方便和省料，在浇注和加工时使其最终厚度大于两倍自然厚度0～3mm，要求表面光洁。

上述玻璃自然定向厚度的定义是：对块状玻璃在其析晶温度范围内进行充分定向析晶处理，在玻璃表面析出一定厚度未被非定向析晶干扰过的定向层，这一厚度称为玻璃自然定向厚度。

玻璃自然定向厚度的确定方法如下：先将所采用的玻璃进行差热分析，确定其析晶温度范围，将2×2×1的薄片玻璃一面抛光，置于温度均匀的炉内，在析晶温度范围内使其充分定向析晶，将定向析晶后的玻璃从中间切开，显出2×1m端面，对端面在显微镜下进行观察，有一条较明显的非定向析晶过渡界线，从界线到表面的距离，即为玻璃自然定向厚度。

（2）玻璃的定向微晶化处理，将玻璃置于表面光洁、平整的金属或非金属板上，放在均匀的温度场中，在其析晶温度范围内，使其充分晶化，升温速度应控制在样品不炸裂，热处理时间以玻璃充分晶化为原则，最高热处理温度应控制在样品不变形，本玻璃系统的析晶温度一般在400～1100℃之间，析晶时间在2-10小时，热处理曲线可有多种，其中以下面两种较好，其一为以一定速度升温至析晶温度下限，再以另一种升温速度升温至析晶温度上限，在上下限温度之间完成析晶，其二为以一定升温速度升温至析晶温度范围，保温至充分析晶。用以上的处理工艺最大可处理Φ80-100m/m制品。

（3）晶粒定向玻璃陶瓷的后加工，经上述热处理工艺获得的晶粒定向玻璃陶瓷片状材料，晶粒定向方向垂直于玻璃的表面，在片状玻璃的两面同时向内生长为定向层，其中央为从析晶中排挤出的气泡，杂质等缺陷，还有不定向析晶物，总称为非定向析晶过渡层（见图1），后加工就是从厚度中央剖为两层，将靠近中央部分的非定向层加工掉，可得到两片定向层完整的玻璃陶瓷片状材料（见图2），对于晶粒定向的玻璃陶瓷，其定向方向单一。

附图说明

图1    经定向微晶化处理后的片状材料半成品