CN110937808B - 一种低熔点高红外发射率的散热玻璃及其制备方法 - Google Patents

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    • C03C4/00—Compositions for glass with special properties

Abstract

本发明公开了一种低熔点高红外发射率的散热玻璃，按摩尔百分比计，包括如下组份：60～80mol％的TeO2、1～3mol％的Al2O3、10～20mol％的ZnF2、5～15mol％的Na2CO3和1～5mol％的V2O5。本发明得到的散热玻璃，其在8～14μm波段的红外辐射率均在0.90以上，特别是在V2O5摩尔掺杂量到达3mol％时，其红外发射率高达0.965，散热性能好且能保持良好的可见光透过性。同时散热玻璃的熔点低，熔制过程的温度仅需800～900℃，且熔制时间短，全程在空气氛围下进行，工艺简单易行。

Description

一种低熔点高红外发射率的散热玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于散热玻璃材料技术领域，具体涉及一种低熔点高红外发射率的散热玻璃及其制备方法。
背景技术
红外辐射玻璃材料是在红外辐射技术日益成熟下的一种新型光热转换材料，该材料在常温下就具有高红外发射率及光热转换性能，已经在环保、医疗、军事、节能、工业等领域得到了不同程度的应用。
目前，人们使用电子产品的机会越来越多，而随着电子产品在集成化、轻薄化日益发展过程中，极大减少了其散热空间，散热问题就成为电子产品安全首当其冲的问题。电子产品如果在运行中所产生大量的热散不出去，轻则影响产品的使用寿命，重则烧坏电子产品，更有可能引发火灾，造成重要损失。
人们日常生活中使用的手机，当运行游戏或者应用程序打开较多时，会出现CPU卡顿甚至死机重启等严重问题，这是由于手机中硬件过热而触发了芯片的自我保护程序而出现的卡顿、重启现象。为了解决这一问题，目前生产厂家主要是采用在内部芯片涂覆高散热性复合材料。这虽然可以缓解散热问题，但它还有个致命缺陷，就是热量还存在手机内部，无法快速的散热出去。如果在这类器件背部使用高散热性的玻璃则可以更好的解决这一问题。目前针对散热玻璃的研究相对较少，主要是通过结构改变增加玻璃散热性，例如CN110139537A公开的散热玻璃，在玻璃本体中制造若干个导热孔，所述导热孔中填充导热塞，以此方式散热。但是这种散热玻璃不仅制作复杂，而且像手机这种微小电子器件，导热孔也就无法制作太大，所以散热效果会受到限制。另外还有通过在玻璃表面镀膜的方式增加玻璃散热性，例如CN109839692A公开的散热玻璃，在出光面的凹凸结构镀一层厚度为40μm的含有散热材料的油墨，利用散热材料可以起到散热效果。但是这种玻璃不仅需制作一个凹凸结构用于镀膜，还需要石墨烯、氮化硼等散热材料，成本相对就较高。除此之外，还有就是设计玻璃夹层，玻璃板通过结合其他物质，从而达到散热的效果。例如CN208174787U公开的钢化散热玻璃手机壳，PC外壳层镶嵌导热硅胶层，再加上钢化玻璃层，这种组合虽然能达到散热效果，但是这种手机壳需要三层结构，制作复杂，手机壳质量大，而且钢化玻璃制作成本较高，而本发明的这种散热玻璃可以起到三合一的效果，既可以充当手机外壳，而且散热效果显著，还可以起到防止手机防摔伤的作用。再例如CN206337176U公开的散热玻璃，就是在玻璃板夹层中填充一层凝胶，通过气凝胶低导热系数的物理特性，使玻璃层具有隔热效果，所以这种玻璃准确来说是隔热玻璃，但如果我们的产品需要将内部的热量释放出去，这种玻璃板就会起反作用，起到保温作用，所以这种玻璃夹层存在一定局限性。
发明内容
针对现有散热玻璃中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低熔点高红外发射率的散热玻璃，其在8～14μm波段的红外辐射率均在0.90以上，特别是在V2O5摩尔掺杂量到达3mol％时，其红外发射率高达0.965且可见光透过率为69.63％。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种低熔点高红外发射率的散热玻璃，按摩尔百分比计，包括如下组份：
TeO2 60～80mol％；
Al2O3 1～3mol％；
ZnF2 10～20mol％；
Na2CO3 5～15mol％；
V2O5 1～5mol％。
优选的，所述低熔点高红外发射率的散热玻璃，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000021
优选的，所述低熔点高红外发射率的散热玻璃，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000022
Figure BDA0002350078610000031
发明人发现，当V2O5摩尔掺杂量到达3mol％时，其红外发射率已经高达0.965，继续提高V2O5掺杂量，红外发射率基本保持不变，但是可见光透过率下降明显，因此在本发明优选的V2O5掺杂量下，既能实现高的红外发射率，也能保持良好的可见光透过率。
本发明还提供了上述低熔点高红外发射率的散热玻璃的制备方法，将各原料组分混合研磨，经熔制、退火处理制得所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃；
其中，熔制过程在空气中进行，熔制过程的温度为800～900℃。
优选的，所述熔制时间为20～30min。
优选的，所述退火过程在空气下进行，退火过程的温度为300～350℃，时间为2～5h。
本发明采用V2O5作为掺杂材料部分取代ZnF2，发明人发现，V2O5在原子最外层有未成对电子从而导致电子跃迁更容易发生，而电子的振动、转动以及晶格的振动会使得偶极矩发生变化从而产生红外辐射，偶极矩的变化也就越大，红外辐射能力也就越强，因此V2O5的掺杂可以显著提升材料的红外发射率，进而能够作为高效散热材料将基体的热量以辐射的形式快速高效地辐射出去从而降低基体的温度。同时，因为钒的价电子结构为3d34s3，具有较大的半径和未充满的外电子层，所以钒易产生极化，钒离子以[VO6]八面体形式进人玻璃的网络结构中，还能显著降低玻璃熔化温度。综上所述，本发明在通过V2O5的掺杂与其它各组分之间的协同作用下，能够得到一种低熔点高红外发射率的散热玻璃。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明得到的散热玻璃，其在8～14μm波段的红外辐射率均在0.90以上，特别是在V2O5摩尔掺杂量到达3mol％时，其红外发射率高达0.965，散热性能好且能保持良好的可见光透过性。
2、本发明得到的散热玻璃较普通玻璃材料熔点低，熔制过程的温度仅需800～900℃，且熔制时间短，全程在空气氛围下进行，工艺简单易行。
附图说明
图1为实施例1-3和对比例1制得的样品在8～14μm波段的红外发射率图；
图2为实施例1-3和对比例1制得的样品的可见光透过率图；
图3为实施例2和对比例1-2制得的样品的降温速率图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围：
本发明的实施例和对比例中均采用IR-2型双波段辐射率测量仪测试样品的红外辐射性能。所述IR-2型双波段辐射率测量仪的测试原理是反射法原理，即通过采用主动黑体辐射源测定待测物体表面的法向反射率，进而测出待测物体表面在特定红外波段吸收率α，根据基尔霍夫定律，物体吸收率在数值上与其辐射率相等，其α＝ε，从而测出被测物体红外波段的辐射率。
降温速率测试是在一个热源稳定的加热平台上进行，加热平台可以测得实时的温度，在玻璃样品表面粘贴一个温度探测器，将样品从室温加热到100℃，然后停止加热，将样品放置在空气中进行散热，开始记录降温数据，从100℃降温到35℃，每隔30s记录一个温度，这些散点就是得到我们降温速率的曲线图，通过温度差和时间差之比就可以得到降温速率。
实施例1
本实施例的玻璃样品，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000041
(1)按摩尔百分比分别称取所需的各组成原料；
(2)将各组成原料分别在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，放入刚玉坩埚内，在850℃进行煅烧30min，使粉末混合物完全熔融，高温熔融时无需在气氛保护下进行，仅在空气中进行即可；
(3)将熔融状态下的物料倒入在马弗炉内提前预热好的石墨模具中，并在该300℃下进行3h的去应力退火处理，然后随炉冷却到室温；
(4)从模具中取出样品，然后将样品打磨成半径30mm，厚度3mm的圆片玻璃，再用金刚石微粉溶液抛光至块状玻璃表面呈镜面光滑为止。
经IR-2型双波段辐射率测量仪测得本实施例制得的样品的红外发射率为0.923；可见光透过率为72.77％；散热速率约为0.31℃/s。
实施例2
本实施例的玻璃样品，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000051
(1)按摩尔百分比分别称取所需的各组成原料；
(2)将各组成原料分别在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，放入刚玉坩埚内，在850℃进行煅烧30min，使粉末混合物完全熔融，高温熔融时无需在气氛保护下进行，仅在空气中进行即可；
(3)将熔融状态下的物料倒入在马弗炉内提前预热好的石墨模具中，并在该300℃下进行3h的去应力退火处理，然后随炉冷却到室温；
(4)从模具中取出样品，然后将样品打磨成半径30mm，厚度3mm的圆片玻璃，再用金刚石微粉溶液抛光至块状玻璃表面呈镜面光滑为止。
经IR-2型双波段辐射率测量仪测得本实施例制得的样品的红外发射率为0.965；可见光透过率为69.63％；散热速率约为0.43℃/s。
实施例3
本实施例的玻璃样品，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000052
(1)按摩尔百分比分别称取所需的各组成原料；
(2)将各组成原料分别在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，放入刚玉坩埚内，在850℃进行煅烧30min，使粉末混合物完全熔融，高温熔融时无需在气氛保护下进行，仅在空气中进行即可；
(3)将熔融状态下的物料倒入在马弗炉内提前预热好的石墨模具中，并在该300℃下进行3h的去应力退火处理，然后随炉冷却到室温；
(4)从模具中取出样品，然后将样品打磨成半径30mm，厚度3mm的圆片玻璃，再用金刚石微粉溶液抛光至块状玻璃表面呈镜面光滑为止。
经IR-2型双波段辐射率测量仪测得本对实施制得的样品的红外发射率为0.967；可见光透过率为51.18％；散热速率约为0.45℃/s。
对比例1
本对比例的玻璃样品，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000061
(1)按摩尔百分比分别称取所需的各组成原料；
(2)将各组成原料分别在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，放入刚玉坩埚内，在1050℃进行煅烧30min，使粉末混合物完全熔融，高温熔融时无需在气氛保护下进行，仅在空气中进行即可；
(3)将熔融状态下的物料倒入在马弗炉内提前预热好的石墨模具中，并在该300℃下进行3h的去应力退火处理，然后随炉冷却到室温；
(4)从模具中取出样品，然后将样品打磨成半径30mm，厚度3mm的圆片玻璃，再用金刚石微粉溶液抛光至块状玻璃表面呈镜面光滑为止。
经IR-2型双波段辐射率测量仪测得本对比例制得的样品的红外发射率为0.812；可见光透过率为76.30％；散热速率约为0.18℃/s。
对比例2
本对比例的玻璃样品，按摩尔百分比计，包括如下组份：
Figure BDA0002350078610000062
Figure BDA0002350078610000071
(1)按摩尔百分比分别称取所需的各组成原料；
(2)将各组成原料分别在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，放入刚玉坩埚内，在1250℃进行煅烧30min，使粉末混合物完全熔融，高温熔融时无需在气氛保护下进行，仅在空气中进行即可；
(3)将熔融状态下的物料倒入在马弗炉内提前预热好的石墨模具中，并在该300℃下进行3h的去应力退火处理，然后随炉冷却到室温；
(4)从模具中取出样品，然后将样品打磨成半径30mm，厚度3mm的圆片玻璃，再用金刚石微粉溶液抛光至块状玻璃表面呈镜面光滑为止。
经IR-2型双波段辐射率测量仪测得本对比例制得的样品的红外发射率为0.806；可见光透过率为75.43％；散热速率大致为0.17℃/s。
如图1所示，随着V2O5的掺量增加，红外发射率逐渐升高，V2O5的掺量为3mol％，其红外发射率高达0.965，继续提高V2O5的掺量，红外发射率基本保持不变。
如图2所示，不掺V2O5时，可见光透过率为78.30％，而随着V2O5的掺量增加，可见光透过率逐渐下降，掺量为1mol％和3mol％的变化不大，分别为72.77％和69.63％，依然具有良好的透过性，但是当掺量为5mol％时，其可见光透过率急剧下降，仅为51.18％。
如图3所示，V2O5的掺量为3mol％时，散热玻璃从100℃降到35℃的降温时间为150s，降温速率约为0.43℃/s；不掺杂V2O5时，制得的样品从100℃降到35℃的降温时间为360s，降温速率约为0.18℃/s；而对于硅酸盐玻璃，V2O5的掺量为3mol％时，从100℃降到35℃的降温时间为390s，降温速率约为0.17℃/s。

Claims (3)

1.一种低熔点高红外发射率的散热玻璃，其特征在于，所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃，按摩尔百分比计，为如下组份：
TeO2 70mol%；
Al2O3 2mol%；
ZnF2 15mol%；
Na2CO3 10mol%；
V2O5 3mol%；
所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃的制备方法为： 将各原料组分混合研磨，经熔制、退火处理制得所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃；
其中，熔制过程在空气中进行，熔制过程的温度为800～900℃。
2.根据权利要求1所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃，其特征在于，熔制时间为20～30min。
3.根据权利要求1所述的低熔点高红外发射率的散热玻璃，其特征在于，所述退火处理在空气下进行，退火处理的温度为300～350℃，时间为2～5h。
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