一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷及其制备方法
本发明涉及玻璃陶瓷制备，具体涉及一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷及其制备方法。
背景技术：
1、玻璃陶瓷作为一种重要的材料，具有优异的机械性能、高耐热性、优良的化学稳定性、良好的光学性能、设计灵活等优点。其中尖晶石系玻璃陶瓷是一类具有优异光学和力学性能的材料，在平板显示器、光伏基板、高温光学窗口、激光器、医疗等领域具有广阔应用前景。玻璃陶瓷因析出晶体的尺寸不均匀、折射率差异大、析出晶体形态都会对微晶玻璃透过率产生影响，因此调整原料配方和比例，改进烧结工艺及制度，使用适当的掺杂剂促进晶粒大小均衡，晶粒分布均匀，提升玻璃陶瓷的透明度及力学性能。
2、目前已有大量文献对尖晶石体系的玻璃陶瓷进行了研究，以期实现对荧光陶瓷进行发光调控。文献(zno-al2o3-sio2 glass ceramics:influence of composition oncrystal phases,crystallite size and appearance，2021，120481)晶粒尺寸达到纳米级别。但是会有zn2sio4、zn2ti3o8等其他相出现，晶相间折射率差异大，导致制成的玻璃陶瓷不透明，且未对玻璃陶瓷硬度进行探索。文献(crystallization behavior and propertiesof zno-mgo-al2o3-sio2 transparent glass-ceramics with sno2 and zro2 asnucleating agents，2024，23150-23056)以zro2和sno2为晶核剂，通过熔融和两步热处理制备了透明的zno-mgo-al2o3-sio2(zmas)微晶玻璃，sno2促进了zro2纳米晶的形成，为后续晶化提供了成核位点，维氏硬度为8.28mpa。但是随着晶化温度的升高，玻璃陶瓷的透明度在降低，无法获得高结晶度的透明玻璃陶瓷。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
3、(1)称量玻璃粉原料，对玻璃粉进行研磨0.5～2h后，加入到铂铑坩埚中，在1500～1750℃熔制2～4h，得到玻璃液；其中所述玻璃粉原料由以下质量百分比的组分组成：zno 0～12wt％、mgo 6～18wt％、al2o3 22～35wt％、sio2 40～50wt％、sb2o3 1～3wt％、成核剂0.5～9wt％；
4、(2)将玻璃液倾倒于预热铜模中，得到透明玻璃块；
5、(3)将玻璃块退火，得到前驱体玻璃，并对前驱体玻璃进行切割抛光，玻璃厚度为2mm；
6、(4)将前驱体玻璃置于电极片之间，先在700～900℃的核化温度下保温1～10h，再在900～1150℃的晶化温度下保温2～8h，冷却至室温后取出，制备得到透明玻璃陶瓷。
7、优选的，步骤(1)中，升降炉升温速率为5～20℃/min。
8、优选的，步骤(1)中成核剂选自p2o5、zro2、tio2、eu2o3、ceo2中的一种或多种。
9、优选的，步骤(2)中，预热铜模预热温度为300～600℃。
10、优选的，步骤(4)中，所述玻璃在500～800℃空气退火4～10h。
11、优选的，步骤(4)中，所述玻璃放置在电极片阴阳两极之间，电场强度为300～1000v/cm，炉内温度升高到结晶温度时，接通电源并保持在目标电场强度，直到结晶时间终止。
12、优选的，步骤(4)还包括对晶化后的玻璃陶瓷进行铣磨抛光，玻璃陶瓷厚度为1.5mm。
13、玻璃陶瓷中残余的玻璃可以起到晶粒连接的作用，合理控制残余玻璃的含量可以起到提升玻璃陶瓷硬度作用，同时在结晶过程中，随着晶化率的提升，残余玻璃中碱土金属离子含量减少，从而提升残余玻璃的黏度，提高晶粒之间的连接作用，提升玻璃陶瓷的硬度。适量成核剂添加有利于晶核均匀形成，从而提高晶粒的均匀性。在玻璃晶化的过程中，玻璃两端施加电场，有利于细化晶粒，从而提高玻璃陶瓷的透过率。
14、另一方面，本发明还提供由上述制备方法制得的高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷。所述玻璃陶瓷主要包括锌铝尖晶石和镁铝尖晶石，以及起到连接作用的残余玻璃相。
15、所述的玻璃陶瓷颗粒尺寸为20～100nm，晶相之间组成致密结构，成核剂的添加可以有效地降低玻璃的熔化温度和结晶温度，利于晶相的形成，能提高玻璃的稳定性。在可见光范围内是透明的，1.5mm厚的玻璃陶瓷在800nm波长光的透过率≥86.5％。成核剂提供了额外的成核点，使得在玻璃熔体冷却过程中更容易形成晶核，还可以控制最终玻璃陶瓷中的晶粒大小和分布。
16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
17、(1)本发明所制备的透明玻璃陶瓷，通过两步结晶方式，通过对结晶时间和温度的控制实现可控结晶。成核剂提供了额外的成核点，通过调控晶化条件可以控制晶粒大小和均匀性，增强材料的力学性能。玻璃陶瓷结晶度≥85％；
18、(2)本发明提供的玻璃在晶化过程中，对玻璃施加电场，有利于尖晶石相的生成，并且生成的晶粒小且均匀，因此玻璃陶瓷具有良好的光学质量与透过率，厚度为1.5mm玻璃陶瓷在800nm处透过率≥86.5％。残余的玻璃相中zn2+，mg2+减少，残余玻璃黏度增加，有利于玻璃陶瓷力学性能的提升；
19、(3)基于成熟的玻璃成型技术，对前驱体玻璃进行热处理后能获得透明玻璃陶瓷，工艺简单、高效、结晶度高，且通过此方法可以实现大尺寸透明玻璃陶瓷的制备。
技术特征：
1.一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，升降炉升温速率为5～20℃/min。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(1)中成核剂选自p2o5、zro2、tio2、eu2o3、ceo2中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预热铜模预热温度为300～600℃。
5.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述玻璃在500～800℃空气退火4～10h。
6.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述玻璃放置在电极片阴阳两极之间，电场强度为300～1000v/cm，炉内温度升高到结晶温度时，接通电源并保持在目标电场强度，直到结晶时间终止。
7.根据权利要求1所述的一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(4)还包括对晶化后的玻璃陶瓷进行铣磨抛光，玻璃陶瓷厚度为1.5mm。
8.一种由权利要求1至7任一项所述制备方法制得的高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷。
技术总结
本发明公开了一种高硬度高结晶度透明玻璃陶瓷及其制备方法。称量玻璃粉原料，研磨后加入铂铑坩埚中熔制，得到玻璃液；其中所述玻璃粉原料由以下质量百分比的组分组成：ZnO 0～12wt％、MgO 6～18wt％、Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt; 22～35wt％、SiO<subgt;2</subgt; 40～50wt％、Sb<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt; 1～3wt％、成核剂0.5～9wt％；将玻璃液倾倒于预热铜模中，得到透明玻璃块；退火，切割抛光，得到厚度为2mm的前驱体玻璃；将前驱体玻璃置于电极片之间，先在700～900℃的核化温度下保温1～10h，再在900～1150℃的晶化温度下保温2～8h，制备得到透明玻璃陶瓷。本发明通过对结晶时间和温度的控制实现可控结晶，玻璃陶瓷结晶度≥85％，且具有良好的光学质量与透过率，厚度为1.5mm玻璃陶瓷在800nm处透过率≥86.5％。
技术研发人员：张乐,陈旭,周春鸣,陈航,霍子祥,康健,陈浩
受保护的技术使用者：江苏师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5