CN114149179A - 一种透辉石微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents

一种透辉石微晶玻璃及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微晶玻璃技术领域，尤其涉及一种透辉石微晶玻璃及其制备方法。所述透辉石微晶玻璃由包括以下组分的原料制备得到：SiO245wt％～55wt％；Al2O31wt％～5wt％；CaO 20wt％～30wt％；MgO 10wt％～18wt％；Na2O 1wt％～5wt％；K2O 1wt％～6wt％；TiO2大于0wt％，小于等于8wt％；Rb2O 0.01wt％～4wt％；CeO20.01wt％～8wt％；所述各组分的用量之和为100％。本发明中，各组分在特定的配比下协同作用，最终得到的透辉石微晶玻璃的导热性能和力学性能均较优。

Description

一种透辉石微晶玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及微晶玻璃技术领域，尤其涉及一种透辉石微晶玻璃及其制备方法。
背景技术
随着5G网络技术的普及，5G智能手机开始量产，这也对机身材料性能提出更高的要求。透辉石微晶玻璃具有抗弯强度高、表面硬度大和介电常数低等优异性能，是一种非常有前景的手机机身材料；但是透辉石微晶玻璃的导热系数较低，面对发热量大的5G模组，目前还无法满足5G智能手机的散热要求。因此，研究并制备具有高导热性能手机背板用透辉石微晶玻璃具有重要的应用价值。国内外对透辉石微晶玻璃导热性能的研究大多采用烧结法制备透辉石玻璃，但烧结法制备微晶玻璃往往存在一定含量的气孔，不利于透辉石微晶玻璃导热系数的提高。
目前，市面上性能最优异、应用较广泛的无机非金属材质手机背板要数ZrO2陶瓷手机背板。ZrO2陶瓷手机背板拥有优异的性能，有较好的抗压强度、抗弯强度、维氏硬度，导热系数1.6-2.1W/(m·K)。尽管ZrO2陶瓷手机背板拥有优异的性能，但其也存在着制备成本高(约200元/块)、良品率低(20％-30％)和导热系数低等问题，导致其目前无法普及应用。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种透辉石微晶玻璃及其制备方法，本发明提供的透辉石微晶玻璃的导热性能和力学性能均较优。
本发明提供了一种透辉石微晶玻璃，由包括以下组分的原料制备得到：
Figure BDA0003440339270000011
Figure BDA0003440339270000021
所述各组分的用量之和为100％。
优选的，所述原料中，SiO2的含量为45wt％～51wt％；
Al2O3的含量为4wt％～5wt％。
优选的，所述原料中，CaO的含量为20wt％～26wt％；
MgO的含量为10wt％～16wt％。
优选的，所述原料中，Na2O的含量为1wt％～2wt％；
K2O的含量为1wt％～2wt％。
优选的，所述原料中，TiO2的含量为2wt％～4wt％。
优选的，所述原料中，Rb2O的含量为1wt％～3wt％。
优选的，所述原料中，CeO2的含量为1wt％～3wt％。
本发明还提供了一种上文所述的透辉石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
A)将原料混匀后，在1500～1600℃下熔炼；
B)将所述熔炼后的玻璃液浇铸成型后，在580～620℃下退火；
C)将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理，得到透辉石微晶玻璃。
优选的，步骤A)中，所述熔炼的时间为1.5～2.5h；
步骤B)中，所述退火的时间为0.8～1.2h。
优选的，步骤C)中，将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理之前，还包括：
将所述退火后的玻璃材料升温至870～910℃，所述升温的速率为8～12K/min；
所述热处理后，还包括：冷却至室温。
本发明中，添加适量氧化铈能够降低玻璃的玻璃转变温度和析晶峰值温度，促进微晶玻璃的致密化和结晶度。铷元素可以提高微晶玻璃的结晶度和晶体尺寸，提高力学性能，这两种组分配合其他组分在特定的配比下协同作用，最终得到的透辉石微晶玻璃的导热性能和力学性能均较优。
实验结果表明，本发明提供的透辉石微晶玻璃的维氏硬度大于7.1GPa，结晶度不低于45％，热扩散系数大于0.77mm2/s，导热系数大于1.5W/(m·K)，可知，本发明制备的透辉石微晶玻璃的力学性能和导热性能较优。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种透辉石微晶玻璃，由包括以下组分的原料制备得到：
Figure BDA0003440339270000031
所述各组分的用量之和为100％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料包括SiO2。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，SiO2的含量为45wt％～51wt％。在某些实施例中，所述SiO2的含量为45wt％、47wt％、48wt％、49wt％、50wt％或51wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括Al2O3。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，Al2O3的含量为4wt％～5wt％。在某些实施例中，所述Al2O3的含量为5wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括CaO。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，CaO的含量为20wt％～26wt％。在某些实施例中，所述CaO的含量为20wt％、22wt％、24wt％或26wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括MgO。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，MgO的含量为10wt％～16wt％。在某些实施例中，所述MgO的含量为10wt％、12wt％、14wt％或16wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括助熔剂Na2O。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，Na2O的含量为1wt％～2wt％。在某些实施例中，所述Na2O的含量为1wt％或2wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括助熔剂K2O。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，K2O的含量为1wt％～2wt％。在某些实施例中，所述K2O的含量为1wt％或2wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括成核剂TiO2。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，TiO2的含量为2wt％～4wt％。在某些实施例中，所述TiO2的含量为2wt％或4wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括Rb2O。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，Rb2O的含量为1wt％～3wt％。在某些实施例中，所述Rb2O的含量为1wt％、2wt％或3wt％。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备原料还包括CeO2。在本发明的某些实施例中，所述制备原料中，CeO2的含量为1wt％～3wt％。在某些实施例中，所述CeO2的含量为1wt％、2wt％或3wt％。
在本发明的某些实施例中，制备原料均采用分析纯，制备原料均由麦克林试剂提供。
本发明还提供了一种上文所述的透辉石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
A)将原料混匀后，在1500～1600℃下熔炼；
B)将所述熔炼后的玻璃液浇铸成型后，在580～620℃下退火；
C)将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理，得到透辉石微晶玻璃。
本发明提供的透辉石微晶玻璃的制备方法中，采用的原料组分和配比同上，在此不再赘述。
步骤A)中：
在本发明的某些实施例中，所述混匀的方法为：在陶瓷研钵中研磨混合均匀。
在本发明的某些实施例中，所述熔炼的温度为1550℃。
在本发明的某些实施例中，所述熔炼的时间为1.5～2.5h。在某些实施例中，所述熔炼的时间为2h。
在本发明的某些实施例中，所述熔炼在坩埚中进行。
步骤B)中：
在本发明的某些实施例中，将所述熔炼后的玻璃液浇铸成型包括：
将所述熔炼后的玻璃液倒入480～520℃的不锈钢模具中，浇铸成型。
在某些实施例中，所述不锈钢模具的温度为500℃。
在本发明的某些实施例中，所述退火的温度为600℃。
在本发明的某些实施例中，所述退火的时间为0.8～1.2h。在某些实施例中，所述退火的时间为1h。
在本发明的某些实施例中，所述退火后，还包括：随炉冷却至室温。
步骤C)中：
在本发明的某些实施例中，将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理之前，还包括：
将所述退火后的玻璃材料升温至870～910℃，所述升温的速率为8～12K/min。
在某些实施例中，所述升温的速率为10K/min。
在本发明的某些实施例中，将所述退火后的玻璃材料升温至870～910℃前，还包括：切割。本发明中，可以根据实际需要将所述退火后的样品切割成所需尺寸的玻璃块。在本发明的某些实施例中，切割后的玻璃块的尺寸为30mm×30mm×3mm。本发明中，切割可以通过切割机进行。
在本发明的某些实施例中，所述热处理的温度为890℃。
在本发明的某些实施例中，所述热处理的时间为0.5～1.5h。在某些实施例中，所述热处理的时间为1h。在某些实施例中，所述热处理在马弗炉中进行。
在本发明的某些实施例中，所述热处理后，还包括：冷却至室温。
本发明中，在玻璃成分中添加CeO2和Rb2O，在整体析晶时促进分相、提高结晶度来提升微晶玻璃整体的性能。透辉石微晶玻璃的析晶从玻璃表面开始，并逐渐向内部生长，透辉石微晶玻璃表面首先出现随机数量的晶核并逐渐向玻璃内部生长。本发明采用一步整体析晶法制备透辉石微晶玻璃，可以减少气孔对声子的散射作用，提高导热性能。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种透辉石微晶玻璃及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例中，制备原料均采用分析纯，制备原料均由麦克林试剂提供。
实施例12和对比例1～2
按照表1所示的组分选取原料(原料总量为300g)，将制备原料在陶瓷研钵中研磨混合均匀后，装入坩埚内，在1550℃熔炼2h；将所述熔炼后的玻璃液倒入500℃的不锈钢模具中，浇铸成型；将浇铸成型后的玻璃在600℃下退火1h后，随炉冷却至室温，得到基础玻璃；
将所述基础玻璃用切割机分割成30mm×30mm×3mm的玻璃块。将切割完成的玻璃块体放入马弗炉中，以10K/min的速率升温至890℃，在890℃下热处理1h后，随炉冷却至室温，得到透辉石微晶玻璃。
表1实施例12和对比例1～2的透辉石微晶玻璃的制备原料及含量(原料含量的单位是wt％)
Figure BDA0003440339270000061
表1(续表一)
Figure BDA0003440339270000071
对实施例1～12和对比例1～2的透辉石微晶玻璃的性能进行检测，结果如表2所示。
表2实施例1～12和对比例1～2的透辉石微晶玻璃的性能检测结果
Figure BDA0003440339270000072
Figure BDA0003440339270000081
热膨胀系数采用德国耐驰公司DIL402型热膨胀仪对透辉石微晶玻璃的线热膨胀系数进行检测，所述透辉石微晶玻璃尺寸大小为5mm×5mm×20mm，测试温度为25～300℃，升温速率10℃/min；
采用激光闪射法检测透辉石微晶玻璃的热扩散系数，微晶玻璃尺寸大小为10mm×10mm×2mm，检测温度为30℃；
导热系数是表征材料传递热量能力的物理量。透辉石微晶玻璃的导热系数可通过公式λ＝αCpρ计算得到，其中，λ为导热系数；α为热扩散系数；Cp为比热容；ρ为密度；
采用显微硬度计检测透辉石微晶玻璃的维氏硬度，压力为49N，保压时间为10s，每个样品测量5次，去掉最大值和最小值后求平均值。
从表2可以看出，本发明制备的透辉石微晶玻璃的维氏硬度大于7.1GPa，结晶度不低于45％，热扩散系数大于0.77mm2/s，导热系数大于1.5W/(m·K)，可知，本发明制备的透辉石微晶玻璃的力学性能和导热性能较优。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种透辉石微晶玻璃，由包括以下组分的原料制备得到：
Figure FDA0003440339260000011
所述各组分的用量之和为100％。
2.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，SiO2的含量为45wt％～51wt％；
Al2O3的含量为4wt％～5wt％。
3.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，CaO的含量为20wt％～26wt％；
MgO的含量为10wt％～16wt％。
4.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，Na2O的含量为1wt％～2wt％；
K2O的含量为1wt％～2wt％。
5.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，TiO2的含量为2wt％～4wt％。
6.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，Rb2O的含量为1wt％～3wt％。
7.根据权利要求1所述的透辉石微晶玻璃，其特征在于，所述原料中，CeO2的含量为1wt％～3wt％。
8.权利要求1所述的透辉石微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
A)将原料混匀后，在1500～1600℃下熔炼；
B)将所述熔炼后的玻璃液浇铸成型后，在580～620℃下退火；
C)将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理，得到透辉石微晶玻璃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述熔炼的时间为1.5～2.5h；
步骤B)中，所述退火的时间为0.8～1.2h。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤C)中，将所述退火后的玻璃材料在870～910℃下热处理之前，还包括：
将所述退火后的玻璃材料升温至870～910℃，所述升温的速率为8～12K/min；
所述热处理后，还包括：冷却至室温。
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