CN1784363A - 灯光反射器基材,玻璃、玻璃陶瓷材料以及它们的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及玻璃、玻璃陶瓷材料、灯光反射器以及它们的制造方法。该玻璃材料具有以下组成,以总组成的重量为基准计,包含56-67%SiO2;9-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及由有效量的至少一种澄清剂产生的组分。本发明的玻璃陶瓷材料的主要晶相为β-石英固溶体,可通过对该玻璃陶瓷材料进行合适的热处理制得。该玻璃陶瓷材料特别适用于具有如下要求的耐热灯光反射器:小于75纳米的高表面平滑度Ra、在25-300℃之间小于10×10-7K-1的低CTE和厚度为3毫米时、在约1050纳米处的红外透射率大于80%。
Description
发明领域
本发明涉及灯光反射器、玻璃和玻璃陶瓷材料以及它们的制造方法。具体来说,本发明涉及高压电弧放电灯的耐热玻璃陶瓷灯光反射器基材,该基材中主要的晶相为β-石英固溶体,这种玻璃陶瓷材料包含的主要晶相为β-石英固溶体,本发明还具体地涉及该前体玻璃材料和玻璃灯光反射器基材,以及制造这种灯光反射器基材的方法。
发明背景
投影显示系统用高强度光源透过图像产生装置和光学器件照射,然后通过投影光学器件投影到屏幕上。优选用于投影显示器的灯包括位于反射结构之内,用来产生高强度光束的高强度电弧放电灯。特别对于数字数据投影仪和数字投影大屏幕电视,由于小尺寸的电弧和所展开(developed)的光谱在屏幕上达到更平衡的彩色输出和高亮度(流明/平方厘米),这些灯需要高温稳定的反射器,。对于便携式数据投影仪,对产生更高亮度的更短电弧灯的强烈需求,已成为了商业趋势。
由于上述灯的特性,对反射器基材材料有许多的要求。由于灯的尺寸较小,该材料可能在最高可达约550℃的温度下操作,该温度超过了低热膨胀硼硅酸盐玻璃的使用温度。而且打开或关闭灯时,会在该反射器基材中产生更高的瞬时热梯度,从而产生更高的热应力,这可能会导致破裂。热膨胀系数极低(≤10×10-7K-1)的材料可减少由瞬时热梯度产生的热应力,从而更不容易产生热破裂。
对该反射器基材材料的另一要求是通过该材料除去或转移红外热辐射,使得沿光路发送较少的红外热辐射。高强度灯光反射器的反射表面使用多层涂层,该多层涂层设计成使红外辐射可在其中透射,而又可以反射可见辐射。它被称为冷镜涂层。然而,这种反射器基材材料还需要能够透过近红外(热)辐射波长,以便除去热量。这需要其中有低含量的近红外吸收种类,例如过渡金属氧化物,尤其是氧化铁。
为了具有高效的反射表面,所述基材材料必须具有极平滑的表面构造。对于玻璃陶瓷材料,这需要极细颗粒(小微晶尺寸)的材料。如此形成的用于反射器的平滑表面,使得在施涂涂层之前,不需要对表面抛光,或仅需要最少的抛光。
为得到合理的制造过程,该基材材料最好通过玻璃成形法形成,例如用精密轮廓柱塞(plunger)将其压入模具中,从而转移精确的轮廓,并使其被玻璃陶瓷所保持,从而使从灯中发射的光束具有所需的形状。还希望在保持任意前体玻璃良好的均匀性和低晶数的同时,降低其熔化温度。出于近红外透射的需要,需要使用低铁的批料。
曾经提出用各种玻璃陶瓷材料制造这种灯光反射器。日本专利公开第1992-367538号和第1992-348302号公开的玻璃陶瓷材料灯光反射器的主要晶相是β-锂辉石(Li2O·Al2O3·4SiO2)和/或β-锂霞石(Li2O·Al2O3·2SiO2)的固溶体。已知包含β-锂辉石和β-锂霞石的玻璃陶瓷材料是低热膨胀的耐热材料。然而,根据日本专利公开第1992-348302号的描述,即使以精加工成具有光滑表面的玻璃前体来制造,在用来形成β-锂辉石或β-锂霞石固溶体的结晶过程中,结晶产品也经常会变得粗糙。陶瓷化处理(ceramming)之后,反射器的糙度可达100纳米,有时可超过500纳米。如此高的糙度不经进一步的表面抛光是无法直接沉积反射涂层的。
现有技术灯光反射器的另一个问题是在反射表面上产生的微裂。这种裂纹会在陶瓷化加热处理或灯光反射器的寿命周期(life cycle)中产生。这种裂缝通常蔓延至反射涂层,降低光反射效率,从而降低光输出一致性(consistency)。
因此,仍然需要制造能够在晶化时不需要另外进行表面抛光、耐热、低热膨胀、高表面平滑度的灯光反射器基材
本发明人发现,可通过控制前体玻璃的组成和陶瓷化(结晶)过程,来制造主要晶相为β-石英固溶体的玻璃陶瓷灯光反射器基材。这样制造的灯光反射器具有超高压电弧放电灯所需的表面光滑度、耐热性、热膨胀和近红外透射度。
本发明基于该发现。
发明概述
根据本发明的一个方面,提供一种玻璃陶瓷材料,该材料不进行抛光就能够形成表面糙度Ra<75纳米的玻璃陶瓷制品,该材料的主要晶相为β-石英固溶体,在25-300℃之间的热膨胀线性系数≤10×10-7K-1,厚度为3毫米时,1050纳米的光透射率>80%,以总组成的重量为基准计,包含56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及由至少一种澄清剂(refining agent)产生的组分。
较佳的是,本发明的玻璃陶瓷材料包含2-4重量%的P2O5。根据本发明的一个实施方式,本发明的玻璃陶瓷材料包含0.3-0.5重量%的F。
较佳的是,作为主要晶相的β-石英固溶体组成至少95体积%的本发明的玻璃陶瓷材料。如果本发明的玻璃陶瓷材料包含其它晶相的话,可包含金红石和锌光晶石。
所述澄清剂可以是以有效澄清量在熔制玻璃中使用的本领域技术人员已知的任何澄清剂,例如As2O3、Sb2O3、SnO2、CeO2、氯化物、硝酸盐和磷酸盐化合物。在一个实施方式中,用Al2O3作为澄清剂。较佳的是至少将硝酸盐用作其中一种澄清剂。
根据本发明的另一个方面,提供一种具有本发明玻璃陶瓷材料的化学组成的玻璃材料。可通过对该玻璃材料进行合适的热处理制得本发明的玻璃陶瓷材料。
在本发明的又一个方面,提供一种包含本发明玻璃陶瓷或玻璃材料的灯光反射器。
可将本发明的灯光反射器与各种灯结合使用,这些灯包括例如金属卤化物灯。包含本发明玻璃陶瓷材料的灯光反射器特别宜用于高压灯,尤其是超高压(UHP)汞放电灯,这种灯通常在高温下操作。
在本发明的另一实施方式中,提供一种制造耐热玻璃陶瓷灯光反射器基材的方法,包括以下步骤:
(i)以一定含量混合原料,使其熔化制得的玻璃具有以下组成,以总玻璃组成的重量为基准计,包含56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及至少一种有效量的澄清剂,例如As2O3、Sb2O3、SnO2、CeO2、氯化物、硝酸盐和磷酸盐化合物。
其中使氧化铁污染最小;
(ii)在最高1550℃的温度下,将步骤(i)的原料混合物熔化成玻璃熔体,然后对其进行澄清和匀化;
(iii)使步骤(ii)的玻璃熔体形成灯光反射器基材的玻璃模制件(moulding),该模制件具有平均表面糙度Ra小于75纳米的反射表面;
(iv)对所述玻璃反射器模制件进行退火和冷却;
(v)将所述玻璃反射器基材模制件的温度升高至600-750℃之间的成核温度Tn,并将该模制件在此温度范围保持至少15分钟;
(vi)将所述玻璃反射器基材的温度升高到700-850℃的陶瓷化温度Tc;
(vii)将反射器基材的温度在该陶瓷化温度保持30分钟以上,使其完全结晶成β-石英固溶体;
(viii)将该反射器基材冷却至室温;
从而制得主要晶相为β-石英固溶体、具有小于75纳米平均糙度Ra的反射表面的耐热玻璃陶瓷灯光反射器基材。
较佳的是,在步骤(i)中使原料成比例,使玻璃熔体包含2-4重量%的P2O5。根据本发明的一个实施方式,在步骤(i)中使原料成比例,使玻璃熔体包含0.3-0.5重量%的F。
在一优选实施方式中,在步骤(v)中,Tn约为650℃,在大约2小时内,以大约300℃/小时的速率将玻璃模制件升温至此温度;在步骤(vi)中,Tc约为750℃,在大约2小时内,以大约50℃/小时的速率将模制件从Tn升温至Tc;在步骤(vii)中,将模制件保持在Tc(750℃)约1-2小时,从而完成结晶。
本发明的其它特征和优点将在接下来的详细说明中阐明,通过阅读本说明书,这些特征和优点对本领域技术人员将是容易显而易见的,或者也可通过实践书面说明书和权利要求书以及附图所述的发明认识到这些特征和优点。
应当理解前面的概述和以下的详述仅为本发明的示例,是为了提供纵览或框架,以理解本发明所要求的特性和特征。
附图是用于进一步理解本发明,这些附图结合入本文,构成本说明书的一部分。
附图简述
在附图中,
图1是本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材的X射线衍射图。峰说明该灯光反射器基材主要的晶相是β-石英固溶体。
图2是现有技术的玻璃陶瓷灯光反射器基材的X射线衍射图。峰说明该灯光反射器基材主要的晶相为β-锂辉石固溶体。
图3是壁厚约3毫米、未涂布冷镜涂层的本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材的光透射率曲线。
图4、5和6是本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材样品的截面TEM显微照片。
图7和8是市售的玻璃陶瓷灯光反射器基材样品的截面TEM显微照片。
图9、10、11和12是另一种市售的玻璃陶瓷灯光反射器基材样品的截面TEM显微照片。
具体实施方式
投影系统正在快速改进。大体的趋势是投影系统正在变得更紧凑。较小的成像系统需要较小的灯电弧来保持高的光会聚率。另一趋势是更高的屏幕流明(亮度)。为了达到高屏幕流明,透射灯需要有高亮度。高亮度需要放电等离子体具有高的温度。已经开发出了超高压(UHP)短电弧汞放电灯用于高亮度投影仪,这种灯在最高可达200巴的压力下运作,其灯外壳(envelop)温度最高可达1100℃。除了高亮度以外,UHP汞放电灯的另一优点是发射的光获得了更平衡的颜色。595纳米以上红光的发射强烈依赖于灯压。例如,200巴的灯所发射的红光可比160巴运作的灯多20%。
在小型投影仪中使用UHP灯对灯光反射器有特殊的要求。首先,所用的反射器尺寸较小。其次,由于放电电弧和灯外壳的高温,该反射器可能必须在最高可达550℃的高温下运作。另外,开灯或关灯时可能对反射器基材带来温度冲击。派热克斯型硼硅酸盐玻璃、甚至碱土金属铝硅酸盐玻璃都没有满足该要求的足够高的操作温度或足够低的热膨胀率。如果在这种严酷环境下使用这些玻璃,可能会产生破裂。所述反射器非常需要在操作温度范围内(室温至约550℃)具有小于10×10-7K-1的热膨胀率的材料。所述灯光反射器的第三个要求是精确的表面轮廓,例如抛物线形或椭圆形,从而有效地会聚和反射光。第四,同样是为了有效地反射光线,反射表面需要有高表面平滑度。由于涂布在反射器基材上的反射层通常很薄,反射表面上将带有反射器基材的表面裂缝或不规则。因此,在涂布反射层之前,反射器基材应具有极平滑的内表面。即使是反射表面上的肉眼不可见的极小粗糙晶粒、微裂和杂质,也可能会降低该照明系统的效率,甚至可能会造成失灵。对该灯光反射器的第五个要求是其在红外和近红外波长的透射率。UHP电弧放电等所消耗的很大一部分电能以红外和近红外光的形式发射。希望这些“热”光线不要与可见光一起被灯光反射器反射到光路中,而是希望它们透射过反射层和反射器壁而散逸。
制备这些玻璃陶瓷灯光反射器的方法通常包括以下步骤:熔化玻璃;使玻璃熔体形成反射器基材的模制件;将冷却的玻璃模制件加热至成核温度,在此温度下晶核生长;将该模制件进一步加热至结晶温度(陶瓷化),从而将玻璃模制件转化成低热膨胀率的玻璃陶瓷灯光反射器基材;钻出用于通过电极导线(lead)的孔;在反射表面上涂布反射层,从而完成灯光反射器,在该灯光反射器上将安装UHP汞电弧放电灯。
公开这种玻璃陶瓷反射器及其制造方法的文献包括上文所述的日本专利公开第1992-367538号和第1992-348302号。这两篇参考文献中的主要晶相是β-锂辉石和/或β-锂霞石的固溶体。对购自日本Okamoto的产品的XRD分析说明,反射器基材中的主要晶相确实是β-锂辉石固溶体,以及少量的β-锂霞石固溶体。图2是该产品的XRD图。该产品为乳白色。尽管可制造这种玻璃陶瓷灯光反射器基材,并将其用于UHP灯,但是还知道在这些反射器中形成的晶体可能非常粗糙,使得不进行另外抛光就无法在这样糙度的反射表面上直接涂布反射层。然而,对形成的玻璃陶瓷反射器进行另外抛光成本高而又困难,提高了产品的最终成本。
本发明人还发现,可制造具有极佳性能、主要晶相为β-石英固溶体的玻璃陶瓷灯光反射器基材。如此形成的灯光反射器具有上面所需的性质,特别是不需另外的表面抛光便具有小于75纳米的良好表面平滑度。该灯光反射器尤其适合在高温下运作的UHP的需要。该反射器可制成具有符合投影仪照明系统小型化趋势的紧凑尺寸。
以重量百分数表示,本发明灯光反射器的玻璃陶瓷材料包含:56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3,以及由至少一种以有效澄清量的澄清剂产生的组分,例如As2O3、Sb2O3、SnO2、CeO2、氯化物、硝酸盐和磷酸盐化合物。较佳的是,本发明灯光反射器的玻璃陶瓷材料包含2-4重量%的P2O5。根据本发明的一个实施方式,本发明的玻璃陶瓷材料包含0.3-0.5重量%的F。这些用于本发明灯光反射器基材的玻璃通常在低于1550℃的温度熔化,使其可在较小的市售玻璃熔炉内熔化。加入B2O3和P2O5导致低熔化温度。加入P2O5具有几个优点。首先,它帮助降低玻璃熔化温度。其次,它使玻璃具有更好的液态性质,这有益于灯光反射器基材的形成过程。另外,它在陶瓷化周期中促进了核的形成。因此,加入2-4重量%的P2O5可帮助制造高平滑表面的玻璃陶瓷基材。已经发现,玻璃的组成和结晶过程都会影响最终玻璃陶瓷灯光反射器的表面平滑度。对于该组成范围以外的玻璃,即使能够形成具有可接受平滑度反射表面的玻璃模制件,在晶化过程中,通常也会由于表面上或附近的晶粒生长得过大、或由于产生微裂(或微裂缝),使该反射表面变得过于粗糙。本发明人意外地发现,通过向批料内加入F,并将其含量控制在占最终玻璃组成的0.3-0.5%,可以显著减少结晶过程中的微裂。将玻璃批料中Li2O的含量控制于3.4-3.8%有助于形成β-石英固溶体晶相。为了控制本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材的红外和近红外透射率,很重要的是这些批料中基本不含FeO、CuO等之类的红外吸收组分。在作为SiO2源的批料中优选低铁沙子。还希望在玻璃熔融过程中尽可能避免铁污染。以本发明玻璃陶瓷材料中Fe2O3的重量以百万分之一为单位表示的铁含量通常应控制在500ppm以下。在现实中,玻璃陶瓷材料中的铁可以是+2价或+3价。希望尽可能多的铁是+3价。在玻璃中作为成核剂的TiO2和ZrO2的含量能够大大影响结晶速率和晶粒大小。因此重要的是将它们控制在上述的范围内。
进行合适的结晶时,具有上述组成的灯光反射器基材的玻璃模制件将结晶形成玻璃陶瓷反射器基材。本发明陶瓷化的灯光反射器基材的颜色为半透明的灰色或透明的褐色。其中主要晶相为β-锂辉石的玻璃陶瓷材料通常为乳白色。已通过XRD正明,本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材的主要晶相是β-石英固溶体。这些β-石英固溶体是热膨胀系数极低的亚稳态六方晶相。其通常的组成为(Li2,R)O·Al2O3·nSiO2,其中n在2-10间变化,R为二价阳离子,通常为Mg2+或Zn2+。
本发明的玻璃陶瓷灯光反射器基材通过以下步骤制造:(i)以合适的配比混合批料;(ii)在玻璃熔炉内熔化该批料混合物,并对玻璃熔体进行匀化和澄清处理;(iii)使玻璃熔体形成反射表面糙度Ra小于75纳米的玻璃模制件;(iv)对该玻璃模制件进行退火处理;(v)将冷却的玻璃模制件加热至成核温度,在此温度下晶核形成;(vi)将玻璃模制件进一步加热至结晶温度,在此温度下它们发生陶瓷化;(vii)对形成的玻璃陶瓷灯光反射器基材进行冷却和退火。除了玻璃组成以外,步骤(v)和(vi),即成核和结晶步骤的温度-时间变化情况也决定着晶相、它们的聚集和晶粒大小,从而决定着最终玻璃陶瓷灯光反射器基材的最终质量。
如上所述,为了使最终灯光反射基材具有良好的红外、特别是近红外透射率,需要批料基本不含红外和近红外吸收组分。因此优选将低铁含量沙子用作SiO2源。之前需要进行酸处理,以降低沙子和其它批料中铁的含量。重要的是确保对批料的处理本身不会引入氧化铁。可将无水硼酸用作B2O3源。可将锂辉石、细氧化铝和偏磷酸铝用作原料。在本发明的一个实施方式中,用As2O3澄清玻璃。优选对玻璃进行氧化。在一优选实施方式中,将NH4NO3之类的硝酸盐用作至少一种澄清剂。硝酸盐还可将玻璃中痕量的Fe2+氧化成Fe3+。因为氧化铁的红外吸收是由Fe2+而不是Fe3+引起的,使用硝酸盐可改进本发明玻璃和玻璃陶瓷材料的红外透射性质。本领域的技术人员可根据玻璃陶瓷材料所计划的最终组成,计算批料的用量。然后将混合物的批料加入玻璃熔炉,并按照传统的玻璃熔化方法使其熔化。玻璃熔化领域的技术人员能够在上述组成范围内调节批料的组成,从而精细调节玻璃的熔化容易程度,以适应玻璃熔炉的操作能力和温度。可以用传统方法对玻璃熔体进行匀化和澄清。当一些熔化温度高于1600℃的玻璃才可以结晶形成β-石英固溶体玻璃陶瓷材料时,这种高温熔化通常必须在大而昂贵的熔炉内进行。另外,这种高熔化温度玻璃的液体行为通常需要较高温度的挤压和模制。因此,该玻璃材料本身构成本发明的一个方面。
然后将该匀化、澄清过而且热均一的玻璃熔体注入高温模具,形成玻璃灯光反射器基材模制件。为使表面糙度小于75纳米并具有精确的表面形状,需要用精密的柱塞对填入模具中的玻璃料进行挤压。还要求所述柱塞不会在反射器基材的表面上引入红外吸收氧化物或其它缺陷。然后将模制件从模具内移出,转移至玻璃退火炉内除去模制件中的足够应力,用于进一步的加工。然后为了控制质量,检查和分析冷却的玻璃模制件的化学和物理性质。测试表面糙度和轮廓。基材的反射面通常应具有平滑而精确的抛物线型或椭圆型轮廓。在一些派热克斯类硼硅酸盐玻璃能够满足要求的用途中,这些玻璃模制件可不经进一步陶瓷化便用作灯光反射器基材,并接收进一步的精加工步骤,例如涂布反射涂层。由于高表面糙度和精确的轮廓,这些玻璃灯光反射器提供高而稳定的流明输出。这些玻璃灯光反射器基材构成本发明的另一个方面。
为了制造本发明的玻璃陶瓷灯光反射器,将这样制造的玻璃模制件放入陶瓷化窑内进行结晶处理。对窑内的温度-时间变化关系进行程序控制和最优化,确保这些玻璃模制件形成主要晶形为β-石英固溶体的玻璃陶瓷灯光反射器基材,该基材反射表面的糙度约小于75纳米。如上所述,玻璃的组成和陶瓷化过程中的热历程决定着最终产品中最终的晶相、它们的聚集和微晶尺寸。通常首先将玻璃铸造物加热至成核温度Tn,在此温度下晶核开始形成。然后将它们加热到甚至更高的最高陶瓷化温度Tc,在此温度下晶体在核上生长。在从Tn加热到Tc的过程中继续形成晶核。通常需要使模制件在Tc保持一段时间,使结晶达到所需的程度,从而避免微裂。为了获得本发明的玻璃陶瓷灯光反射器基材,成核温度Tn在600-750℃,最高陶瓷化温度Tc为700-850℃。相信更高的Tc会使玻璃陶瓷材料中的β-石英固溶体不可逆地转化为β-锂辉石。这种转化通常伴随着微晶尺寸增大(通常是5-10倍)。大的微晶尺寸可能产生粗糙的反射表面。因此,通常应将Tc控制在850℃以下,使主要晶形为β-石英固溶体。在本发明的玻璃陶瓷材料中,除了β-石英固溶体以外,也可产生较少量的其它晶相,例如金红石和锌光晶石。陶瓷化处理之后,将这些模制件移出陶瓷化窑并冷却至室温。本领域的技术人员可对Tn、Tc和陶瓷化周期中的温度-时间变化情况进行调节,以适应上述范围内的不同玻璃组成。本发明玻璃陶瓷材料中的平均微晶尺寸可小于35纳米。冷却后的玻璃陶瓷反射器基材是半透明的灰色或透明的褐色。然后在所述灯光反射器基材上钻孔,用来容纳放电灯的电极。
为了制造在其上安装电弧放电灯的灯光反射器,最后在反射表面上涂布反射层。这些反射层宜为多层PICVD(等离子体脉冲(impulse)化学蒸汽沉积)反射涂层。该涂布过程特别适于灯光反射基材之类的三维基材。PICVD涂层的一个例子包括100层以上的SiO2和TiO2,所述SiO2和TiO2都是耐热的。所述反射涂层也可用电子束蒸发或溅射涂膜形成。所得的反射涂层可制成反射可见光,但是透射红外和近红外波长。这种涂层被称为冷镜涂层。然后红外线透射过玻璃陶瓷反射器的壁,并进一步以热量的形式散逸。
本发明的玻璃和玻璃陶瓷材料与灯光反射器结合起来描述。由本发明的玻璃材料制成的灯光反射器可用于操作温度较低,例如派热克斯类硼硅酸盐玻璃正常操作温度范围内的用途。由本发明玻璃陶瓷材料制成的灯光反射器除了用于常规投影显示器以外,还可用于使用UHP灯的用途。然而,应当理解本发明的玻璃和玻璃陶瓷材料也可用于其它设备。例如,该玻璃陶瓷材料可用作需要用到其性质的炉灶面、工作台面和建筑材料。
以下非限制性的实施例进一步说明本发明。然而应当理解,它们仅用于举例说明。因此,本发明所要求的范围不应限于这些实施例。
实施例
实施例1
用常规的玻璃熔化法制造了具有下表I中组成的玻璃。玻璃C1是对比样,该对比样不含B2O3或P2O5,其SiO2的含量高于本发明玻璃陶瓷灯光反射器所用的玻璃。实施例1-7和9-10的玻璃用于本发明玻璃和玻璃陶瓷灯光反射器。玻璃C2不含所需量的ZnO,也是对比例。
将氧化物、碳酸盐和/或氟化物原料在1550℃、在盖有盖子的Pt坩埚内熔化6小时,得到均匀的玻璃。将该玻璃倾注入水中制成粗粉。在用Pt搅拌器搅拌之前,将该玻璃粉膜在1600℃、在Pt坩埚内再次熔化5小时。玻璃在熔炉内再放置1小时,通过搅拌除去(fine out)所有气泡,然后将玻璃倒在铁板台上。在650℃对玻璃进行退火以除去应力。从完成的玻璃片上锯下小块样品,在程序控制升温的加热炉内对其进行各种陶瓷热周期处理。陶瓷化条件和所制得玻璃陶瓷材料的性质列于表II。用XRD测得该玻璃陶瓷材料的晶相信息。
应当理解尽管这些实施例中的测试都是在实验室规模下进行的,本领域的技术人员也可将其放大到大的工业玻璃熔炉和陶瓷化窑内进行。
表I
玻璃编号 | C1 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | C2 | 9 | 10 |
SiO2 | 68.1 | 64.79 | 644 | 63.49 | 62.19 | 62.79 | 62.29 | 60.79 | 55.43 | 62 | 60 |
Al2O3 | 19.3 | 20 | 19.9 | 21 | 22 | 20 | 20 | 20 | 24.2 | 20 | 20 |
Li2O | 3.45 | 3.6 | 36 | 3.9 | 4.2 | 3.6 | 3.6 | 3.6 | 3.3 | 3.6 | 3.6 |
MgO | 1.2 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.8 | 1.4 | 1.8 | 1.8 |
ZnO | 1.62 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 2.2 | 1 | 22 | 2.2 |
BaO | 0.8 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
TiO2 | 2.6 | 4.3 | 4.3 | 4.3 | 4.3 | 4.3 | 4.3 | 43 | 2.5 | 4.3 | 43 |
ZrO2 | 1.7 | - | 0.5 | - | - | - | 0.5 | - | 2.5 | - | - |
B2O3 | - | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | - | 2 | 2 |
P2O5 | - | - | - | - | - | 2 | 2 | 4 | 7.9 | 2 | 4 |
As2O3 | 0.85 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | - | 1 | 1 |
Sb2O3 | - | - | - | - | - | - | - | - | 1.5 | - | - |
Na2O | 0.14 | 0.22 | 0.22 | 0.22 | 0.22 | 0.22 | 0.22 | 0.22 | 0.26 | 0.22 | 0.22 |
K2O | 0.17 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 |
F | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.5 | 0.5 |
在1550℃的粘度(P) | 610 | 280 | 270 | 210 | 170 | 250 | 240 | 230 | 280 | 230 | 210 |
液相线温度(℃) | 1350 | 1240 | 1240 | 1255 | 1265 | 1235 | 1215 | 1205 | 1385 | 1235 | 1200 |
在液相线温度T的粘度(kP) | 7 | 11 | 10 | 7.5 | 4 | 10 | 13 | 11 | 1.7 | 8.5 | 13 |
表2
玻璃编号 | C1 | 1 | 2 | 5 | 5 | 6 | 6 | 7 | 7 | 7 | 10 | 10 |
Tc(℃) | 900 | 750 | 800 | 750 | 800 | 750 | 800 | 750 | 750 | 750 | 750 | 750 |
在Tc的时问(分钟) | 30 | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 | 120 | 30 | 60 | 120 | 60 | 120 |
Tn(℃) | 800 | - | - | - | - | - | - | 600 | 600 | 650 | 600 | 650 |
CTE25-475℃(×10-7K-1) | 1 | - | - | 1.7 | 6.1 | - | - | - | 3.7 | 2.7 | 8.7 | 9.3 |
晶相* | P2 | P1P2(sl) | P3P2P4(sl)P5(sl) | P2 | P2P3P4(sl)P5(sl) | P2 | P2P3P4(sl)P5(tr) | P2P1 | P2 | P2P4(tr)P5(tr) | P2P4(tr)P5(tr) | P2P4(tr)P5(tr) |
*按照含量顺序(峰强度)列出的相。sl:少量;tr:痕量。P1:玻璃;P2:β-石英;P3:β-锂辉石;P4:锌光晶石:P5:金红石。 |
从表I的数据可以看出,玻璃1-7和9-10在1550℃的粘度小于对比玻璃C1。尽管C1可陶瓷化成主要晶相为β-石英固溶体的玻璃陶瓷材料,但是其高的熔化温度和液相线温度使其不宜用作本发明玻璃陶瓷灯光反射器基材的前体玻璃。实际上,在1000-1550℃范围内,玻璃1-7和9-10的整个高温与粘度的关系显示出低于玻璃C1的粘度。组成信息显示,在其范围内的这种低粘度主要是通过向对比玻璃C1中加入B2O3和P2O5达到的。还显示另外向组分中加入氟,粘度会减小得更多。表I中的液相线温度对比还显示,玻璃1-7和9-10的液相线温度基本低于对比玻璃C1和C2,其中一些在液相线温度下的粘度略微较高。所有这些结果都显示了玻璃1-7和9-10在挤压形成反射器形状中的一些优点。
从表II说明最终的晶相和聚集不仅取决于玻璃的组成,而且还取决于陶瓷化周期中的温度-时间变化情况。对于在最高陶瓷化温度750℃处理120分钟的周期,仅加入B2O3的玻璃1仍然主要为玻璃态。进行相同热周期的玻璃5和6仅生成β-石英固溶体晶相,材料片保持良好的透明度,具有高反射率的平滑空气表面。这些玻璃除了包含玻璃1的B2O3以外,还包含P2O5。在这些玻璃中P2O5明显促进了成核和β-石英固溶体的生长。对于750℃最高温度的保持周期,玻璃7和10也主要为β-石英固溶体。当这些热循环的最高温度为800℃时,在X射线衍射图中出现了其它的相。当具有高的最高陶瓷化温度时,与β-石英固溶体一起出现的通常是另一种Li2O-Al2O3-SiO2相的β-锂辉石。当β-石英固溶体是主要晶相时,会有少量的锌光晶石(ZnAl2O4-尖晶石)和金红石(TiO2)。还发现主要晶相为β-石英固溶体的玻璃陶瓷材料热膨胀率倾向于低于主要晶相为β-锂辉石固溶体材料。这为主要晶相为β-石英固溶体的玻璃陶瓷金属材料增添了优点。
实施例2
用实施例1中的玻璃7形成了具有椭圆形反射表面、壁厚约3毫米的玻璃灯光反射器基材。该玻璃在市售玻璃熔炉内熔化。在后以650℃的Tn、750℃的Tc,在Tc保持60分钟的操作条件对其进行陶瓷化。测量如此制得的玻璃陶瓷灯光反射器基材的光透射性质,透射曲线见图3。结果显示厚度约为3毫米的这种玻璃陶瓷灯光反射器基材,在1050纳米的红外透光度超过80%。XRD分析显示其主要晶相为β-石英固溶体。测出的平均表面糙度低于70纳米。未观测到表面微裂。根据测量,其轮廓精确。然后用多冷镜涂层涂布该灯光反射器基材。测试显示,它适合600℃下的长期使用,具有高流明的输出均一性,在测试过程中,反射表面未出现微裂。
实施例3
在此实施例中,收集了4种玻璃片,这些玻璃片是在试验挤压操作中从玻璃熔炉内以料块形式收集出的。它们的重量约是在此试验熔炉内制造、挤压和陶瓷化过程中挤压出的玻璃反射器重量的两倍。在用于挤压的玻璃退火炉内对这些玻璃片进行退火处理。将其切成两半。各玻璃片的一半在窑内进行陶瓷化处理,与在热处理过程中选作反射器片的挤压片一起。用AFM(原子力显微镜)对这些片玻璃的样品和相应的玻璃陶瓷(代表本发明的材料)进行表征,以测定在陶瓷化处理时,这些用于目标反射器的玻璃的表面糙度是否发生了变化。对于所有来自样品片的玻璃和陶瓷化的玻璃,在各片的最初空气面上测定表面糙度。
用AFM分别在这些片制成的、反射器基材材料的样品的两块2×2微米的区域和两块20×20微米的区域上,测量其平均表面糙度。然后用AFM分别在两块2×2微米的区域和两块20×20微米的区域上,测量玻璃陶瓷基材的平均表面糙度。表面糙度的数据显示,在陶瓷化处理之后,该灯光反射器材料并没有可觉察的改变。
实施例4
在此实施例中,用TEM(透射电子显微镜)表征两种本发明的玻璃陶瓷反射器基材。对两个本发明的灯光反射器(根据略微不同的陶瓷化计划制造)进行切割,露出该反射器基材的截面。然后先用切片机将这些截面制成薄片,随后进行氩离子研磨。然后得到这些样品的TEM影像。
图4和5是本发明一玻璃陶瓷灯光反射器样品的截面TEM显微照片。图4中的箭头指向该样品的表面位置。在图4中可观察到许多陶瓷晶粒。表面和最近的晶粒之间的距离小于100纳米。相信表面和晶粒之间层是主要包含玻璃相的玻璃层。图5是样品内陶瓷晶粒的照片。该照片显示,晶粒的大小为20-60纳米。
图6是本发明另一玻璃陶瓷灯光反射器基材样品的截面TEM显微照片。与图4类似,在样品表面附近观察到了陶瓷晶粒。然而,样品的表面未显示于该照片。
实施例5(对比例)
在此实施例中,用TEM表征市售的玻璃陶瓷反射器基材。依照与实施例4所述基本相同的方法制备样品。
图7和8是该市售样品的照片。图7显示多层冷镜反射涂层和涂层下的样品区域。直到涂层之下约500纳米深度,未观察到陶瓷晶粒。然而,照片中涂层下500纳米以下的深度过厚,无法识别陶瓷晶粒。因此该样品表面以下无定形层的厚度至少为500纳米。因此在该市售样品的玻璃陶瓷基材中,具有厚度至少为500纳米的表面玻璃层。图8是显示样品内颗粒的照片。
实施例6(对比例)
在此实施例中,用TEM表征另一种市售的玻璃陶瓷反射器基材。依照与实施例4所述基本相同的方法制备样品。
图9、10、11和12是该市售样品的TEM照片。图9和10显示,表面下的无定形层的厚度约为1微米。图11显示了多层的涂层,总共约有30层。图12显示样品内的晶粒。因此,在该玻璃陶瓷基材(没有表面多层反射涂层)中,具有约1微米的表面玻璃层。
将实施例4与实施例5和6进行对比,结果显示与这些市售样品相比,本发明玻璃陶瓷灯光反射基材的玻璃表面层更薄。相信玻璃表面层的CTE与基材的玻璃陶瓷体的CTE不同。由于这种CTE的不匹配,在陶瓷化过程中可能产生微裂,从而降低产率,或者在灯在升高的温度下运作的寿命周期内产生微裂,从而降低灯的性能。因此,与市售产品相比,本发明的玻璃陶瓷灯光反射器基材应当较为不易在表面上形成微裂。
通常相信对玻璃制品的陶瓷化如果在表面上或附近形成微晶,会导致表面糙度变差。因此,相信陶瓷化时较厚的残余玻璃表面层会提高灯光反射器基材的表面质量。相信这是实施例5和6的市售样品具有较厚表面玻璃层的原因(分别约为500纳米和1微米)。然而,上文实施例3说明,本发明的玻璃陶瓷灯光反射器基材,尽管具有薄得多的玻璃层,仍然具有玻璃模制件的低表面糙度。这是本发明材料的出人意料的发现。
对本领域技术人员将是显而易见的,可以在不背离本发明范围和精神的基础上,对本发明进行各种改变和替代。因此,本发明应包括这些改变和替代,只要它们是在所附权利要求书及其等价内容范围之内。
Claims (14)
1.一种玻璃陶瓷材料,该材料不进行抛光就能够形成表面糙度Ra<75纳米的玻璃陶瓷制品,该材料的主要晶相为β-石英固溶体,在25-300℃之间的热膨胀线性系数≤10×10-7K-1,厚度为3毫米时,在1050纳米的光透射率>80%,以总组成的重量为基准计,包含56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及由至少一种澄清剂产生的组分。
2.如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料,其特征在于,包含2-4重量%的P2O5。
3.如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料,其特征在于,包含0.3-0.5重量%的F。
4.如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料,其特征在于,所述β-石英固溶体构成所述玻璃陶瓷材料的至少95体积%。
5.一种玻璃材料,具有如下组成,以总组成的重量为基准计,包含:56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及由有效量的至少一种澄清剂产生的组分。
6.如权利要求5所述的玻璃材料,其特征在于,包含2-4重量%的P2O5。
7.如权利要求5所述的玻璃材料,其特征在于,包含0.3-0.5重量%的F。
8.一种玻璃陶瓷灯光反射器基材,包含如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料。
9.如权利要求8所述的玻璃陶瓷灯光反射器基材,其特征在于,没有表面微裂。
10.如权利要求8所述的玻璃陶瓷灯光反射器基材,其特征在于,具有厚度小于100纳米的表面玻璃层。
11.一种玻璃灯光反射器基材,包含如权利要求5所述的玻璃材料。
12.一种制造耐热玻璃陶瓷灯光反射器基材的方法,该方法包括以下步骤:
(i)以一定含量混合原料,使其熔化制得的玻璃具有以下组成,以总玻璃组成的重量为基准计,包含56-67%SiO2;19-22%Al2O3;3.4-3.8%Li2O;1.8-2.6%ZnO;1.5-2.5%MgO;3.3-5%TiO2;0-2.5%ZrO2;1.5-3%B2O3;0-6%P2O5;0-0.6%F;少于500ppm的Fe2O3;以及澄清有效量的澄清剂,其中使氧化铁污染最少;
(ii)在最高至1550℃的温度下,将步骤(i)的原料混合物熔化成玻璃熔体,然后对其进行澄清和匀化;
(iii)使步骤(ii)的玻璃熔体形成灯光反射器基材的玻璃模制件,该模制件具有平均表面糙度Ra小于75纳米的反射表面;
(iv)对所述玻璃反射器模制件进行退火和冷却;
(v)将所述玻璃反射器基材模制件的温度升高至600-750℃之间的成核温度Tn,并将该模制件在此温度范围保持至少15分钟;
(vi)将所述玻璃反射器基材模制件的温度升高到700-850℃的陶瓷化温度Tc;
(vii)将反射器基材的温度在该陶瓷化温度保持30分钟以上,使其完全结晶成β-石英固溶体;并
(viii)将该反射器基材冷却至室温;
从而制得主要晶相为β-石英固溶体、具有小于75纳米平均糙度Ra的反射表面的耐热玻璃陶瓷灯光反射器基材。
13.如权利要求14所述的方法,其特征在于:
在步骤(v)中,Tn约为650℃,在大约2小时内,以大约300℃/小时的速率将玻璃模制件升温至此温度;
在步骤(vi)中,Tc约为750℃,在大约2小时内,以大约50℃/小时的速率将模制件从Tn升温至Tc;
在步骤(vii)中,将模制件保持在Tc(750℃)约1-2小时,从而完成结晶;
在步骤(viii)中,在大约1小时内将所述基材冷却至室温。
14.如权利要求14所述的方法,其特征在于,在熔化玻璃时将硝酸盐用作澄清剂。
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