CN104478219A - 一种纳米尖晶石微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：56wt％～62wt％的SiO₂；19wt％～23wt％的Al₂O₃；6wt％～15wt％的ZnO；2wt％～6.5wt％的MgO；2wt％～6wt％的TiO₂；2wt％～7wt％的ZrO₂。在本发明中，SiO₂利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，形成硅酸盐的基本结构；晶体中的Al₂O₃可以利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，从而取代硅酸盐的晶格的SiO₄四面体，提高微晶玻璃的机械强度；MgO参与构成连续的网状结构，改善了微晶微晶玻璃的机械性能。本发明提供的纳米微晶玻璃具有较好的机械强度。

Description

一种纳米尖晶石微晶玻璃及其制备方法

技术领域

本发明涉及微晶玻璃技术领域，尤其涉及一种纳米尖晶石微晶玻璃及其制备方法。

背景技术

微晶玻璃是通过对某些特定组成的基础玻璃，在一定温度下进行受控核化、晶化而制得的微晶体在玻璃相中均匀分布的材料。它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是杂乱无章的，这就是为什么玻璃易碎的原因。而微晶玻璃就如陶瓷一般，是由晶体构成的，这就使得它内部的原子排列变得有规律了，所以微晶玻璃具有比陶瓷更高的亮度，比玻璃更强的韧性。

镁铝尖晶石有良好的光学透过率，并且耐磨损，耐腐蚀，耐高温，抗冲击，有较高的硬度和抗弯强度，以及优良的电绝缘性和化学稳定性，是一种理想的功能材料。镁铝尖晶石作为一种重要的功能材料被广泛的应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域，并日益受到更为广泛的重视；也被作为高级耐火材料广泛应用于水泥、化工等领域；特别是在特种环境下的耐火砖、水泥回转窑炉等方面应用取得了良好的效果。

镁铝尖晶石在自然界中广泛存在，但天然的镁铝尖晶石单晶体的品质不高，数量有限，因此其应用前景受到限制。微晶玻璃具有玻璃和陶瓷的双重特性，且由基础玻璃得到带有尖晶石相的微晶玻璃相对于陶瓷来说更加容易。范仕刚等(范仕刚,余明清,张林,赵春霞,陈广乐,王坤,刘杰,张联盟.纳米晶镁铝尖晶石透明微晶玻璃的晶化行为研究.稀有金属材料与工程,2007,36:322～324.)报道了一种纳米晶镁铝尖晶石透明微晶玻璃，玻璃中掺杂有0.1wt％～5wt％的CoO，将配合料放入铂金坩埚中，在1500℃熔制后将玻璃熔体浇铸在金属模具中成型，在600℃退火，最后在680℃～1000℃之间采用两步法热处理。但是其制备得到的微晶玻璃机械性能仍需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米尖晶石微晶玻璃及其制备方法，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃具有较高的机械强度。

本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：

56wt％～62wt％的SiO₂；

19wt％～23wt％的Al₂O₃；

6wt％～15wt％的ZnO；

2wt％～6.5wt％的MgO；

2wt％～6wt％的TiO₂；

2wt％～7wt％的ZrO₂。

优选的，还包括质量含量≤3.1wt％的BaO。

优选的，还包括质量含量≤3.6wt％的K₂O。

优选的，所述纳米尖晶石微晶玻璃的晶粒粒径为30nm～100nm。

本发明提供了一种所述纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

将硅源、铝源、锌源、镁源、钛源和锆源混合，得到混合料；

将所述混合料熔制和成型，得到基础玻璃；

将所述基础玻璃依次进行退火处理和成核处理，再以200℃/h～300℃/h的升温速率将温度升至微晶化温度，进行析晶处理，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

优选的，所述熔制的温度为1600℃～1650℃；

所述熔制的时间为2h～6h。

优选的，所述退火处理的温度低于所述基础玻璃的玻璃化转变温度。

优选的，所述成核处理在所述基础玻璃的玻璃化转变温度下进行。

优选的，所述析晶处理的温度为880℃～1050℃。

优选的，所述析晶处理的时间为5min～60min。

本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：56wt％～62wt％的SiO₂；19wt％～23wt％的Al₂O₃；6wt％～15wt％的ZnO；2wt％～6.5wt％的MgO；2wt％～6wt％的TiO₂；2wt％～7wt％的ZrO₂。在本发明中，SiO₂可以利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，形成硅酸盐的基本结构；晶体中的Al₂O₃可以利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，从而取代硅酸盐的晶格的SiO₄四面体，提高了微晶玻璃的机械强度；MgO参与构成连续的网状结构，改善了微晶玻璃系统的机械性能。因此，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃具有较高的机械强度。而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃还具有良好的热稳定性和硬度。实验结果表明，本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃弹性模量在85℃左右，弯曲强度为110MPa，热膨胀系数在45×10^-7/K，维氏硬度为5Gpa左右。

而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法简单、易操作，容易转化为工业生产工艺线，利于大规模工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例中纳米尖晶石微晶玻璃的工艺流程示意图；

图2为本发明实施例1～3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱；

图3为本发明实施例1得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像；

图4为本发明实施例2得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像；

图5为本发明实施例3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像。

具体实施方式

本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：

56wt％～62wt％的SiO₂；

19wt％～23wt％的Al₂O₃；

6wt％～15wt％的ZnO；

2wt％～6.5wt％的MgO；

2wt％～6wt％的TiO₂；

2wt％～7wt％的ZrO₂。

在本发明中，SiO₂可以利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，形成硅酸盐的基本结构；晶体中的Al₂O₃可以利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，从而取代硅酸盐的晶格的SiO₄四面体，提高了微晶玻璃的机械强度；MgO参与构成连续的网状结构，改善了微晶玻璃系统的机械性能。因此，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃具有较高的机械强度。而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃还具有良好的热稳定性和硬度。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃，包括56wt％～62wt％的SiO₂，优选为56wt％～60wt％；在本发明的实施例中，所述SiO₂在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为56.0wt％、58.3wt％、59.3wt％、61.0wt％或62.0wt％。在本发明中，所述SiO₂是纳米尖晶石微晶玻璃的主要组成成份，所述SiO₂利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，从而形成了硅酸盐的基体结构。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃包括19wt％～23wt％的Al₂O₃，优选为20wt％～22wt％；在本发明的实施例中所述Al₂O₃在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为19.1wt％、19.5wt％、20.0wt％、21.0wt％、21.5wt％、22.0wt％或23.0wt％。在本发明中，Al₂O₃能够利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，取代硅酸盐晶格的SiO₄四面体，从而提高了纳米尖晶石微晶玻璃的机械强度、热稳定性、化学稳定性和硬度。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃包括6wt％～15wt％的ZnO，优选为7wt％～14wt％，更优选为8wt％～12wt％；在本发明的实施例中，所述ZnO在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为6.0wt％、7.2wt％、8.4wt％、9.0wt％、10.0wt％、11.0wt％、12.0wt％、13.0wt％、14.0wt％或15.0wt％。在本发明中，ZnO中的锌离子趋向存在于玻璃相中，阻碍小半径离子的迁移，使得介电损耗减小，从而增加了纳米尖晶石微晶玻璃的电阻率。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃包括2wt％～6.5wt％的MgO，优选为3wt％～6.0wt％，更优选为4.0wt％～5.0wt％；在本发明的实施例中，所述MgO在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为2.0wt％、2.5wt％、3.0wt％、3.5wt％、4.2wt％、5.0wt％、6.0wt％或6.5wt％。在本发明中，MgO参与构成连续的网状结构，且控制MgO在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量，从而改善了得到的纳米尖晶石微晶玻璃的物理、化学和机械性能。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃包括2wt％～6wt％的TiO₂，优选为3.0wt％～5.0wt％；在本发明的实施例中，所述TiO₂在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为2.0wt％、3.0wt％、3.5wt％、4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％或6.0wt％。在本发明中，TiO₂是纳米尖晶石微晶玻璃形成过程中的晶核剂，通过Ti⁴⁺参与到四配位的硅氧网络中，混溶降温后形成稳定结构，形成晶核，促使玻璃微晶化。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃包括2wt％～7wt％的ZrO₂，优选为3.0wt％～6.0wt％，更优选为4.0wt％～5.0wt％；在本发明的实施例中，所述ZrO₂在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为2.0wt％、3.0wt％、3.5wt％、4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％、6.0wt％或7.0wt％。在本发明中，ZrO₂也是纳米尖晶石微晶玻璃形成过程中的晶核剂，促进玻璃微晶化。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃优选还包括质量含量≤3.1wt％的BaO，优选为0.5wt％～2.5wt％，更优选为1.0wt％～2.1wt％；在本发明的实施例中，当所述纳米尖晶石微晶玻璃包括BaO时，所述BaO在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为0.5wt％、1.0wt％、1.5wt％、2.1wt％、2.5wt％或3.1wt％。在本发明中，BaO能够增加得到的纳米尖晶石微晶玻璃的折射率、密度、光泽和化学稳定性，而且BaO的加入还能够加速玻璃原料的熔化。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃优选还包括≤3.6wt％的K₂O，优选为0.5wt％～3.0wt％，更优选为1.0wt％～2.0wt％；在本发明的实施例中，当纳米尖晶石微晶玻璃中包括K₂O时，所述K₂O在纳米尖晶石微晶玻璃中的质量含量可具体为0.5wt％、1.0wt％、1.5wt％、2.0wt％、2.5wt％、3.0wt％或3.6wt％。在本发明中，所述K₂O能够降低纳米尖晶石微晶玻璃的析晶倾向，增加得到的纳米尖晶石微晶玻璃的透明度和光泽。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃的晶粒粒径优选为30nm～100nm，更优选为40nm～90nm，最优选为50nm～80nm。

本发明还提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

将硅源、铝源、锌源、镁源、钛源和锆源混合，得到混合料；

将所述混合料熔制和成型，得到基础玻璃；

将所述基础玻璃依次进行退火处理和成核处理，再以200℃/h～300℃/h的升温速率将温度升至微晶化温度，进行析晶处理，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法简单、易操作，容易转化为工业生产工艺线，利于大规模工业生产。

本发明将硅源、铝源、锌源、镁源、钛源和锆源混合，得到混合料。本发明对所述混合的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的混合技术方案即可，如可以将上述原料加入到混合机中进行混料，得到混合料。本发明对所述硅源、铝源、锌源、镁源、钛源和锆源的形态没有特殊的限制，采用能够煅烧得到SiO₂、Al₂O₃、ZnO、MgO、TiO₂和ZrO₂的物质即可，如所述硅源优选为石英砂；所述铝源优选为氧化铝；所述锌源优选为氧化锌；所述镁源优选为氧化镁和/或碳酸镁；所述钛源优选为二氧化钛；所述锆源优选为二氧化锆。

在本发明中，当纳米尖晶石微晶玻璃优选包括BaO和/或K₂O时，优选在上述原料中包括钡源和/或钾源；本发明对所述钡源和/或钾源的形态没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的能够煅烧得到BaO和/或K₂O的物质即可；如所述钡源优选为氧化钡；所述钾源优选为氧化钾和/或碳酸钾。

得到混合料后，本发明将所述混合料熔制和成型，得到基础玻璃。本发明优选在得到混合料后，将所述混合料过筛，再将筛下物料进行熔制和成型。在本发明中，所述筛的孔径优选为0.4000mm～1.000mm，更优选为0.600mm～0.8000mm。

本发明对所述熔制的方法没有特殊的限制，能够将上述原料熔融，得到玻璃熔体即可。本发明优选将所述混合料加热到熔制温度，保温，得到玻璃熔体。在本发明中，所述熔制的温度优选为1600℃～1650℃，更优选为1610℃～1640℃，最优选为1620℃～1630℃；所述熔制的时间优选为2h～6h，更优选为3h～5h，最优选为3.5h～4.5h。本发明对所述熔制过程中盛放原料的器皿没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的器皿即可，如可以采用刚玉坩埚。

完成所述熔制后，本发明将得到的玻璃熔体成型，得到基础玻璃。本发明对所述成型的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的成型的技术方案即可，如可以将得到的玻璃熔体进入锡槽成型，也可以采用压延辊成型。在本发明中，所述基础玻璃的玻璃化转变温度优选为700℃～870℃，更优选为720℃～850℃，最优选为700℃～830℃。

得到基础玻璃后，将所述基础玻璃依次进行退火处理和成核处理，再以200℃/h～300℃/h的升温速率将温度升至微晶化温度，进行析晶处理，得到纳米尖晶石微晶玻璃。本发明将温度冷却至所述基础玻璃的玻璃化转变温度以下，在低于所述基础玻璃的玻璃化转变温度下进行退火处理。在本发明中，冷却至玻璃化转变温度以下的降温速率优选为100℃/min～150℃/min，更优选为110℃/min～140℃/min，最优选为120℃/min～130℃/min。在本发明中，所述退火处理的温度优选为500℃～600℃，更优选为510℃～590℃，最优选为530℃～270℃；所述退火处理时间优选为4h～6h，更优选为4.5h～5.5h。本发明对所述退火处理的设备没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的退火处理的设备即可，如可以为退火炉。

完成所述退火处理后，本发明将所述退火处理得到的产品进行成核处理。在本发明中，所述成核处理在所述基础玻璃的玻璃化转变温度下进行；具体的，所述成核处理的温度优选为700℃～870℃，更优选为720℃～850℃，最优选为700℃～830℃；所述成核处理的时间优选为1h～4h，更优选为1.5h～3.5h，最优选为2h～3h。

完成所述成核处理后，本发明以200℃/h～300℃/h的升温速率将温度升至基础玻璃的微晶化温度，将所述成核处理得到的产品进行析晶处理，得到纳米尖晶石微晶玻璃。在本发明中，所述升温速率优选为220℃/h～280℃/h，更优选为240℃/h～260℃/h。在本发明中，所述析晶处理的温度为880℃～1050℃，更优选为900℃～1020℃，最优选为900℃～950℃；所述析晶处理的时间优选为5min～60min，更优选为10min～50min，最优选为20min～40min。

参见图1，图1为本发明实施例中纳米尖晶石微晶玻璃的工艺流程示意图，在本发明的实施例中，将制备纳米尖晶石微晶玻璃的原料研磨，根据各组分的配比进行称料，将称量好的原料混合后过筛，将筛下物料依次进行高温熔制、退火、热处理，得到含有尖晶石相的纳米微晶玻璃，热处理过程具体包括成核处理和析晶处理。

本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：56wt％～62wt％的SiO₂；19wt％～23wt％的Al₂O₃；6wt％～15wt％的ZnO；2wt％～6.5wt％的MgO；2wt％～6wt％的TiO₂；2wt％～7wt％的ZrO₂。在本发明中，SiO₂可以利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，形成硅酸盐的基本结构；晶体中的Al₂O₃可以利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，从而取代硅酸盐的晶格的SiO₄四面体，提高了微晶玻璃的机械强度；MgO参与构成连续的网状结构，改善了微晶玻璃系统的机械性能。因此，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃具有较高的机械强度。而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃还具有良好的热稳定性和硬度。实验结果表明，本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃弹性模量在85℃左右，弯曲强度为110MPa，热膨胀系数在45×10^-7/K，维氏硬度为5Gpa左右。

而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法简单、易操作，容易转化为工业生产工艺线，利于大规模工业生产。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

表1 本发明实施例微晶玻璃的化学成分

在本发明下述实施例中，用到的原料包括石英砂、氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化锌、二氧化锆、氧化钡和碳酸钾。

实施例1

按表1中所列实施例1的化学成分制备玻璃配合料共100g，将配合料过0.600mm的筛后，放入混料机混匀，混合好的配合料放入100mL的刚玉坩埚中，把坩埚放入电炉内，于1650℃恒温熔制6小时，得到玻璃熔体；

然后将玻璃熔体进入锡槽中成型，得到基础玻璃；本发明采用差热分析(DTA)得到的基础玻璃的玻璃化转变温度和为净化温度，结果显示，本实施例得到的基础玻璃的玻璃化转变温度约为780℃，微晶化温度为930℃；

得到基础玻璃后，本发明将基础玻璃置于退火炉中，将温度以100℃/min的降温速率快速冷却到基础玻璃的玻璃化转变温度以下的温度550℃±5℃；

然后在基础玻璃的玻璃化转变温度(780℃±15℃)附近做成核处理，再以200℃/h的速度迅速升温到基础玻璃的微晶化温度(930℃±10℃)附近做析晶处理5min，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

本发明将得到的微晶玻璃进行X-射线衍射(XRD)分析、差热分析(DTA)和透射电镜(TEM)扫描分析，结果如图2和图3所示，图2为本发明实施例1～3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，由上自下分别为实施例1、实施例2和实施例3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，图3为本发明实施例1得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像，由图2可以看出，本发明得到的微晶玻璃的主晶相为尖晶石相；由图3可以看出，本发明得到的微晶玻璃尺度为纳米尺寸30nm；

本发明对得到的纳米尖晶石微晶玻璃的弹性模量、硬度和热膨胀系数测试，结果显示，本发明得到的微晶玻璃具有较好的机械强度、硬度和热膨胀系数。测试结果如表2所示，表2为本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃的性能测试结果。

实施例2

按照表1所列实施例2的化学成分制备玻璃配合料；配合料过0.600mm的筛后，置于混料机中混匀，混合好的配料装入100mL的刚玉坩埚中，于电炉中熔制，得到玻璃熔体，熔制温度为1660℃±10℃，熔制时间为5小时；

然后将玻璃熔体进入锡槽中成型，得到基础玻璃；本发明采用DTA分析得到的基础玻璃的玻璃化转变温度和微晶化温度，结果显示，本实施例得到的基础玻璃的玻璃化转变温度约为759℃，微晶化温度为911℃；

得到基础玻璃后，本发明将基础玻璃置于退火炉中，将温度以150℃/min的降温速率快速冷却到基础玻璃的玻璃化转变温度以下的温度580℃±5℃；

然后在基础玻璃的玻璃化转变温度(759℃±15℃)附近做成核处理，再以250℃/h的速度迅速升温到基础玻璃的微晶化温度(911℃±10℃)附近做析晶处理60min，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

本发明将得到的微晶玻璃进行XRD、DTA和TEM测试，XRD测试结果如图2所示，图2为本发明实施例1～3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，由上自下分别为实施例1、实施例2和实施例3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，由图2可以看出，本发明实施例得到的微晶玻璃的主晶相为尖晶石相；TED测试结果如图4所示，图4为本发明实施例2得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像，由图4可以看出，本发明得到的微晶玻璃为纳米尺度100nm；

本发明对得到的微晶玻璃进行弹性模量、硬度和热膨胀系数测试，结果显示，本发明得到的微晶玻璃具有较好的机械强度、硬度和热膨胀系数。测试结果如表2所示，表2为本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃的性能测试结果。

实施例3

按照表1所列实施例3的化学成分制备玻璃配合料；配合料过0.600mm的筛后置于混料机中混匀，混合好的配合料装入100mL的刚玉坩埚中，于电炉中熔制，得到玻璃熔体，熔制温度为1630℃±10℃，熔制时间为3小时；

然后将得到的玻璃熔体进入锡槽中成型，得到基础玻璃，本发明采用DTA分析得到的基础玻璃的玻璃化转变温度和为净化温度，结果显示，本实施例得到的基础玻璃的玻璃化转变温度约为762℃，微晶化温度为919℃；

得到基础玻璃后，本发明将基础玻璃置于退火炉中，将温度以120℃/min的降温速率快速冷却到基础玻璃的玻璃化转变温度以下的温度约520℃±5℃；

然后在基础玻璃的玻璃化转变温度(762℃±15℃)附近做成核处理，再以300℃/h的速度迅速升温到基础玻璃的微晶化温度(919℃±10℃)附近做析晶处理30min，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

本发明将得到的微晶玻璃进行XRD、DTA和TEM测试，XRD测试结果如图2所示，图2为本发明实施例1～3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，由上自下分别为实施例1、实施例2和实施例3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的XRD图谱，由图2可以看出，本发明得到的微晶玻璃的主晶相为尖晶石相，TEM测试结果如图5所示，图5为本发明实施例3得到的纳米尖晶石微晶玻璃的TEM图像，由图5可以看出，本发明得到的微晶玻璃为纳米尺度100nm；

本发明对得到的微晶玻璃进行弹性模量、硬度和热膨胀系数测试，结果显示，本发明得到的微晶玻璃的，具有较好的机械强度、硬度和热膨胀系数。测试结果如表2所示，表2为本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃的性能测试结果。

表2 本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃的性能测试结果

实施例

晶粒尺寸

热膨胀系数

弹性模量

维氏硬度

介电常数

弯曲强度

1

30nm

45×10-7/K

55Gpa

6Gpa

-

110Mpa

2

100nm

35×10-7/K

85Gpa

8Gpa

5

-

3

100nm

37×10-7/K

80Gpa

7.5Gpa

5.5

-

由表2可以看出，本发明得到的微晶玻璃的晶粒尺寸为纳米级，具有较高的热膨胀系数和机械强度。

由以上实施例可知，本发明提供了一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：56wt％～62wt％的SiO₂；19wt％～23wt％的Al₂O₃；6wt％～15wt％的ZnO；2wt％～6.5wt％的MgO；2wt％～6wt％的TiO₂；2wt％～7wt％的ZrO₂。在本发明中，SiO₂可以利用硅氧四面体的结构组元形成网状结构，形成硅酸盐的基本结构；晶体中的Al₂O₃可以利用铝离子形成四配位(AlO₄)或者六配位(AlO₆)的基团，从而取代硅酸盐的晶格的SiO₄四面体，提高了微晶玻璃的机械强度；MgO参与构成连续的网状结构，改善了微晶玻璃系统的机械性能。因此，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃具有较高的机械强度。而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃还具有良好的热稳定性和硬度。实验结果表明，本发明实施例得到的纳米尖晶石微晶玻璃弹性模量在85℃左右，弯曲强度为110MPa，热膨胀系数在45×10^-7/K，维氏硬度为5Gpa左右。

而且，本发明提供的纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法简单、易操作，容易转化为工业生产工艺线，利于大规模工业生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米尖晶石微晶玻璃，包括以下组分：

56wt％～62wt％的SiO₂；

19wt％～23wt％的Al₂O₃；

6wt％～15wt％的ZnO；

2wt％～6.5wt％的MgO；

2wt％～6wt％的TiO₂；

2wt％～7wt％的ZrO₂。

2.根据权利要求1所述的纳米尖晶石微晶玻璃，其特征在于，还包括质量含量≤3.1wt％的BaO。

3.根据权利要求1或2所述的纳米就尖晶石微晶玻璃，其特征在于，还包括质量含量≤3.6wt％的K₂O。

4.根据权利要求1所述的纳米尖晶石微晶玻璃，其特征在于，所述纳米尖晶石微晶玻璃的晶粒粒径为30nm～100nm。

5.一种所述纳米尖晶石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

将硅源、铝源、锌源、镁源、钛源和锆源混合，得到混合料；

将所述混合料熔制和成型，得到基础玻璃；

将所述基础玻璃依次进行退火处理和成核处理，再以200℃/h～300℃/h的升温速率将温度升至微晶化温度，进行析晶处理，得到纳米尖晶石微晶玻璃。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔制的温度为1600℃～1650℃；

所述熔制的时间为2h～6h。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度低于所述基础玻璃的玻璃化转变温度。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成核处理在所述基础玻璃的玻璃化转变温度下进行。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述析晶处理的温度为880℃～1050℃。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述析晶处理的时间为5min～60min。