CN110577365A

CN110577365A - 一种纳米晶玻璃陶瓷及其制备方法

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Publication number: CN110577365A
Application number: CN201910848532.3A
Authority: CN
Inventors: 姚全星; 张月皎; 罗恺; 袁晓波; 刘庆; 李军旗
Original assignee: Shenzhen Jingshi Yun Chuang Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Jingshi Yun Chuang Technology Co Ltd; Shenzhen Jingjiang Yunchuang Technology Co Ltd
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2019-12-17

Abstract

本发明提供一种纳米晶玻璃陶瓷，所述纳米晶玻璃陶瓷包括以下重量百分比的组分：40％‑80％的二氧化硅(SiO₂)，5％‑35％的氧化铝(Al₂O₃)，0.5％‑20％的氧化钾(K₂O)以及0.5％‑20％氧化钠(Na₂O)，其中，所述二氧化硅用于构成所述纳米晶玻璃陶瓷的骨架，所述氧化铝用于增强所述纳米晶玻璃陶瓷的机械强度，所述氧化钾及所述氧化钠为助溶剂，所述助溶剂用于降低所述纳米晶玻璃陶瓷的熔点。本发明还提供一种纳米晶玻璃陶瓷的制备方法。

Description

一种纳米晶玻璃陶瓷及其制备方法

技术领域

发明涉及化工领域，尤其涉及一种纳米晶玻璃陶瓷及其制备方法。

背景技术

纳米晶玻璃陶瓷是一种结合致密的纳米晶相(结晶相)和玻璃相组成的多相复合材料。可将特定组成的基础玻璃进行特定的热处理制程后，使玻璃液相中发生成核并结晶生长，进一步使其变成具有纳米晶相和玻璃相均匀分布的多相复合材料。纳米晶玻璃陶瓷性能十分优越，一方面，纳米晶玻璃陶瓷具有陶瓷的高强度和高硬度等特性，且，纳米晶玻璃陶瓷耐磨耐腐蚀性好、抗冲击能力强、化学性能稳定；另一方面，纳米晶玻璃陶瓷具有玻璃的高透过性，可利用热成型工艺实现曲面成型。纳米晶玻璃陶瓷可广泛应用在智能手机、智能手表、平板计算机、汽车中控保护屏等智能产品的屏幕盖板和背板，还能广泛应用于显微镜、数码摄像机、投影仪及各类光学镜头。

纳米晶玻璃陶瓷材料能够在机械强度、表面硬度、热膨胀性能及热稳定性等方面具有独特优点，但纳米晶玻璃陶瓷材料受其组分影响较大。如何提供一种纳米晶玻璃陶瓷及其制备方法，进一步有效提升了纳米晶玻璃陶瓷的性能是本领域技术人员需要考虑的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种纳米晶玻璃陶瓷及其制备方法。

本发明提供一种纳米晶玻璃陶瓷，所述纳米晶玻璃陶瓷包括以下重量百分比的组分：40％-80％的二氧化硅(SiO₂)、5％-35％的氧化铝(Al₂O₃)、0.5％-20％的氧化钾(K₂O)以及0.5％-20％氧化钠(Na₂O)，其中，所述二氧化硅用于构成所述纳米晶玻璃陶瓷的骨架，所述氧化铝用于增强所述纳米晶玻璃陶瓷的机械强度，所述氧化钾及所述氧化钠为助溶剂，所述助溶剂用于降低所述纳米晶玻璃陶瓷的熔点。

进一步地，还包括以下重量百分比的组分：0％-10％的氧化钙(CaO)及0％-5％的氧化硼(B₂O₃)，其中，所述氧化钙及氧化硼为所述助溶剂。

进一步地，还包括以下重量百分比的组分：0％-8％的三氧化二铁(Fe₂O₃)、0％-8％的氧化磷(P₂O₅)、0％-8％的二氧化钛(TiO₂)以及0％-8％的二氧化锆(ZrO₂)，其中，所述三氧化二铁、氧化磷、二氧化钛以及二氧化锆为晶核剂，所述晶核剂在所述纳米晶玻璃陶瓷熔融过程中促进晶核形成及生长。

进一步地，还包括以下重量百分比的组分：0％-5％的二氧化锡(SnO₂)、0％-5％的氧化锑(Sb₂O₃)以及0％-5％的三氧化二砷(As₂O₃)，其中，所述二氧化锡，氧化锑以及三氧化二砷为澄清剂，所述澄清剂在所述纳米晶玻璃陶瓷熔融过程中促进气泡排除。

进一步地，还包括以下重量百分比的组分：0％-10％的氧化镁(MgO)及0％-10％的氧化锌(ZnO)，其中，所述氧化镁及氧化锌用于增强所述纳米晶玻璃陶瓷的机械强度及化学稳定性。

本发明还提供一种纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

提供前述组分的原料，将所述原料混合并置于一第一反应釜中，将所述第一反应釜加热至所述原料熔融得到一第一混合物；

提供一模具，将所述第一混合物注入所述模具中冷却成型得到一纳米晶玻璃陶瓷半成品；

将所述纳米晶玻璃陶瓷半成品置于一第二反应釜中，保持所述第二反应釜的温度范围为500至800℃，保温2至10小时得到一第二混合物；以及

调整所述第二反应釜的温度范围为650至1050℃，保温2至12小时得到所述纳米晶玻璃陶瓷。

进一步地，还包括如下步骤：对所述纳米晶玻璃陶瓷进行切割、表面处理及强化。

进一步地，所述表面处理为打磨或抛光。

进一步地，所述第一反应釜为熔炼炉，所述第二反应釜为退火炉。

进一步地，所述纳米晶玻璃陶瓷中的晶粒尺寸范围为1nm至100nm。

本发明的纳米晶玻璃陶瓷材料具有优良的机械强度及化学稳定性，且本发明的纳米晶玻璃陶瓷制备工艺简单、产品性能优良。

附图说明

图1为本发明一实施例的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法的流程示意图。

主要元件符号说明

步骤

S1～S5

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似应用，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的纳米晶玻璃陶瓷中各原料的组分和重量百分比可以为：

二氧化硅(SiO₂)40％-80％，氧化铝(Al₂O₃)5％-35％，氧化镁(MgO)0％-10％，氧化锌(ZnO)0％-10％，氧化钾(K₂O)0.5％-20％，氧化钠(Na₂O)0.5％-20％，氧化钙(CaO)0％-10％，三氧化二铁(Fe₂O₃)0％-8％，氧化磷(P₂O₅)0％-8％，二氧化钛(TiO₂)0％-8％，二氧化锆(ZrO₂)0％-8％，二氧化锡(SnO₂)0％-5％，氧化锑(Sb₂O₃)0％-5％，三氧化二砷(As₂O₃)0％-5％，氧化硼(B₂O₃)0％-5％，三氧化二砷(As₂O₃)0％-5％。

其中，SiO₂用于构成纳米晶玻璃陶瓷的基础骨架，SiO₂含量过低会使得纳米晶玻璃陶瓷中生成的晶相不稳定或结构变粗，且会使得纳米晶玻璃陶瓷缺少光泽甚至失透，而SiO₂含量过高会使得原料难以融化，使得纳米晶玻璃陶瓷制备过程需要较高的熔制温度，因此，SiO₂的重量百分比应控制在40％-80％之间。

其中，Al₂O₃可用于增加纳米晶玻璃陶瓷的机械强度和稳定性，但是，当Al₂O₃含量过高时可能导致纳米晶玻璃陶瓷熔融过程发生困难或其抗失透性下降，因此，Al₂O₃的重量百分比应控制在5％-35％之间。

其中，MgO可用于使纳米晶玻璃陶瓷形成高强度、稳定的晶相，且，适量加入MgO可以增强纳米晶玻璃陶瓷的机械强度和化学稳定性，因此，MgO的重量百分比可为0％-10％之间。

其中，ZnO可用于能改善纳米晶玻璃陶瓷的化学稳定性，且可用于降低纳米晶玻璃陶瓷的软化点温度，有利于纳米晶玻璃陶瓷的融化制备过程，但，ZnO含量过高会导致晶相种类发生较大变化，进一步使得无法形成稳定的晶粒，因此，ZnO的重量百分比应控制在0％-10％之间。

其中，K₂O、Na₂O可以作为良好的助溶剂，其可以为纳米晶玻璃陶瓷结构网络外的氧化物，可以有效降低纳米晶玻璃陶瓷的粘度以降低融化温度。但是，过量的Na₂O会使得纳米晶玻璃陶瓷的热膨胀系数变大，进而导致纳米晶玻璃陶瓷的机械强度和化学稳定性降低；K₂O可增加纳米晶玻璃陶瓷的透明度和光泽度，但含量过高的K₂O会降低纳米晶玻璃陶瓷的析晶能力，因此，K₂O或Na₂O的重量百分比应控制在0.5％-20％之间。

其中，CaO可以作为良好的助溶剂，其可以为纳米晶玻璃陶瓷结构网络外的氧化物，可以有效降低纳米晶玻璃陶瓷的粘度以降低融化温度。但是，过量的CaO可能导致玻璃的料性变短、脆性增大，并使得纳米晶玻璃陶瓷的结晶倾向增大，因此，CaO的重量百分比应控制在0％-10％之间。

其中，B₂O₃可以作为良好的助溶剂，其可以为纳米晶玻璃陶瓷结构网络外的氧化物，对形成稳定的网络结构有重要影响，因此，B₂O₃的重量百分比可为0％-5％之间。

其中，Fe₂O₃可以作为晶核剂，Fe₂O₃可以促进纳米晶相的析出和形成，但是，Fe₂O₃含量过高可能导致材料的致密性变差，并降低材料的化学稳定性，因此，Fe₂O₃的重量百分比应控制在0％-8％之间。

其中，P₂O₅可以作为晶核剂，P₂O₅可以促进纳米晶相的析出和形成并且防止晶粒生长过大，且可以提高纳米晶玻璃陶瓷的色散系数和透过率，但是含量过高的P₂O₅会增大材料热膨胀系数是纳米晶玻璃陶瓷产生白浊现象而失透，因此，P₂O₅的重量百分比应控制在0％-8％之间。

其中，TiO₂可以作为晶核剂，TiO₂可以促进纳米晶相的析出和形成并增加纳米晶玻璃陶瓷的均匀性，但是含量过高的TiO₂可能导致纳米晶玻璃陶瓷失透，因此，TiO₂的重量百分比应控制在0％-8％之间。

其中，ZrO₂可以作为晶核剂，ZrO₂可以促进纳米晶相的析出和形成且可以使晶粒细小，进一步可以增加纳米晶玻璃陶瓷的机械强度和化学稳定性，但是含量过高的TiO₂可能导致原材料难以融化，因此，ZrO₂的重量百分比应控制在0％-8％之间。

其中，Sb₂O₃、As₂O₃、SnO₂可作为澄清剂，Sb₂O₃、As₂O₃、SnO₂有利于促进原料熔制过程中气泡的排出，进一步提高纳米晶玻璃陶瓷的致密性，Sb₂O₃、As₂O₃、SnO₂的重量百分比可为0％-5％之间。

可将上述原料按前述比例混合后制作纳米晶玻璃陶瓷，可通过强化法对所制备的纳米晶玻璃陶瓷进行强化以增强其性能。

如图1所示，为本发明提供的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法：

步骤S1：将上述组分的原料混合并置于一第一反应釜中，将所述第一反应釜加热至所述原料熔融得到一第一混合物；

具体地，将上述组分的原料置于一第一反应釜中充分混合并搅拌均匀，所述第一反应釜可以为熔炼炉，加热所述第一反应釜，使所述第一反应釜的温度范围为950℃至1700℃，充分加热使所述原料充分熔融得到所述第一混合物。

熔融过程中，各原料之间的空隙通道逐渐变小为单个空隙，或使空隙中的空气以气泡的形式排除，并形成玻璃态的熔融物质。

步骤S2：提供一模具，将所述第一混合物注入所述模具中冷却成型得到一纳米晶玻璃陶瓷半成品。

具体地，将熔融状态的第一混合物由所述第一反应釜注入所述模具中，冷却得到所述纳米晶玻璃陶瓷半成品。于一实施例中，可对所述第一混合物进行压延或压合，得到厚度范围为0.2至5mm的片材状所述纳米晶玻璃陶瓷半成品；在其他实施例中，所述纳米晶玻璃陶瓷半成品可以为长方体锭子。步骤S3：将所述纳米晶玻璃陶瓷半成品置于一第二反应釜中，保持所述第二反应釜的温度范围为500至800℃，保温2至10小时得到一第二混合物。

具体地，提供一第二反应釜，所述第二反应釜可以为退火炉，将所述纳米晶玻璃陶瓷半成品置于所述退火炉中，保持所述退火炉的温度范围为500至800℃，保温2至10小时得到所述第二混合物。

步骤S4：调整所述第二反应釜的温度范围为650至1050℃，保温2至12小时得到所述纳米晶玻璃陶瓷。

具体地，调整所述退火炉的温度，使所述退火炉及所述退火炉内的第二混合物的温度范围为650至1050℃，在此温度范围下保温2至12小时，使纳米晶晶核长大得到所述所述纳米晶玻璃陶瓷。通过调节不同的晶核生长温度及保温时间可控制纳米玻璃陶瓷中的纳米晶相的种类、晶粒大小及含量，以获得具有特定性能的纳米晶玻璃陶瓷。

步骤S3及步骤S4为退火过程，调节所述退火炉内的温度可控制纳米晶相的形成以获得不同的纳米晶玻璃陶瓷。所述纳米晶玻璃陶瓷中的晶粒尺寸较小，纳米晶玻璃陶瓷中的晶粒尺寸为1nm至100nm。

步骤S5：对所述纳米晶玻璃陶瓷进行切割、表面处理及强化。

具体地，对所述纳米晶玻璃陶瓷进行切割以使其获得一定形状，随后对所述纳米晶玻璃陶瓷进行打磨、抛光等处理去除所述纳米晶玻璃陶瓷表面的杂质及位于表面的材料缺陷(点缺陷、线缺陷或面缺陷)。

进一步还可以通过离子交换的方式对所述纳米晶玻璃陶瓷进行化学强化处理以增强所述纳米晶玻璃陶瓷的材料性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳米晶玻璃陶瓷，其特征在于，所述纳米晶玻璃陶瓷包括以下重量百分比的组分：40％-80％的二氧化硅(SiO₂)、5％-35％的氧化铝(Al₂O₃)、0.5％-20％的氧化钾(K₂O)以及0.5％-20％氧化钠(Na₂O)，其中，所述二氧化硅用于构成所述纳米晶玻璃陶瓷的骨架，所述氧化铝用于增强所述纳米晶玻璃陶瓷的机械强度，所述氧化钾及所述氧化钠为助溶剂，所述助溶剂用于降低所述纳米晶玻璃陶瓷的熔点。

2.如权利要求1所述的纳米晶玻璃陶瓷，其特征在于，还包括以下重量百分比的组分：0％-10％的氧化钙(CaO)及0％-5％的氧化硼(B₂O₃)，其中，所述氧化钙及氧化硼为所述助溶剂。

3.如权利要求2所述的纳米晶玻璃陶瓷，其特征在于，还包括以下重量百分比的组分：0％-8％的三氧化二铁(Fe₂O₃)，0％-8％的氧化磷(P₂O₅)，0％-8％的二氧化钛(TiO₂)以及0％-8％的二氧化锆(ZrO₂)，其中，所述三氧化二铁、氧化磷、二氧化钛以及二氧化锆为晶核剂，所述晶核剂在所述纳米晶玻璃陶瓷熔融过程中促进晶核形成及生长。

4.如权利要求3所述的纳米晶玻璃陶瓷，其特征在于，还包括以下重量百分比的组分：0％-5％的二氧化锡(SnO₂)，0％-5％的氧化锑(Sb₂O₃)以及0％-5％的三氧化二砷(As₂O₃)，其中，所述二氧化锡、氧化锑以及三氧化二砷为澄清剂，所述澄清剂在所述纳米晶玻璃陶瓷熔融过程中促进气泡排除。

5.如权利要求4所述的纳米晶玻璃陶瓷，其特征在于，还包括以下重量百分比的组分：0％-10％的氧化镁(MgO)及0％-10％的氧化锌(ZnO)，其中，所述氧化镁及氧化锌用于增强所述纳米晶玻璃陶瓷的机械强度及化学稳定性。

6.一种纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如权利要求1至5任意一项所述组分的原料，将所述原料混合并置于一第一反应釜中，将所述第一反应釜加热至所述原料熔融得到一第一混合物；

7.如权利要求6所述的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：对所述纳米晶玻璃陶瓷进行切割、表面处理及强化。

8.如权利要求7所述的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述表面处理为打磨或抛光。

9.如权利要求6所述的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述第一反应釜为熔炼炉，所述第二反应釜为退火炉。

10.如权利要求6所述的纳米晶玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述纳米晶玻璃陶瓷中的晶粒尺寸范围为1nm至100nm。