表面析晶微晶玻璃的制备方法

摘要

本发明涉及玻璃技术领域，具体涉及表面析晶微晶玻璃的制备方法。该制备方法包括：步骤1、提供原料，所述原料包括摩尔比为(25～60)：(5～50)：(5～30)的氧化锌、氧化硼和二氧化硅；将所述原料研磨混匀；步骤2、将步骤1得到的原料加热熔制，得到玻璃液；步骤3、将步骤2得到的玻璃液进行成型和退火处理，得到中间产品；步骤4、将步骤3得到的中间产品进行热处理，得到表面析晶微晶玻璃。该制备方法不用添加任何析晶剂，工艺简单，步骤明了，成本低廉，表面析晶效果好。

权利要求

1.一种表面析晶微晶玻璃的制备方法，其特征在于，包括：步骤1、提供原料，所述原料为摩尔比为(25～60)：(5～50)：(5～30)的氧化锌、氧化硼和二氧化硅，以及杂质；将所述原料研磨混匀；

步骤2、将步骤1得到的原料加热熔制，得到玻璃液；

步骤3、将步骤2得到的玻璃液进行成型和退火处理，得到中间产品；

步骤4、将步骤3得到的中间产品进行热处理，得到表面析晶微晶玻璃，其中，所述杂质包括硫酸盐、氯化物、磷酸盐、钙、铅和铁，其含量总和不大于所述原料的2wt％；或者，所述杂质包括硝酸盐、氯化物、硫酸盐、锰、铅和铁，其含量总和不大于原料的2wt％。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：将步骤1得到的原料加热至1100℃～1500℃，保温0.5h～3h，得到玻璃液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将步骤2得到的玻璃液在预热过的石墨模具上成型，成型后在450℃～580℃下保温

0.5h～2h，而后冷却至室温，得到中间产品。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：将步骤3得到的中间产品升温至590℃～680℃，保温0.5h～70h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：将步骤3得到的中间产品在450℃～630℃下热处理0.5h～3h；然后再升温至590℃～

680℃下进行二次热处理，所述二次热处理的时间为0.5h～50h。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述升温至590℃～680℃的步骤中，升温速率为5℃/min～10℃/min。

说明书

表面析晶微晶玻璃的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及玻璃技术领域，特别涉及表面析晶微晶玻璃的制备方法。

背景技术

[0002] 一般玻璃的强度并不是很高，大约在50MP左右，但是理论强度值却大约在9810～29420MPa之间。原因在于玻璃表面存在着无数光学显微镜看不到的小裂纹，被称之为格里菲斯裂纹。这些裂纹呈半椭圆形起应力中心的作用，当玻璃加上负载时，断裂过程首先从裂纹处开始，比没有缺陷的玻璃发生的早。这就是玻璃表面的实际强度和理论强度相差大的原因。玻璃表面上的缺陷远比玻璃内部脆弱的多，所以想大幅度提高玻璃的强度，须首先对玻璃表面采取措施。表面析晶玻璃有望提高玻璃的强度，如果让玻璃表面晶化使得玻璃机体里面存在有高体积分数的极小晶体，用以限制由应力引起的格里菲斯裂纹，这样就可以使玻璃的强度提高到200MPa以上。

[0003] 表面析晶玻璃如同在玻璃表面镀了一层保护膜，机械强度高，硬度大，耐磨性很好，化学稳定性和热稳定性良好，能够适应恶劣的使用环境；电绝缘性能优良，介电常数稳定，介电损耗小；与具有相同力学性能的金属材料相比，表面析晶玻璃材料质地致密，具有不透气、不透水等优良性能。而且，还可以利用不同组成的玻璃来制得具有特殊光学、热学、磁学、电学和生物学等功能的表面析晶玻璃，使得这种材料具有非常好的经济效益，且有望代替传统材料。

[0004] 相关学者对玻璃表面析晶开展了一定的工作，例如济南大学刘世权等人申请的专利：CN102849952A，公开了一种促进玻璃表面析晶的方法。步骤为制备玻璃时，向玻璃中引入促进析晶的晶核剂，以促进所得玻璃的表面析晶。所述的促进析晶的晶核剂包括氧化钛、三氧化二铬或者这两者的混合物。通过简单的方法促进了玻璃的表面析晶，在无需对玻璃进行破碎的情况下，添加传统的整体析晶时使用的玻璃晶核剂(TiO2、Cr2O3)就可以提高玻璃的表面析晶速度或表面析晶层中的晶相含量，此方法工艺简单易行，对表面析晶效果显著。并且，可以通过调节TiO2、Cr2O3的用量得到不同析晶层厚度和晶体含量的析晶玻璃，满足各种不同需求。

[0005] 但是，上述表面析晶的方法均需要向玻璃中引入了析晶剂以达到表面析晶，效率较低。

发明内容

[0006] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种表面析晶微晶玻璃的制备方法。

[0007] 本发明提供一种表面析晶微晶玻璃的制备方法，包括：

[0008] 步骤1、提供原料，所述原料包括摩尔比为(25～60)：(5～50)：(5～30)的氧化锌、氧化硼和二氧化硅；将所述原料研磨混匀；

[0009] 步骤2、将步骤1得到的原料加热熔制，得到玻璃液；

[0010] 步骤3、将步骤2得到的玻璃液进行成型和退火处理，得到中间产品；

[0011] 步骤4、将步骤3得到的中间产品进行热处理，得到表面析晶微晶玻璃。

[0012] 进一步地，所述原料还包括氧化铝和/或氧化钠；所述氧化铝与所述氧化锌的摩尔比为(0～4)：(25～60)；所述氧化钠与所述氧化锌的摩尔比为(0～20)：(25～60)。

[0013] 进一步地，所述步骤2具体为：

[0014] 将步骤1得到的原料加热至1100℃～1500℃，保温0.5h～3h，得到玻璃液。

[0015] 进一步地，所述步骤3具体为：

[0016] 将步骤2得到的玻璃液在预热过的石墨模具上成型，成型后在450℃～580℃下保温0.5h～2h，而后冷却至室温，得到中间产品。

[0017] 进一步地，所述步骤4具体为：

[0018] 将步骤3得到的中间产品升温至590℃～680℃，保温0.5h～70h。

[0019] 进一步地，所述步骤4具体为：

[0020] 将步骤3得到的中间产品在450℃～630℃下热处理0.5h～3h；然后再升温至590℃～680℃下进行二次热处理，所述二次热处理的时间为0.5h～50h。

[0021] 进一步地，所述升温至590℃～680℃的步骤中，升温速率为5℃/min～10℃/min。

[0022] 进一步地，所述原料中还包括杂质，所述杂质包括硫酸盐、氯化物、磷酸盐、钙、铅和铁，其含量总和不大于原料的2wt％；或者，所述原料包括硝酸盐、氯化物、硫酸盐、锰、铅和铁，其含量总和不大于原料的2wt％；或者，所述原料包括氯化物、铁和氢氟酸不挥发物，其含量总和不大于原料的4wt％。

[0023] 本发明提供一种表面析晶微晶玻璃的制备方法，该方法以氧化锌、氧化硼和二氧化硅等玻璃原料熔制玻璃，在适当的热处理制度下得到表面析晶微晶玻璃，可通过控制热处理温度和时间得到不同析晶层厚度的表面析晶微晶玻璃，以满足不同用途的需要。该表面析晶微晶玻璃的制备方法不用添加任何析晶剂，工艺简单，步骤明了，成本低廉，表面析晶效果好。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0025] 图1为本发明实施例12制备的表面析晶微晶玻璃；

[0026] 图2为本发明实施例1至5制备的表面析晶微晶玻璃的XRD图。

具体实施方式

[0027] 本发明公开了一种表面析晶微晶玻璃的制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

[0028] 本发明提供一种表面析晶微晶玻璃的制备方法，其包括：

[0029] 步骤1、提供原料，该原料包括摩尔比为(25～60)：(5～50)：(5～30)的氧化锌、氧化硼和二氧化硅；将原料研磨混匀；

[0030] 步骤2、将步骤1得到的原料加热熔制，得到玻璃液；

[0031] 步骤3、将步骤2得到的玻璃液进行成型和退火处理，得到中间产品；

[0032] 步骤4、将步骤3得到的中间产品进行热处理，得到表面析晶微晶玻璃。

[0033] 上述原料中，氧化锌、氧化硼和二氧化硅的摩尔比优选为(30～60)：(25～40)：(5～20)，更优选为60:30:10。作为本发明的优选方案，该原料中还包括氧化铝和/或氧化钠；氧化铝于氧化锌的摩尔比为(0～4)：(25～60)；氧化钠与氧化锌的摩尔比为(0～20)：(25～
60)。按照上述比例加入氧化铝和/或氧化钠的作用在于：加入上述组分后可以使得玻璃形成范围增大，进一步优化表面析晶性能。

[0034] 进一步地，该原料中优选同时包括有氧化钠和氧化铝，原料中氧化锌、氧化硼、二氧化硅、氧化钠和氧化铝的摩尔比为30:50:15:4:1。

[0035] 上述原料中允许含量微量的杂质，该杂质包括硫酸盐、氯化物、磷酸盐、钙、铅和铁，其含量总和不大于原料的2wt％；或者，原料包括硝酸盐、氯化物、硫酸盐、锰、铅和铁，其含量总和不大于原料的2wt％；或者，原料包括氯化物、铁和氢氟酸不挥发物，其含量总和不大于原料的4wt％。

[0036] 上述步骤2具体优选为：将步骤1得到的原料加热至1100℃～1500℃，保温0.5h～3h，得到玻璃液。此步骤优选在高温熔制炉中进行。

[0037] 上述步骤3具体优选为：将步骤2得到的玻璃液在预热过的石墨模具上成型，成型后在450℃～580℃下保温0.5h～2h，而后冷却至室温，得到中间产品。上述加热保温的操作，即退火的操作可以在退火炉内进行。升温的速率优选为5℃/min～10℃/min。

[0038] 上述步骤4的进行热处理的过程，通过控制热处理温度和时间可以控制玻璃表面析晶的厚度。

[0039] 步骤4具体优选为：将步骤3得到的产品升温至590℃～680℃，保温0.5h～70h。此步骤可以在电炉中进行。

[0040] 或者，步骤4具体优选为：将步骤3得到的产品在450℃～630℃下热处理0.5h～3h；然后再升温至590℃～680℃下进行二次热处理，二次热处理的时间为0.5h～50h。此步骤可以在电炉中进行。此步骤操作的优点在于：采用两步析晶法，先是成核阶段然后晶核生长阶段，析晶效果良好。上述步骤4中升温至590℃～680℃的步骤中，升温速率为5℃/min～10℃/min。

[0041] 本发明提供的表面析晶微晶玻璃的制备方法，以氧化锌、二氧化硅和氧化硼等玻璃原料熔制玻璃，在适当的热处理制度下得到表面析晶玻璃，可通过控制热处理温度和时间得到不同析晶层厚度的表面析晶玻璃，以满足不同用途的需要。该表面析晶微晶玻璃的制备方法不用添加任何析晶剂，工艺简单、步骤明了，成本低廉，表面析晶效果好。

[0042] 下面结合实施例，进一步阐述本发明。以下实施例中的原料组分均为摩尔百分含量。

[0043] 实施例1

[0044] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀置于铂铑合金坩埚内，放入1400℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入650℃下保温5h得到表面析晶微晶玻璃。用扫描电镜测的析晶层厚度大约53μm。把热处理过的表面析晶玻璃研磨成粉末用XRD测的的物相为Zn3(BO3)2，如图2中的实施例1所示。

[0045] 实施例2

[0046] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀置于铂铑合金坩埚内，放入1400℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温备用。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入585℃下保温2h之后再以5℃/min升到650℃下保温5h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约65μm。把热处理过的表面析晶玻璃研磨成粉末用XRD测的的物相为Zn3(BO3)2，如图2中的实施例2所示。

[0047] 实施例3

[0048] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1400℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入650℃下保温10h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约120μm。把热处理过的表面析晶玻璃研磨成粉末用XRD测的的物相为Zn3(BO3)2，如图2中的实施例3所示。

[0049] 实施例4

[0050] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1300℃高温炉中熔融2.5小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入650℃下保温15h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约156μm。把热处理过的表面析晶玻璃研磨成粉末用XRD测的的物相为Zn3(BO3)2，如图2中的实施例4所示。

[0051] 实施例5

[0052] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温备用。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入650℃下保温20h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约360μm。把热处理过的表面析晶玻璃研磨成粉末用XRD测的的物相为Zn3(BO3)2，如图2中的实施例5所示。

[0053] 由图2中可以看出：在热处理温度确定的条件下，随着热处理时间的增加玻璃析晶的强度在增加，比如实施例1、3、4、5。从图2中还可以看出：在其他条件相同时两步法热处理比一步法热处理析出的晶体强度高，比如实施例1和实施例2。

[0054] 实施例6

[0055] 玻璃原料组分为55％ZnO、35％B2O3、5％SiO2、5％Na2O，称取200g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1400℃高温炉中熔融1小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在530℃保温0.5～2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入640℃下保温20h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约180μm。

[0056] 实施例7

[0057] 玻璃原料组分为50％ZnO、30％B2O3、10％SiO2、10％Na2O，称取200g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1350℃高温炉中熔融1小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温0.5～2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入640℃下保温30h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约385μm。

[0058] 实施例8

[0059] 玻璃原料组分为60％ZnO、20B2O3、8％SiO2、10％Na2O、2％Al2O3，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融1小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在560℃保温0.5～2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入660℃下保温5h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约150μm。

[0060] 实施例9

[0061] 玻璃原料组分为45％ZnO、40％B2O3、15％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融3小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温0.5～2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入585℃下保温2h之后以5℃/min升到660℃下保温10h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约290μm。

[0062] 实施例10

[0063] 玻璃原料组分为45％ZnO、40％B2O3、5％SiO2、6％Na2O、4％Al2O3，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融3小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入660℃下保温15h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约642μm。

[0064] 实施例11

[0065] 玻璃原料组分为60％ZnO、30％B2O3、10％SiO2，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1350℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入放入585℃下保温2h之后以5℃/min升到660℃下保温20h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约857μm。

[0066] 实施例12

[0067] 玻璃原料组分为30％ZnO、50％B2O3、15％SiO2、4％Na2O、1％Al2O3，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温升降炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入660℃下保温30h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约1052μm。请参见图1为本实施例制备的表面析晶玻璃，该图中A代表析晶层，B代表母体玻璃。

[0068] 实施例13

[0069] 玻璃原料组分为30％ZnO、50％B2O3、15％SiO2、4％Na2O、1％Al2O3，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型，成型后迅速送入退火炉内，在550℃保温2小时，之后随炉冷却至室温。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入650℃下保温50h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约80μm。

[0070] 实施例14

[0071] 玻璃原料组分为30％ZnO、50％B2O3、15％SiO2、4％Na2O、1％Al2O3，称取120g玻璃原料，将原料混合均匀倒入铂铑合金坩埚内，放入1500℃高温炉中熔融2小时，然后将熔体倒入预热过的石墨模具上成型。随后将玻璃切成5*5*20mm的玻璃块放入620℃下保温70h得到表面析晶玻璃，用扫描电镜测的析晶层厚度大约100μm。

[0072] 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。