專利名稱：大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造大面積晶粒定向玻璃陶瓷的方法，屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，特別是屬于精細(xì)復(fù)合材料范疇。
晶粒定向玻璃陶瓷是在一定溫度梯度條件下從玻璃基質(zhì)中生長(zhǎng)出晶粒指向某一特定方向的玻璃陶瓷，制造此種玻璃陶瓷的技術(shù)，稱作精細(xì)復(fù)合技術(shù)，制出的晶粒定向玻璃陶瓷與普通的玻璃陶瓷不同點(diǎn)在于其有很高的定向度，各向異性，用于制造壓電、熱釋電等器材。晶粒定向玻璃陶瓷于80年代初由美國(guó)賓州州立大學(xué)材料研究室首先研制出來，現(xiàn)有水平為采用高梯溫場(chǎng)定向析晶技術(shù)，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(chǎng)中進(jìn)行微晶化處理，梯溫場(chǎng)是由鉑絲為發(fā)熱體的管式電爐產(chǎn)生，根據(jù)析晶溫度確定熱處理溫度曲線，使玻璃加熱析晶，最后得到厚度為8mm左右的定向玻璃陶瓷，制品的最大直徑只能達(dá)到25mm，最后切開成所需要的厚度應(yīng)用。其制造特點(diǎn)是生長(zhǎng)的晶粒定向玻璃陶瓷厚度較大，但其設(shè)備和工藝條件復(fù)雜，不能制作大面積材料，而且不便于大規(guī)模生產(chǎn)。1983年日本報(bào)道了使用滾筒壓延法，經(jīng)恒溫處理制得厚度為0.3mm的Pb5Ge3O11熱釋電晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料，其特點(diǎn)是析晶處理工藝較高梯溫場(chǎng)工藝簡(jiǎn)單，但滾筒壓延法成型工藝復(fù)雜，處理厚度僅為0.3mm，因?yàn)椴牧咸?，作成大面積容易變形。除此之外，迄今尚未發(fā)現(xiàn)其它報(bào)導(dǎo)，在國(guó)內(nèi)，本申請(qǐng)人是最早從事晶粒定向玻璃陶瓷研究的，從美、日等國(guó)目前對(duì)晶粒定向玻璃陶瓷的制造方法看出，現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)大面積晶粒定向玻璃陶瓷的制造工藝問題，但高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展急需解決大面積晶粒定向玻璃陶瓷的制造問題，同時(shí)，制造工藝復(fù)雜，成本高、生產(chǎn)規(guī)模小也是目前迫切需要解決的問題。
本發(fā)明的任務(wù)就是根據(jù)高新科學(xué)技術(shù)對(duì)大面積晶粒定向玻璃陶瓷的需求，分析現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，在深入研究玻璃陶瓷定向機(jī)理和晶化理論的基礎(chǔ)上，探求簡(jiǎn)化工藝過程和加工設(shè)備，降低成本，生產(chǎn)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(yīng)用。
本發(fā)明大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法主要是將配合料熔融均化，成型為薄片玻璃并進(jìn)行退火，兩面拋光，置于均勻的溫度場(chǎng)中，在其析晶溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行晶粒定向微晶化處理，使其充分析晶，再進(jìn)行后加工，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(jié)合說明書附圖對(duì)本方法詳述如下(1)針對(duì)使用要求，選取可析出晶粒定向玻璃陶瓷的玻璃系統(tǒng)，加熱熔融并均化，澆注成型為薄片玻璃，兩面拋光，為了后加工方便和省料，在澆注和加工時(shí)使其最終厚度大于兩倍自然厚度0～3mm，要求表面光潔。
上述玻璃自然定向厚度的定義是對(duì)塊狀玻璃在其析晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)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干擾過的定向?qū)樱@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采用的玻璃進(jìn)行差熱分析，確定其析晶溫度范圍，將2×2×1的薄片玻璃一面拋光，置于溫度均勻的爐內(nèi)，在析晶溫度范圍內(nèi)使其充分定向析晶，將定向析晶后的玻璃從中間切開，顯出2×1m端面，對(duì)端面在顯微鏡下進(jìn)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，將玻璃置于表面光潔、平整的金屬或非金屬板上，放在均勻的溫度場(chǎng)中，在其析晶溫度范圍內(nèi)，使其充分晶化，升溫速度應(yīng)控制在樣品不炸裂，熱處理時(shí)間以玻璃充分晶化為原則，最高熱處理溫度應(yīng)控制在樣品不變形，本玻璃系統(tǒng)的析晶溫度一般在400～1100℃之間，析晶時(shí)間在2-10小時(shí)，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范圍，保溫至充分析晶。用以上的處理工藝最大可處理Φ80-100m/m制品。
(3)晶粒定向玻璃陶瓷的后加工，經(jīng)上述熱處理工藝獲得的晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料，晶粒定向方向垂直于玻璃的表面，在片狀玻璃的兩面同時(shí)向內(nèi)生長(zhǎng)為定向?qū)?，其中央為從析晶中排擠出的氣泡，雜質(zhì)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)，后加工就是從厚度中央剖為兩層，將靠近中央部分的非定向?qū)蛹庸さ?，可得到兩片定向?qū)油暾牟Ａ沾善瑺畈牧?見圖2)，對(duì)于晶粒定向的玻璃陶瓷，其定向方向單一。


圖1經(jīng)定向微晶化處理后的片狀材料半成品圖2經(jīng)后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?qū)油暾牟Ａ沾善瑺畈牧?.非定向析晶過渡層
3.表示定向方向的箭頭本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在均勻溫度場(chǎng)中進(jìn)行晶粒定向微晶化處理，設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，能制造大面積產(chǎn)品，可制得Φ80-100mm性能均勻的片狀材料，這種材料機(jī)電性能不隨時(shí)間，溫度和靜壓力改變，靈敏度穩(wěn)定。而且可大規(guī)模生產(chǎn)，制成產(chǎn)品成本也低，在國(guó)際市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力。
實(shí)施例選擇SrO、SiO2、TiO2玻璃系統(tǒng)，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(yàn)確定析晶溫度范圍在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(jīng)磨拋后成為3.1mm左右的薄片，將此薄片置于均勻的溫度場(chǎng)中定向析晶，從厚度中央剖為兩片，將缺陷層磨掉，可制得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(quán)利要求
1.一種大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法，先將玻璃熔融均化，制成薄片，其特征是將成型的片狀玻璃兩面拋光，置于均勻的溫度場(chǎng)中，在其析晶溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行晶粒定向微晶化處理，使其充分析晶，再進(jìn)行后加工，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(jù)權(quán)利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法，其特征是所述片狀玻璃為了后加工方便和節(jié)省材料，其最終厚度可控制在大于兩倍自然定向厚度0～3mm.
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法，其特征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(jù)權(quán)利要求1所述的大面積晶粒定向玻璃陶瓷片狀材料的制法，其特征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范圍內(nèi)，保溫至充分析晶。
全文摘要
本發(fā)明為一種采用精細(xì)復(fù)合技術(shù)制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(chǔ)玻璃系統(tǒng)，將其熔融均化澆注成薄片，將退火良好的玻璃端面精加工后，置于均勻的溫度場(chǎng)中，在析晶溫度范圍內(nèi)，進(jìn)行定向微晶化處理，晶化后的半成品，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(zhǎng)的片狀材料。本發(fā)明工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C03B32/02GK1087882SQ92114218
公開日1994年6月15日 申請(qǐng)日期1992年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月11日
發(fā)明者丁振亞, 孫詩(shī)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(qǐng)人:武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生部