CN109250919A - 一种利用激光制备薄型氧氮泡沫玻璃的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用激光制备薄型氧氮泡沫玻璃的工艺，属于无机非金属材料领域。本发明在含氧气氛中利用激光束扫描氧氮玻璃薄片，氧氮玻璃起泡后形成薄型氧氮泡沫玻璃。本发明的工艺速度快，不加发泡剂，无二氧化碳排放，且能够通过调控激光的波长、功率和光束直径等参数控制氧氮泡沫玻璃中气泡的大小,特别是氮在原子级别均匀分布，氧化时，可以得到均匀微细的气泡。本发明制备的氧氮泡沫玻璃除了作为隔热材料等常规应用外，还在等离子显示屏障壁、耐高温的电子隔热片等方面有潜在的应用。

Description

一种利用激光制备薄型氧氮泡沫玻璃的工艺
技术领域
本发明涉及一种利用激光制备薄型氧氮泡沫玻璃的工艺，即在含氧气氛中用激光速扫描氧氮玻璃来制备薄型氧氮泡沫玻璃，属于无机非金属材料领域。
背景技术
由于具有隔热，耐腐蚀，密度小，与有机高分子材料相比有一定的防火作用，泡沫玻璃作为一种功能材料获得广泛的应用。现行技术制备泡沫玻璃的原料一般使用废玻璃等工业废弃物，制备得到的泡沫玻璃强度比较低，另外现行的主流制备工艺是将基础玻璃磨成粉，加入发泡剂，稳泡剂等在钢模中于800℃左右的温度保温，利用碳酸盐等发泡剂的分解发泡来制备泡沫玻璃。因为现有工艺发泡剂与玻璃粉以粉末的形式混合，无法在微观层面混合均匀，因此发泡不均匀，结构不均匀导致泡沫玻璃强度较低，切割成薄片非常困难，所以现有工艺很难得到薄型泡沫玻璃，另外现有工艺还存在着原料二次粉碎，重熔能耗高，温室气体排放等问题。
氧氮玻璃最早是在氮化硅陶瓷的晶界处发现，氧氮玻璃是玻璃结构中的氧被一部分氮取代的玻璃，由于氮取代氧后，玻璃结构的网络性加强，玻璃的的软化点提高，耐火度提高，力学性能获得显著提高。
发明内容
针对上述技术现状，本发明要解决的第一个技术问题就是提高泡沫玻璃的力学性能问题，为此通过E玻璃氮化得到力学性能优异的氧氮玻璃作为制备泡沫玻璃的基础玻璃。本发明要解决的第二个技术问题就是解决薄型泡沫玻璃制备困难的问题。为此采用先切割后发泡的工艺路线。革新现行的泡沫玻璃发泡工艺，现行的工艺是利用碳酸盐等起泡剂发泡，能耗高，二氧化碳排放，且由于碳酸盐一般在800℃左右分解，而氧氮玻璃的软化点普遍高于800℃，因此氧氮玻璃不适合用碳酸盐来发泡。为解决第二个问题本发明采用激光的方法在含氧气氛下，让氧氮玻璃结构中的少量氮溢出形成气泡，由于氮在原子级别已经均匀分布于玻璃结构当中，因此氧化发泡非常均匀，且气泡可以非常微细，从而革新现有的泡沫玻璃制备工艺。一种利用激光制备薄型泡沫玻璃的工艺为：
a.将质量比为80wt%～95wt%的E玻璃粉和质量比为5wt%～20wt%的氮化物粉(AlN、Si3N4、BN等一种或几种的组合物)混匀后，在氮气或氨气气氛中，于1500～1700℃熔制后，在氮气保护下浇筑在带加热功能的模具中成型，再经800～950℃退火得到基础氧氮玻璃;
b.将基础氧氮玻璃切割成1～10mm厚的氧氮玻璃片，并置于氧分压PO2为0.02～0.5Mpa气氛中, 用激光束动态照射氧氮玻璃得到氧氮泡沫玻璃片，其中激光束直径为0.1～10mm，激光输出功率为10～1500W。
附图说明
图1为利用本发明工艺制备的薄型氧氮泡沫玻璃典型SEM图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明的创新性、新颖性和实用性，但本发明并不受实施例限制；
通过X射线荧光分析仪（XRF）测试下述E玻璃的化学组成见表1
表1 E玻璃的化学组成
SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> F
59.61 14.12 0.46 0.32 23.21 0.32 0.44 0.38 0.71 0.33
实施例1
将400克E玻璃粉和100克的氮化硅粉放入球磨机中球磨30分钟，混匀后将粉料倒入氮化硼坩埚中，置于有氮气保护的气氛炉中，并于1700℃熔制4小时。将熔制好的玻璃液在氮气保护下倒入有氮化硼涂层的石墨模具中，模具预先加热到400℃。待玻璃成型后迅速将玻璃转移到氮气保护的退火炉中，于950℃退火得到基础氧氮玻璃。
再将基础氧氮玻璃切割成10mm厚的玻璃片，置于氧分压PO2为0.5Mpa气氛中，用功率为1500w的激光器动态照射氧氮玻璃，激光束直径为10mm, 得到孔径尺寸为150um,气孔率60%，抗压强度为3 MPa的氧氮泡沫玻璃。经氧氮分析仪测试氧氮泡沫玻璃中的氮含量为7.93wt%。
实施例2
将475克E玻璃粉和25克的氮化铝粉放入球磨机中球磨30分钟，混匀后将粉料倒入氮化硼坩埚中，放进有氨气保护的气氛炉中，并于1500℃熔制4小时。将熔制好的玻璃液在氮气保护下倒入有氮化硼涂层的石墨模具中，模具预先加热到400℃。待玻璃成型后迅速将玻璃转移到氮气保护的退火炉中，于800℃退火得到基础氧氮玻璃。
再将基础氧氮玻璃切割成0.2mm厚的玻璃片，置于氧分压PO2为0.02Mpa气氛中，用功率为10w的激光器动态照射氧氮玻璃，激光束直径为0.1mm, 得到孔径尺寸为1um,气孔率40%，抗压强度为10MPa的氧氮泡沫玻璃。经氧氮分析仪测试氧氮泡沫玻璃中的氮含量为1.70wt%。
实施例3
将425克E玻璃粉和75克的氮化硼粉放入球磨机中球磨30分钟，混匀后将粉料倒入氮化硼坩埚中，放进有氮气保护的气氛炉中，并于1600℃熔制4小时。将熔制好的玻璃液在氮气保护下倒入有氮化硼涂层的石墨模具中，模具预先加热到400℃。待玻璃成型后迅速将玻璃转移到氮气保护的退火炉中，于850℃退火得到基础氧氮玻璃。
再将基础氧氮玻璃切割成1mm厚的玻璃片，置于氧分压PO2为0.1Mpa气氛中，用功率为30w的激光器动态照射氧氮玻璃，激光束直径为1mm, 得到孔径尺寸为10um,气孔率30%，抗压强度为20 MPa的氧氮泡沫玻璃。经氧氮分析仪测试氧氮泡沫玻璃中的氮含量为9.10wt%。
实施例4
将450克E玻璃粉和50克的氮化铝粉放入球磨机中球磨30分钟，混匀后将粉料倒入氮化硼坩埚中，放进有氨气保护的气氛炉中，并于1500℃熔制4小时。将熔制好的玻璃液在氮气保护下倒入有氮化硼涂层的石墨模具中，模具预先加热到400℃。待玻璃成型后迅速将玻璃转移到氮气保护的退火炉中，于800℃退火得到基础氧氮玻璃。
再将基础氧氮玻璃切割成0.2mm厚的玻璃片，置于氧分压PO2为0.02Mpa气氛中，用功率为10w的激光器动态照射氧氮玻璃，激光束直径为0.1mm, 得到孔径尺寸为3um,气孔率48%，抗压强度为11MPa的氧氮泡沫玻璃。经氧氮分析仪测试氧氮泡沫玻璃中的氮含量为3.40wt%。
实施例5
将450克E玻璃粉和50克的氮化硅粉放入球磨机中球磨30分钟，混匀后将粉料倒入氮化硼坩埚中，置于有氮气保护的气氛炉中，并于1700℃熔制4小时。将熔制好的玻璃液在氮气保护下倒入有氮化硼涂层的石墨模具中，模具预先加热到400℃。待玻璃成型后迅速将玻璃转移到氮气保护的退火炉中，于950℃退火得到基础氧氮玻璃。
再将基础氧氮玻璃切割成0.3mm厚的玻璃片，置于氧分压PO2为0.3Mpa气氛中，用功率为1500w的激光器动态照射氧氮玻璃，激光束直径为10mm, 得到孔径尺寸为130um,气孔率57%，抗压强度为2.8 MPa的氧氮泡沫玻璃。经氧氮分析仪测试氧氮泡沫玻璃中的氮含量为3.97wt%。

Claims (5)

1.一种利用激光制备薄型氧氮泡沫玻璃的工艺，其特征包括下述步骤：
a.将质量比为80wt%～95wt%的E玻璃粉和质量比为5wt%～20wt%的氮化物粉(AlN、Si3N4、BN等一种或几种的组合物)混匀后，在氮气或氨气气氛中，于1500～1700℃熔制后，在氮气保护下浇筑在带加热功能的模具中成型，再经800～950℃退火得到基础氧氮玻璃;
b.将基础氧氮玻璃切割成0.2～10mm厚的氧氮玻璃片，并置于氧分压PO2为0.02～0.5Mpa气氛中, 用激光束选区动态扫描氧氮玻璃片得到氧氮泡沫玻璃片，其中激光束直径为0.1～10mm，激光输出功率为10～1500W。
2.按照权利要求1所述的模具是指喷涂有氮化硼涂层的石墨模具或不锈钢模具。
3.按照权利要求1所述的激光束是指由二氧化碳激光器，固体激光器，准分子激光器、光纤激光器中的一种所产生的激光。
4.按照权利要求1，2,3制备得到的氧氮泡沫玻璃，其特征在于玻璃中氮含量为1.70 %～9.10wt%,高的孔隙率，闭孔结构，孔径尺寸为1～150μm，气孔率为30～60%, 抗压强度为2.8～20MPa。
5.按照权利要求1或4所述的氧氮泡沫玻璃的用途，除了作为常规隔热材料外，还在等离子体显示屏障壁，耐高温的电子隔热片等领域有潜在应用。
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EP0041003B1 (fr) * 1980-05-14 1984-08-22 Isover Saint-Gobain Procédé de fabrication de produits expansés en verre
CN88103119A (zh) * 1987-05-28 1988-12-07 株式会社岛津制作所 氧氮化合物玻璃及其纤维

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