大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法的製作方法

2023-05-18 11:09:31

專利名稱：大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造大面積晶粒定向玻璃陶瓷的方法，屬於無機非金屬材料領域，特別是屬於精細複合材料範疇。
晶粒定向玻璃陶瓷是在一定溫度梯度條件下從玻璃基質中生長出晶粒指向某一特定方向的玻璃陶瓷，製造此種玻璃陶瓷的技術，稱作精細複合技術，制出的晶粒定向玻璃陶瓷與普通的玻璃陶瓷不同點在於其有很高的定向度，各向異性，用於製造壓電、熱釋電等器材。晶粒定向玻璃陶瓷於80年代初由美國賓州州立大學材料研究室首先研製出來，現有水平為採用高梯溫場定向析晶技術，即將圓柱狀玻璃的端面拋光，放置在金屬或非金屬材料的基片上，在高梯溫場中進行微晶化處理，梯溫場是由鉑絲為發熱體的管式電爐產生，根據析晶溫度確定熱處理溫度曲線，使玻璃加熱析晶，最後得到厚度為8mm左右的定向玻璃陶瓷，製品的最大直徑只能達到25mm，最後切開成所需要的厚度應用。其製造特點是生長的晶粒定向玻璃陶瓷厚度較大，但其設備和工藝條件複雜，不能製作大面積材料，而且不便於大規模生產。1983年日本報導了使用滾筒壓延法，經恆溫處理製得厚度為0.3mm的Pb5Ge3O11熱釋電晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料，其特點是析晶處理工藝較高梯溫場工藝簡單，但滾筒壓延法成型工藝複雜，處理厚度僅為0.3mm，因為材料太薄，作成大面積容易變形。除此之外，迄今尚未發現其它報導，在國內，本申請人是最早從事晶粒定向玻璃陶瓷研究的，從美、日等國目前對晶粒定向玻璃陶瓷的製造方法看出，現有技術很難實現大面積晶粒定向玻璃陶瓷的製造工藝問題，但高新科學技術的發展急需解決大面積晶粒定向玻璃陶瓷的製造問題，同時，製造工藝複雜，成本高、生產規模小也是目前迫切需要解決的問題。
本發明的任務就是根據高新科學技術對大面積晶粒定向玻璃陶瓷的需求，分析現有技術所存在的問題，在深入研究玻璃陶瓷定向機理和晶化理論的基礎上，探求簡化工藝過程和加工設備，降低成本，生產出大面積晶粒定向玻璃陶瓷的方法，使此種材料獲得更廣泛的應用。
本發明大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法主要是將配合料熔融均化，成型為薄片玻璃並進行退火，兩面拋光，置於均勻的溫度場中，在其析晶溫度範圍內，進行晶粒定向微晶化處理，使其充分析晶，再進行後加工，即從厚度中央剖為兩片，將接近中央的非定向析晶過渡層去掉，得到兩片晶粒定向方向一致的玻璃陶瓷片狀材料。
以下結合說明書附圖對本方法詳述如下(1)針對使用要求，選取可析出晶粒定向玻璃陶瓷的玻璃系統，加熱熔融並均化，澆注成型為薄片玻璃，兩面拋光，為了後加工方便和省料，在澆注和加工時使其最終厚度大於兩倍自然厚度0～3mm，要求表面光潔。
上述玻璃自然定向厚度的定義是對塊狀玻璃在其析晶溫度範圍內進行充分定向析晶處理，在玻璃表面析出一定厚度未被非定向析晶幹擾過的定向層，這一厚度稱為玻璃自然定向厚度。
玻璃自然定向厚度的確定方法如下先將所採用的玻璃進行差熱分析，確定其析晶溫度範圍，將2×2×1的薄片玻璃一面拋光，置於溫度均勻的爐內，在析晶溫度範圍內使其充分定向析晶，將定向析晶後的玻璃從中間切開，顯出2×1m端面，對端面在顯微鏡下進行觀察，有一條較明顯的非定向析晶過渡界線，從界線到表面的距離，即為玻璃自然定向厚度。
(2)玻璃的定向微晶化處理，將玻璃置於表面光潔、平整的金屬或非金屬板上，放在均勻的溫度場中，在其析晶溫度範圍內，使其充分晶化，升溫速度應控制在樣品不炸裂，熱處理時間以玻璃充分晶化為原則，最高熱處理溫度應控制在樣品不變形，本玻璃系統的析晶溫度一般在400～1100℃之間，析晶時間在2-10小時，熱處理曲線可有多種，其中以下面兩種較好，其一為以一定速度升溫至析晶溫度下限，再以另一種升溫速度升溫至析晶溫度上限，在上下限溫度之間完成析晶，其二為以一定升溫速度升溫至析晶溫度範圍，保溫至充分析晶。用以上的處理工藝最大可處理Φ80-100m/m製品。
(3)晶粒定向玻璃陶瓷的後加工，經上述熱處理工藝獲得的晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料，晶粒定向方向垂直於玻璃的表面，在片狀玻璃的兩面同時向內生長為定向層，其中央為從析晶中排擠出的氣泡，雜質等缺陷，還有不定向析晶物，總稱為非定向析晶過渡層(見圖1)，後加工就是從厚度中央剖為兩層，將靠近中央部分的非定向層加工掉，可得到兩片定向層完整的玻璃陶瓷片狀材料(見圖2)，對於晶粒定向的玻璃陶瓷，其定向方向單一。


圖1經定向微晶化處理後的片狀材料半成品圖2經後加工剖成兩片定向方向單一的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料。
圖中1.定向層完整的玻璃陶瓷片狀材料2.非定向析晶過渡層
3.表示定向方向的箭頭本發明的優點是在均勻溫度場中進行晶粒定向微晶化處理，設備和工藝簡單，能製造大面積產品，可製得Φ80-100mm性能均勻的片狀材料，這種材料機電性能不隨時間，溫度和靜壓力改變，靈敏度穩定。而且可大規模生產，製成產品成本也低，在國際市場上有競爭力。
實施例選擇SrO、SiO2、TiO2玻璃系統，在1450℃左右熔融成均勻的玻璃液，澆注成厚度為3.2mm的薄片，試驗確定析晶溫度範圍在870℃～890℃之間，玻璃的自然定向厚度為1.5mm左右。澆注玻璃兩面經磨拋後成為3.1mm左右的薄片，將此薄片置於均勻的溫度場中定向析晶，從厚度中央剖為兩片，將缺陷層磨掉，可製得Φ80mm～100mm的晶粒定向玻璃陶瓷兩片，該材料可作為壓電和熱釋電材料。
權利要求
1.一種大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法，先將玻璃熔融均化，製成薄片，其特徵是將成型的片狀玻璃兩面拋光，置於均勻的溫度場中，在其析晶溫度範圍內，進行晶粒定向微晶化處理，使其充分析晶，再進行後加工，即從厚度中央剖為兩片，將靠近中央的非定向析晶過渡層去掉，得到兩片定向方向單一的玻璃陶瓷片狀材料。
2.根據權利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法，其特徵是所述片狀玻璃為了後加工方便和節省材料，其最終厚度可控制在大於兩倍自然定向厚度0～3mm.
3.根據權利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法，其特徵是所述晶粒定向微晶化處理方法是以一定升溫速度升溫至析晶溫度下限，再以另一種升溫速度升溫至析晶溫度上限，在上下限之間完成析晶。
4.根據權利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的製法，其特徵是所述晶粒定向微晶化處理方法是以一定升溫速度升溫至析晶溫度範圍內，保溫至充分析晶。
全文摘要
本發明為一種採用精細複合技術製造大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的方法。首先選擇基礎玻璃系統，將其熔融均化澆注成薄片，將退火良好的玻璃端面精加工後，置於均勻的溫度場中，在析晶溫度範圍內，進行定向微晶化處理，晶化後的半成品，用厚度中央切割法剖為兩片，磨去非定向析晶過渡層，可得到Φ80～100mm晶粒定向生長的片狀材料。本發明工藝和設備簡單，易於大規模生產。
文檔編號C03B32/02GK1087882SQ92114218
公開日1994年6月15日 申請日期1992年12月11日 優先權日1992年12月11日
發明者丁振亞, 孫詩兵, 王為, 莊泳璆, 朱厚卿, 陳守六, 黃一兵, 張劍平, 羅廋望, 趙怡溪 申請人:武漢工業大學北京研究生部