CN101139170B - 以ZrO2为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料及其制备方法，它涉及二硅酸锂微晶玻璃复合材料及制备方法。它解决了现有生产周期长，成本高，产品容易变形，二硅酸锂微晶玻璃力学性能较低的问题。本发明由二硅酸锂基础玻璃和氧化锆粉体组成。制备方法为一、按照原始玻璃的成分配比球磨；二、将烘干的原料放入刚玉坩埚中高温熔化；三、将玻璃熔液倒入蒸馏水中水淬成1～2mm玻璃颗粒；四、将水淬后的玻璃颗球磨得到玻璃粉末；五、取二硅酸锂玻璃粉末与氧化锆粉体以酒精为介质进行混合球磨；六、进行真空热压烧结后，即制备出以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料。本发明不易变形、生产周期短和成本低，抗弯强度和断裂韧性指标优良。

Description

以ZrO2为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及微晶玻璃复合材料及其制备方法。

背景技术

二硅酸锂微晶玻璃是一系列析出以二硅酸锂(Li₂Si₂O₅)为主晶相的微晶玻璃的总称。由于该体系微晶玻璃具有低熔点，热膨胀系数可调等优点，在电子封装和生物医学等领域得到广泛应用。1998年，Ivoclar公司和苏黎世大学共同研制开发，采用热压铸入的制备工艺生产出二硅酸锂牙科用玻璃陶瓷材料。它具有完美的自然光泽、较好的力学性能和耐化学腐蚀性，能够满足牙冠和连接桥的应用要求。但是还不能满足对力学性能要求较高的牙根材料的使用要求。利用氧化锆增强、增韧脆性材料已有多年历史，而利用氧化锆增强微晶玻璃的研究直到近20年才引起人们重视。氧化锆相变过程的影响因素比较复杂，需要考虑氧化锆的晶粒尺寸、形貌等多方面的影响。目前，制备含氧化锆微晶玻璃的方法有熔融法、烧结法和溶胶-凝胶法。熔融法是在玻璃配料中直接加入氧化锆，这样会增加熔制的难度。而烧结法中黏度的提高会阻碍玻璃和氧化锆的烧结导致材料的致密度降低。溶胶-凝胶法的生产周期长，成本高。而且凝胶在烧结过程中陶瓷试样容易变形。

发明内容

本发明为了解决现有的熔融法是在玻璃配料中直接加入氧化锆，这样会增加熔制的难度；而烧结法中黏度的提高会阻碍玻璃和氧化锆的烧结导致材料的致密度降低；溶胶-凝胶法的生产周期长，成本高，而且凝胶在烧结过程中陶瓷试样容易变形；而上述方法制备的二硅酸锂微晶玻璃力学性能较低的问题，提供了一种以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料及其制备方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明的微晶玻璃复合材料由二硅酸锂玻璃粉末和氧化锆粉体组成，按重量百分比二硅酸锂玻璃粉末为70～95wt％、氧化锆粉体为5～30wt％制成。

二硅酸锂微晶玻璃由SiO₂为63.5～77.5wt％、Li₂O为15～19wt％、P₂O₅为1～5wt％、ZnO为2～4wt％、K₂O为4～7wt％和CaO为0.5～1.5wt％组成。

3mol％Y₂O₃全稳定的氧化锆粉体(3Y-TZP)。

二硅酸锂玻璃粉末的粒径为0.3～3μm。

本发明以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料的制备方法的步骤如下：

步骤一、按照原始玻璃的原料成分配比，将原料放在玛瑙罐中，在以200～300ml医用酒精为介质进行球磨7～9h，球磨后的原料放入烘箱内烘干，烘箱温度为50～70℃；

步骤二、将步骤一烘干的原料放入刚玉坩埚中，将坩埚放在空气气氛炉中以5～10℃/min升温速度，升温到1300～1500℃并保温2～4h，使原料粉末熔化并得到均匀一致的玻璃熔液；

步骤三、在1300～1500℃状态下取出坩埚，将玻璃熔液倒入蒸馏水中水淬成1～2mm玻璃颗粒，在温度70～90℃条件下，烘干8～12h，水分完全蒸发后备用；

步骤四、将水淬后的玻璃颗粒再放回玛瑙球磨罐中以200～300转/分钟的速度旋转；球磨22～26小时后得到玻璃粉末，粉末粒径为0.3～3μm；

步骤五、按重量百分比取二硅酸锂玻璃粉末70～95wt％、氧化锆粉体5～30wt％，在以200～300ml的酒精为介质放在玛瑙罐中进行混合球磨4～8小时后，在50～70℃烘箱中烘干；

步骤六、将烘干的混合粉末装入耐热钢模具中，放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为750～900℃，真空度为2×10⁴Pa，烧结0.5～5小时后高温脱模，即制备出以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料。

本发明方法的优点是：不易变形、生产周期短和成本低，二硅酸锂微晶玻璃体系里添加氧化锆含量的范围很宽，热压烧结过程中抽真空能够有效保证微晶玻璃复合材料的致密化，使微晶玻璃复合材料的致密度高达98％以上；该方法制备的复合材料的力学性能优良，抗弯强度在220～330MPa，断裂韧性在2.4MPa·m^1/2～3.50MPa·m^1/2，断裂韧性的指标大幅度提高。该材料广泛适用于牙冠、牙齿贴面、连接桥和牙根用料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式由二硅酸锂基础玻璃和氧化锆粉体组成，按重量百分比二硅酸锂玻璃粉末为70～95wt％、氧化锆粉体为5～30wt％制成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于按重量百分比二硅酸锂基础玻璃为70wt％、氧化锆粉体为30wt％制成。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于按重量百分比二硅酸锂基础玻璃为85wt％、氧化锆粉体为15wt％制成。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于按重量百分比二硅酸锂基础玻璃为95wt％、氧化锆粉体为5wt％制成。

具体实施方式五：本实施方式的二硅酸锂微晶玻璃按重量百分比由SiO₂为63.5～77.5wt％、Li₂O为15～19wt％、P₂O₅为1～5wt％、ZnO为2～4wt％、K₂O为4～7wt％和CaO为0.5～1.5wt％组成。

具体实施方式六：本实施方式的氧化锆采用稳定的3mol％Y₂O₃或全稳定的氧化锆颗粒3Y-TZP。

具体实施方式七：本实施方式制备方法的步骤如下：

步骤一、按照原始玻璃的原料成分配比，取200g的原料放在玛瑙罐中，以200～300ml医用酒精为介质进行球磨7～9h，球磨后的原料放入烘箱内烘干，烘箱温度为50～70℃；

步骤二、将步骤一烘干的原料放入刚玉(氧化铝)坩埚中，将坩埚放在空气气氛炉中以5～10℃/min升温速度，升温到1300～1500℃并保温2～4h，使原料粉末熔化并得到均匀一致的玻璃熔液；

步骤三、在1300～1500℃状态下取出坩埚，将玻璃熔液倒入蒸馏水中水淬成1～2mm玻璃颗粒，在温度70～90℃条件下，烘干8～12h，水分完全蒸发后备用；

步骤四、将水淬后的玻璃颗粒再放回玛瑙球磨罐中以200～300转/分钟的速度旋转；球磨22～26小时后得到玻璃粉末，粉末粒度为0.3～3μm；

步骤五、按重量百分比取二硅酸锂基础玻璃粉末70～95wt％、氧化锆粉体5～35wt％，在以200～300ml酒精为介质放在玛瑙罐中进行混合球磨4～8小时后，在50～70℃的烘箱中烘干；

步骤六、将烘干的混合粉末装入耐热钢模具中，放入真空热压烧结炉内进行热压烧结，烧结温度为750～900℃，真空度为2×10⁴Pa，烧结0.5～5小时后高温脱模，即制备出以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料。

表一：为五组二硅酸锂基础玻璃和氧化锆粉体含量不同配比的以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料

表二：由表一中五组二硅酸锂基础玻璃和氧化锆粉体原子含量不同配比经真空热压烧结制备的以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料的力学性能表

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						抗弯强度(MPa)	227	253	330	315	262
断裂韧性(MPa·m<sup>1/2</sup>)	2.41	2.58	3.54	2.93	2.42

Claims (1)

1.以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料的制备方法，所述二硅酸锂微晶玻璃复合材料由二硅酸锂基础玻璃和氧化锆粉体组成，按重量百分比二硅酸锂基础玻璃为70～95wt％、氧化锆粉体为5～30wt％；其中二硅酸锂基础玻璃按重量百分比由SiO₂为63.5～77.5wt％、Li₂O为15～19wt％、P₂O₅为1～5wt％、ZnO为2～4wt％、K₂O为4～7wt％和CaO为0.5～1.5wt％组成，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤一、按照二硅酸锂基础玻璃的原料成分配比，将原料放在玛瑙罐中，以200～300ml医用酒精为介质进行球磨7～9h，球磨后的原料放入烘箱内烘干，烘箱温度为50～70℃；

步骤二、将步骤一烘干的原料放入刚玉坩埚中，将坩埚放在空气气氛炉中以5～10℃/min升温速度，升温到1300～1500℃并保温2～4h，使原料粉末熔化并得到均匀一致的玻璃熔液；

步骤三、在1300～1500℃状态下取出坩埚，将玻璃熔液倒入蒸馏水中水淬成1～2mm玻璃颗粒，在温度70～90℃条件下，烘干8～12h，水分完全蒸发后备用；

步骤四、将水淬后的玻璃颗粒再放回玛瑙球磨罐中以200～300转/分钟的速度旋转；球磨22～26小时后得到玻璃粉末，粉末粒径为0.3～3μm；

步骤五、按重量百分比取二硅酸锂玻璃粉末70～95wt％、氧化锆粉体5～30wt％，再以200～300ml的酒精为介质放在玛瑙罐中进行混合球磨4～8小时后，在50～70℃烘箱中烘干；

步骤六、将烘干的混合粉末装入耐热钢模具中，放入真空热压烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为750～900℃，真空度为2×10⁴Pa，烧结0.5～5小时后高温脱模，即制备出以ZrO₂为增强相的二硅酸锂微晶玻璃复合材料。