CN112345581A - 材料晶化热处理的时间测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶化热处理技术领域，具体公开了一种材料晶化热处理的时间测定方法，该方法能够快速准确地测出材料的晶化保温最短时间。该方法利用差热曲线的第一吸热峰值温度Tn、第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2能够确定出较为合理的核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp，再以此对材料进行晶化热处理得到材料晶化热处理的差热曲线，并通过对材料晶化热处理的差热曲线进行分析、计算，可以快速准确地得到材料在晶化保温温度Tp下的晶化保温最短时间tps；该方法与传统方法相比，从热力学角度分析材料晶化过程中的热效应变化趋势，来测定出材料在晶化保温温度下的晶化保温最短时间，测得结果更科学、准确、高效。
Description
技术领域
本发明属于晶化热处理技术领域，具体涉及一种材料晶化热处理的时间测定方法。
背景技术
对玻璃或陶瓷通过控制其中的晶相种类以及晶体生长状态，使其获得特殊的显微结构从而制得微晶玻璃或陶瓷，具有的突出热学、力学、化学、生物学、介电及可切削加工等性能，广泛应用于日用、机械、电子、光学、医疗等各个领域。但材料的外在性能取决于其特殊多变的微观结构，在原始组分一定的情况下，微晶玻璃或陶瓷的显微结构与性能主要取决于热处理工艺，而热处理工艺的两个主要影响因素是温度和时间。
目前，对玻璃、陶瓷等材料晶化热处理的温度主要通过差示扫描量热法(DSC)或者差热分析法(DTA)进行测定。而对材料晶化热处理的晶化保温最短时间一般通过经验法确定，或者是通过在晶化热处理试验中，测定XRD晶相以及SEM观察晶体生长形貌后确定材料的晶化保温最短时间，但这些方法获得的时间准确性较差，且效率较低。
发明内容
本发明提供了一种材料晶化热处理的时间测定方法，该方法能够快速准确地测出材料的晶化保温最短时间。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：材料晶化热处理的时间测定方法，包括下列步骤：
步骤一，对材料加热测得其差热曲线，根据该差热曲线得到其第一吸热峰值温度Tn、第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2；
步骤二，以核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp对材料进行晶化热处理，得到材料晶化热处理的工艺曲线和差热曲线；其中，Tn-20℃≤Tn＇≤Tn+40℃，Tp1≤Tp≤Tp2；
步骤三，根据材料晶化热处理的差热曲线，得到晶化保温阶段的保温开始时间t1以及晶化保温阶段差热曲线变为平直状态的初始时间t2，最后计算得到材料在该晶化保温温度Tp下的晶化保温最短时间tps＝t2-t1。
进一步的是，步骤二对材料晶化热处理的过程如下：将材料放入晶化热处理设备的处理腔中，先使处理腔恒速升温至核化保温温度Tn＇并对材料进行核化保温，核化保温完成后再使处理腔恒速升温至晶化保温温度Tp并对材料进行晶化保温。
进一步的是，所述晶化热处理设备为差示扫描量热仪。
进一步的是，使处理腔恒速升温的升温速率为1～10℃/min。
进一步的是，核化保温的时间tn和晶化保温的时间tp均为24小时以下。
进一步的是，所述材料为玻璃时，其核化保温温度Tn＇＝Tg+50℃，式中Tg为玻璃转化温度。
本发明的有益效果是：该方法利用差热曲线的第一吸热峰值温度Tn、第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2能够确定出较为合理的核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp，再以此对材料进行晶化热处理得到材料晶化热处理的差热曲线，并通过对材料晶化热处理的差热曲线进行分析、计算，可以快速准确地得到材料在晶化保温温度Tp下的晶化保温最短时间tps；该方法与传统方法相比，从热力学角度分析材料晶化过程中的热效应变化趋势，来测定出材料在晶化保温温度下的晶化保温最短时间，测得结果更科学、准确、高效，为材料晶化热处理工艺的研究和制定提供了新的思路，对确定材料在不同晶化保温温度下的最短晶化热处理时间，有着重要的指导意义。
附图说明
图1是测试材料的差热曲线图；
图2是测试材料晶化热处理的工艺曲线和差热曲线图；
图3是测试A基质玻璃的差热曲线图；
图4是实施例1的工艺曲线和差热曲线图；
图5是实施例2的工艺曲线和差热曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
材料晶化热处理的时间测定方法，包括下列步骤：
步骤一，对材料加热测得其差热曲线，根据该差热曲线得到其第一吸热峰值温度Tn、第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2，如图1所示；
步骤二，以核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp对材料进行晶化热处理，得到材料晶化热处理的工艺曲线和差热曲线，如图2所示；其中，Tn-20℃≤Tn＇≤Tn+40℃，Tp1≤Tp≤Tp2；
步骤三，根据材料晶化热处理的差热曲线，得到晶化保温阶段的保温开始时间t1以及晶化保温阶段差热曲线变为平直状态的初始时间t2，最后计算得到材料在该晶化保温温度Tp下的晶化保温最短时间tps＝t2-t1。
其中，差热曲线是使用差热设备记录的热分析曲线；纵坐标为试样与参比物的温度差或热流差，向上对应放热效应，向下对应吸热效应；横坐标为温度或时间。差热曲线一般可由DSC或DTA法测得；DSC是差示扫描量热法的英文简称，其是在程序控制温度下，测量输入到试样与参比物的能量差随温度或时间变化的一种技术。在程序控制温度过程中，如：升温、降温、恒温或其组合等，测量试样与参比物之间的热流差，表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化。测试过程中，DSC测试试样与参比物受热升温必然不同，要保持此期间相同的温度，必然需要对存在的温度差△T进行差热补偿。由于受到热补偿，输入电功率必然改变，差示扫描量热仪记录的便是试样与参比物之间的补偿热功率差随时间的变化，即热效应变化。
因为非晶态材料的内能要高于相同组分的晶态，当非晶态向晶态转化时，存在或多或少的放热效应，所以测试过程中有放热效应的温度范围可作为晶化温度范围，因此限定晶化保温温度Tp处于第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2之间，是较为合理的温度选择；即在第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2分为内，材料均可以实现晶化。
在材料晶化热处理过程中，非晶态向晶相转化时，即晶化保温阶段，因为试样与参比物两者间内能差出现放热效应；随着晶相生成、长大以及转变等现象的不断完成，非晶态与晶态间的内能差不断减小，热效应不断减弱，直到晶化完成，热效应消失；该阶段DSC曲线的表现为先迅速回落，再逐渐回升，最变为平直。通过测量整个晶化保温阶段的热效应变化趋势，从晶化保温开始直到热效应消失的时间，即可表示为在相应晶化保温温度下材料晶化完成需要的最短时间；具体而言，计算DSC曲线上从晶化保温开始瞬间至曲线刚好平直、不在上升时刻，两者之间的时间差，即为在该晶化保温温度下材料晶化完成需要的最短时间。另外，由于不同晶化保温温度Tp下，晶体生长发育需要的时间可能存在较大差异，因此不同晶化保温温度Tp下测得该材料完成晶化保温所需最短时间tps一般是不相同。
优选的，步骤二对材料晶化热处理的过程如下：将材料放入晶化热处理设备的处理腔中，先使处理腔恒速升温至核化保温温度Tn＇并对材料进行核化保温，核化保温完成后再使处理腔恒速升温至晶化保温温度Tp并对材料进行晶化保温。
其中，晶化热处理设备用于对材料进行晶化热处理，其可以为多种，优选为差示扫描量热仪；在差示扫描量热仪上进行模拟晶化热处理实验，便于测得整个晶化热处理过程的DSC曲线；再通过分析测得的DSC曲线上的热信号数据，即可获得对应晶化保温温度Tp下该材料完成晶化保温所需最短时间tps。
晶化热处理过程中，通常使处理腔恒速升温的升温速率为1～10℃/min，优选为5℃/min；通常使核化保温的时间tn和晶化保温的时间tp均为24小时以下，具体时间一般根据所选材料以及核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp进行初步拟订。
该方法通过从热力学角度分析材料晶化过程中的热效应变化趋势，并结合热处理温度，能够测定出材料在不同晶化保温温度下的晶化保温最短时间，且测得结果更科学、准确、高效。该方法可用于玻璃及其他材料，特别适用于对微晶玻璃进行测定；当采用该方法对玻璃晶化热处理的时间测定时，进行晶化热处理的核化保温温度Tn＇优选为Tg+50℃，Tg为玻璃转化温度。
实施例1
某次测定A基质玻璃的晶化保温最短时间，过程如下：
1)以5℃/min的升温速率加热A基质玻璃，测得其差热曲线如图3所示，并根据该差热曲线得到其第一吸热峰值温度Tn＝498℃、第一放热峰值温度Tp1＝563℃和第二吸热峰值温度Tp2＝648℃；
2)通过上述第一吸热峰值温度498℃确定对A基质玻璃晶化热处理的核化保温温度Tn＇＝500℃，通过第一放热峰值温度563℃和第二吸热峰值温度648℃确定对A基质玻璃晶化热处理的晶化保温温度Tp＝595℃；初步设定模拟热处理试验的工艺参数为第一升温阶段升温速率为5℃/min，核化保温阶段的核化保温温度T为500℃、核化保温时间为3h，第二升温阶段升温速率为5℃/min，晶化保温阶段的晶化保温温度为595℃、晶化保温时间为3h；将A基质玻璃放入晶化热处理设备的处理腔中根据以上工艺参数进行模拟热处理试验，得到A基质玻璃晶化热处理的工艺曲线和差热曲线，如图5所示；
3)对步骤2)得到的差热曲线分析，可见核化保温阶段没有明显的热效应变化，该阶段DSC曲线为一接近平直的线；第二升温阶段，DSC曲线瞬间上升后开始缓慢回落，出现放热效应；晶化保温阶段，由于前期放热效应积累，DSC曲线迅速回落，随着保温持续，晶化不断完成，DSC曲线逐渐回升，直到晶体生长完成，放热效应消失，DSC曲线变为平直；确定晶化保温阶段的保温开始时间t1＝461min以及晶化保温阶段差热曲线变为平直状态的初始时间t2＝623min，最后计算得到A基质玻璃在晶化保温温度595℃下的晶化保温最短时间tps＝t2-t1＝162min。
实施例2
某次测定A基质玻璃的晶化保温最短时间，过程如下：
1)以5℃/min的升温速率加热A基质玻璃，测得其差热曲线如图3所示，并根据该差热曲线得到其第一吸热峰值温度Tn＝498℃、第一放热峰值温度Tp1＝563℃和第二吸热峰值温度Tp2＝648℃；
2)通过上述第一吸热峰值温度498℃确定对A基质玻璃晶化热处理的核化保温温度Tn＇＝500℃，通过第一放热峰值温度563℃和第二吸热峰值温度648℃确定对A基质玻璃晶化热处理的晶化保温温度Tp＝605℃；初步设定模拟热处理试验的工艺参数为第一升温阶段升温速率为5℃/min，核化保温阶段的核化保温温度T为500℃、核化保温时间为3h，第二升温阶段升温速率为5℃/min，晶化保温阶段的晶化保温温度为605℃、晶化保温时间为3h；将A基质玻璃放入晶化热处理设备的处理腔中根据以上工艺参数进行模拟热处理试验，得到A基质玻璃晶化热处理的工艺曲线和差热曲线，如图5所示；
3)对步骤2)得到的差热曲线分析，可见核化保温阶段没有明显的热效应变化，该阶段DSC曲线为一接近平直的线；第二升温阶段，DSC曲线瞬间上升后开始缓慢回落，出现放热效应；晶化保温阶段，由于前期放热效应积累，DSC曲线迅速回落，随着保温持续，晶化不断完成，DSC曲线逐渐回升，直到晶体生长完成，放热效应消失，DSC曲线变为平直；确定晶化保温阶段的保温开始时间t1＝521min以及晶化保温阶段差热曲线变为平直状态的初始时间t2＝662min，最后计算得到A基质玻璃在晶化保温温度605℃下的晶化保温最短时间tps＝t2-t1＝141min。
Claims (6)
1.材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，对材料加热测得其差热曲线，根据该差热曲线得到其第一吸热峰值温度Tn、第一放热峰值温度Tp1和第二吸热峰值温度Tp2；
步骤二，以核化保温温度Tn＇和晶化保温温度Tp对材料进行晶化热处理，得到材料晶化热处理的工艺曲线和差热曲线；其中，Tn-20℃≤Tn＇≤Tn+40℃，Tp1≤Tp≤Tp2；
步骤三，根据材料晶化热处理的差热曲线，得到晶化保温阶段的保温开始时间t1以及晶化保温阶段差热曲线变为平直状态的初始时间t2，最后计算得到材料在该晶化保温温度Tp下的晶化保温最短时间tps＝t2-t1。
2.如权利要求1所述的材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于，步骤二对材料晶化热处理的过程如下：将材料放入晶化热处理设备的处理腔中，先使处理腔恒速升温至核化保温温度Tn＇并对材料进行核化保温，核化保温完成后再使处理腔恒速升温至晶化保温温度Tp并对材料进行晶化保温。
3.如权利要求2所述的材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于：所述晶化热处理设备为差示扫描量热仪。
4.如权利要求2所述的材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于：使处理腔恒速升温的升温速率为1～10℃/min。
5.如权利要求2所述的材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于：核化保温的时间tn和晶化保温的时间tp均为24小时以下。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的材料晶化热处理的时间测定方法，其特征在于：所述材料为玻璃时，其核化保温温度Tn＇＝Tg+50℃，式中Tg为玻璃转化温度。
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