一種稀土摻雜鈣鋁硅系透明玻璃陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及玻璃陶瓷的光學應用領域，具體即一種稀土摻雜CaO- A1203- 5102系玻璃陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]現代科學技術的發展對材料提出了更多的要求，其中性能優良的玻璃陶瓷逐漸的受到了人們的重視。玻璃陶瓷具有低膨脹、高透射率、良好的化學穩定性和低氮滲透的特性，被廣泛應用于光學領域。目前主要應用在高端鏡片、影印傳真、光纖、攝像機等器件上。隨著稀土離子的引入和不斷的變化，玻璃陶瓷又被應用到太陽能和激光領域。(肖漢寧，彭文琴，鄧春明.微晶陶瓷的制備技術、性能及用途[J].中國陶瓷，2000，36(05): 31?36)0
[0003]多晶材料的思想可追溯到18世紀，法國科學家米努爾對多晶材料進行了長期的研究工作，但對于晶化的過程還沒有完全的控制。1957年美國首先控制晶化并成功的制備了光敏玻璃陶瓷。1959年stookey發現了在多晶材料中二氧化鈦具有誘導成核的作用，并獲得了一系列的玻璃陶瓷的組成。經過多年的發展，直到1966年世界第一條玻璃陶瓷的生產線才正式投產，開啟了了對玻璃陶瓷研究的新篇章。
[0004]近些年來，國內外玻璃科學工作者對Ca0-Al203-Si02系統玻璃陶瓷的研究日益增多，該系統玻璃陶瓷具有耐酸、堿性好，表面紋理清晰，質感突出，強度高，且生產原料豐富、成本低，產品無色差等優異性能。且其外觀十分近似大理石、花崗巖等天然石材，性能優于天然石材，成為天然石材的理想替代產品，因而成為國內外流行的高檔建筑裝飾材料。現今對CAS系的玻璃陶瓷研究應用在建筑裝飾材料方面，并逐漸達到了產業化，而把它用作光學材料還鮮見報道。由于CAS系玻璃陶瓷耐酸、耐堿、機械強度好等優點，將其應用在光學材料方面具有深遠的意義。
[0005]本發明以氧化鈣(CaO)，氧化鋁(A1203)，氧化硅(Si02)，五氧化二磷(P205)，氧化鈦(Ti02)，三氧化二銻(Sb203)，氧化鐿(Yb203)，氧化鉺(Er203)為原料按一定質量百分比稱量后，在一定溫度熔化后得到無氣泡的透明玻璃。再采用兩步晶化法，制得玻璃陶瓷。

【發明內容】

[0006]本發明首先使用熔融法制備出了基質玻璃，然后通過控制熱處理使基質玻璃晶化制備出了透明玻璃陶瓷。與其他方法相比較，這種方法優點在于由于是采用熔融法制備基質玻璃，所以在現有的針對玻璃的加工工藝都可以使用，通過對基質玻璃的加工和處理，可以獲得各種形狀和結構的基質玻璃，從而在經過晶化后，可以獲得各種形狀和結構的玻璃陶瓷。
[0007]具體步驟為:
(1)制備基質玻璃
本發明首先采用熔融法制備出了 Ca0-Al203-Si02系基質玻璃，按質量百分比Si02:50-60%, CaO: 10-15%, A1203: 18-25%, Ti02:2-4%, P205:2-4%, Sb203: 1-2 %, R203:5-10%,所述R203指Yb203，Er203的一種或二種，稱取相應原料，所用原料均為分析純，將原料通過研磨混合均勻后裝入剛玉坩鍋。將坩鍋放入硅鑰棒電爐中，于1450°C下保溫1小時，將熔體取出，在室溫下，傾倒至不銹鋼模具中，即可獲得基質玻璃。將基質玻璃放入預熱好的450°C的馬弗爐中，退火1小時，消除應力。
[0008](2)制備稀土摻雜CaO- A1203- Si02系玻璃陶瓷
將制備好的基質玻璃進行加工，制備出所需要的形狀。將加工后的基質玻璃在室溫下放入馬弗爐中，采用兩步處理法制備玻璃陶瓷。其中第一步熱處理溫度500°C _550°C，升溫速率10°C/min，熱處理時間30 min-120 min ;第二步熱處理溫度620°C _650°C，升溫速率10°C/min,熱處理時間60 min-180 min,然后隨爐冷卻至室溫。通過X射線衍射分析測試證明樣品主晶相為i3_CaSi03，見圖1 ;通過掃描電子顯微鏡觀察到樣品晶粒分布較為均勻，見圖2 ;通過紫外可見分光光度計對樣品進行測試，在波長200-1000nm范圍內平均透過率大于80%，見圖3。
【附圖說明】
[0009]圖1是Ca0-Al203-Si02系玻璃陶瓷的XRD譜圖。
[0010]圖2是Ca0-Al203-Si02系玻璃陶瓷的SEM照片。
[0011]圖3是Ca0-Al203-Si02系玻璃陶瓷的透過率曲線。
【具體實施方式】
[0012]本發明所選用的氧化鈣(CaO)，氧化鋁(A1203)，氧化硅(Si02)，五氧化二磷(P205)，氧化鈦(Ti02)，三氧化二銻(Sb203),氧化鐿(Yb203)，氧化鉺(Er203)均為市售分析純產品；所用的玻璃儀器和設備是實驗室中常用的。
[0013]實施例1
按質量百分比 18 A1203-11 CaO -60Si02_2P205 _2Ti02-lSb203-lEr203_5Yb203，稱取相應原料，將原料混合后，放入瑪瑙研缽，研磨混合60分鐘。將混合后的原理放入剛玉坩堝中，于室溫下，放入硅鑰爐中，設定升溫速度10°C /分鐘，升溫至1450°C，保溫1小時，期間保持對熔體的攪拌。
[0014]在1450°C將熔體從硅鑰爐中取出，在室溫下，傾倒至不銹鋼模具中，即可獲得基質玻璃。
[0015]將基質玻璃放入實現預熱好的450°C的馬弗爐中，退火1小時，消除應力。
[0016]將制備好的基質玻璃進行加工，制備出所需要的形狀。將加工后的基質玻璃在室溫下放入馬弗爐中，設定升溫速度為10°c /分鐘，先升溫至500°C，保溫0.5小時進行核化，再升溫至620°C，保溫1小時，爐冷至室溫，即可制得所需要的稀土摻雜Ca0-Al203-Si02系透明玻璃陶瓷。對其進行切割及加工，進行性能測試。
[0017]實施例2
按質量百分比 20Al203-13Ca0-56Si02-2P205-2Ti02-lSb203-lEr203-5Yb203，稱取相應原料，將原料混合后，放入瑪瑙研缽，研磨混合60分鐘。將混合后的原理放入剛玉坩堝中，于室溫下，放入硅鑰爐中，設定升溫速度10°C /分鐘，升溫至1450°C，保溫1小時，期間保持對熔體的攪拌。
[0018]在1450°C將熔體從硅鑰爐中取出，在室溫下，傾倒至不銹鋼模具中，即可獲得基質玻璃。
[0019]將基質玻璃放入實現預熱好的450°C的馬弗爐中，退火1小時，消除應力。
[0020]將制備好的基質玻璃進行加工，制備出所需要的形狀。將加工后的基質玻璃在室溫下放入馬弗爐中，設定升溫速度為10°c /分鐘，先升溫至500°C，保溫0.5小時進行核化，再升溫至620°C，保溫1小時，爐冷至室溫，即可制得所需要的稀土摻雜Ca0-Al203-Si02系透明玻璃陶瓷。對其進行切割及加工，進行性能測試。
[0021]實施例3
按質量百分比 21Al203-12Ca0-56Si02-2P205-2Ti02-lSb203-lEr203-5Yb203，稱取相應原料，將原料混合后，放入瑪瑙研缽，研磨混合60分鐘。將混合后的原理放入剛玉坩堝中，于室溫下，放入硅鑰爐中，設定升溫速度10°C /分鐘，升溫至1450°C，保溫1小時，期間保持對熔體的攪拌。
[0022]在1450°C將熔體從硅鑰爐中取出，在室溫下，傾倒至不銹鋼模具中，即可獲得基質玻璃。
[0023]將基質玻璃放入實現預熱好的450°C的馬弗爐中，退火1小時，消除應力。
[0024]將制備好的基質玻璃進行加工，制備出所需要的形狀。將加工后的基質玻璃在室溫下放入馬弗爐中，設定升溫速度為10°c /分鐘，先升溫至500°C，保溫0.5小時進行核化，再升溫至620°C，保溫1小時，爐冷至室溫，即可制得所需要的稀土摻雜Ca0-Al203-Si02系透明玻璃陶瓷。對其進行切割及加工，進行性能測試。
[0025]實施例4
按質量百分比 23Al203-14Ca0-52Si02-2P205 -2Ti02 -lSb203-lEr203_5Yb203，稱取相應原料，將原料混合后，放入瑪瑙研缽，研磨混合60分鐘。將混合后的原理放入剛玉坩堝中，于室溫下，放入硅鑰爐中，設定升溫速度10°C /分鐘，升溫至1450°C，保溫1小時，期間保持對熔體的攪拌。
[0026]在1450°C將熔體從硅鑰爐中取出，在室溫下，傾倒至不銹鋼模具中，即可獲得基質玻璃。
[0027]將基質玻璃放入實現預熱好的450°C的馬弗爐中，退火1小時，消除應力。
[0028]將制備好的基質玻璃進行加工，制備出所需要的形狀。將加工后的基質玻璃在室溫下放入馬弗爐中，設定升溫速度為10°c /分鐘，先升溫至500°C，保溫0.5小時進行核化，再升溫至620°C，保溫1小時，爐冷至室溫，即可制得所需要的稀土摻雜Ca0-Al203-Si02系透明玻璃陶瓷。對其進行切割及加工，進行性能測試。
[0029]當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種稀土摻雜CaO- A1203- 3102系透明玻璃陶瓷，其特征在于:該玻璃的質量百分比組成為:Si02:50-60%, CaO:10-15%, A1203: 18-25%, Ti02:2-4%, P205:2-4%, Sb203:1-2%, R203:5-10%。2.根據權利要求1所述的玻璃陶瓷，其特征在于所述玻璃陶瓷中所含晶相為β -CaSi03, CaSi05。3.一種微晶玻璃的制備方法，其特征在于采用包括以下步驟的方法: (1)制備稀土摻雜CaO-A1203- Si02系玻璃: ①將P205、Si02、Ca0、Al203、Ti02、Sb203、Yb203、Er203 作為原料，按權利 1 要求稱取原料。 ②將稱取的Ca0、Al203、Si02、Ti02、Sb203、Yb203、Er203等原料在瑪瑙研缽中充分研磨，混合均勻后倒入坩堝，于高溫爐內進行熔制，熔制溫度1450 °C，保溫1 h，制得玻璃液； ③將玻璃液倒入不銹鋼模具中成形，并送入馬弗爐中于450°C退火1 h，以10°C/ h冷卻至室溫，得到塊狀玻璃； (2)制備稀土摻雜CaO-A1203- 3102系透明玻璃陶瓷: 將玻璃樣品放入熱處理爐內熱處理，采用兩步晶化法，其中第一步熱處理溫度500°C _550°C，升溫速率10°C/min，熱處理時間30 min-120 min ;第二步熱處理溫度620°C _650°C，升溫速率10°C /min，熱處理時間60 min-180 min，然后隨爐冷卻至室溫，即得透明玻璃陶瓷。4.根據權利要求3所述的稀土摻雜CaO-A1203- Si02系系基質玻璃的制備方法，其特征在于，原料的熔化溫度。5.根據權利要求3所述的稀土摻雜CaO-A1203- Si02系透明玻璃陶瓷的制備方法，其特征在于，采用兩步晶化法制得透明玻璃陶瓷。
【專利摘要】本發明涉及稀土摻雜鈣鋁硅系透明玻璃陶瓷及其制備方法,其質量百分組成為：SiO2：50-60％，CaO：10-15％，Al2O3：18-25％，TiO2：2-4％，P2O5：2-4％，Sb2O3:1-2％，R2O3：5-10％，所述R2O3指Yb2O3,Er2O3的一種或二種。制備方法采用熔融晶化技術，熱處理過程為二步熱處理。本發明首先使用熔融法制備出了基質玻璃，然后通過熱處理過程使基質玻璃晶化的方法制備出了透明玻璃陶瓷。與其他方法相比較，這種方法優點在于由于是采用熔融法制備基質玻璃，所以在現有的針對玻璃的加工工藝都可以使用，通過對基質玻璃的加工和處理，可以獲得各種形狀和結構的基質玻璃，從而在經過晶化后，可以獲得各種形狀和結構的微晶玻璃。
【IPC分類】C03C10/14
【公開號】CN105314852
【申請號】CN201410341920
【發明人】張洪波, 蘇春輝, 鄒翔宇
【申請人】長春理工大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2014年7月18日