DE1421927A1 - Crystalline or glassy-crystalline material with a negative or very small coefficient of thermal expansion - Google Patents
Crystalline or glassy-crystalline material with a negative or very small coefficient of thermal expansionInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
- C03C10/0018—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents
- C03C10/0027—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and monovalent metal oxide as main constituents containing SiO2, Al2O3, Li2O as main constituents
Description
SIEMENS-SCHTOKgRIWERKE Erlangen., de&5. Mär? 1060SIEMENS-SCHTOKGRIWERKE Erlangen., De & 5. Mar? 1060
. Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.. Aktiengesellschaft Werner-von-Siemens-Str.
PA 60/1197PA 60/1197
Kristalliner oder glasig-kristalliner Werkstoff mit negativem oder 3ehr . kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten - Crystalline or glassy-crystalline material with negative or 3ehr. small coefficient of thermal expansion -
Es ist bekannt, die Entglasungsneigung von Gläsern bei höheren Temperaturen zum Herstellen kristalliner oder glasig-kristalliner, keramikähnlicher Werkstoffe auszunutzen. Wird nämlich ein Q-las einige Zeit auf seiner Entglasungstemperatur gehalten, so wird es in einen kristallinen oder glasig-kristallinen Zustand umgewandelt* Hierbei treten Kristalle auf, die sich aus den Glasköfliponenten bei der Entgl&sung zu bilden vermögen. Je nach Zusammensetzung des GKLases und der Entglasungsführung kann das Endprodukt entweder, vollständig kristallin sein oder noch-teilweise eine;Glasphase enthalten. !Derartige Stoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung sind z.B# JLn der deutschen Auslegeschrift 1 045 056 beschrieben worden· Bs ist auch bekannt, zur E'rzielung schwach ■-■ ·...·.';.' ,' -. . -" -- ι -Jj It is known that the tendency of glasses to devitrify at higher temperatures can be used to produce crystalline or vitreous-crystalline, ceramic-like materials. If a Q-las is kept at its devitrification temperature for some time, it is converted into a crystalline or glassy-crystalline state * Crystals appear here, which are able to form from the glass flip components during devitrification. Depending on the composition of the GKLases and the devitrification procedure, the end product can either be completely crystalline or still partially contain a glass phase. ! Such substances and processes for their production have been described, for example, in the German Auslegeschrift 1 045 056. It is also known to obtain weak ■ - ■ · ... ·. ';.' , '-. . - "- ι -Jj
142132? ■142132? ■
positiver thermischer Ausdehnungskoeffizienten von lithiurahaltigen ■ öläsern auszugehen, aus denen sick bei der Entglasung der 3 ■ Spodumen (LipO.AlpQv,45iOp),.-dessen thermische Ausdehnung ' praktisch Null ist, ausbildet; ein solcher Werkstoff ist in der vorgenannten deutschen Auslegeschrift beschrieben,- Ferner ist bekannt» daß bei keramischen Zusammensetzungen, die beim Brand zum.. Idthiummirieral Eukryptit (Li2O.Al2Q,*2SiO2) führen, ,die thermisehe Ausdehnung stärker negativ eingestellt werden kann als mit |6-Spodumen. 'positive thermal expansion coefficients of lithiura-containing ■ oleums, from which sick forms during devitrification of the 3 ■ spodumene (LipO.AlpQv, 45iOp), - whose thermal expansion is practically zero; Such a material is described in the German Auslegeschrift mentioned above, - It is also known that in ceramic compositions which lead to Idthiummirieral Eucryptite (Li 2 O.Al 2 Q, * 2SiO 2 ) on fire, the thermal expansion is more negative can be set as with | 6-spodumene. '
Segenstand der Erfindung ist ein neuer aus der G-lasphase gewonnener kristalliner oder glasig-^kristalliner, keramikähnlicher Werkstoff, der sich insbesondere'durch einen negativen oder sehr kleinen thermischen Auadehnungakoef ffari ent en, durch hohe femperaturwechaölbeatändigkeit und mechanische Festigkeit gegenübe> bisher bekannten Werkstoffen Vtergleichbarer Art auszeichnete Ί)βτ^ Werkstoff gemäß der Erfindung, besteht überwiegend aus β-Τ$νϋ&τ$φ1ίίϊ, als Eiitglasüngs- v produkt«. Besonders vorteilhaft ist der: Werkstoff mit einem /S-Eukryptit aiit .Iii^Q*^berschuß bis zu^ 10 Gew.-^, vorzugsweise von ; 5 Gew.-^. Für gewisse Αητ/rendungsfälle $st ein Entglasungsprodiikt günstigy das neben dem p-Eukrypti't vorallem au3 Hagnesiumtitanat. besteht. Ferner, ißt es vorteilhelft, aen^-Eukryptit-Anteil .auf mindestens 60 Qrew«-5C zu bemessen» Der erfindungsgemäße Werkstoff kann in der Weise hergestellt werden» daß ein die Komponenten des p-Eukryptit enthaltendes Glas» vorzugsweise mit Li9Q-ttber~The subject of the invention is a new crystalline or vitreous crystalline, ceramic-like material obtained from the glass phase, which is more comparable to previously known materials, in particular due to a negative or very small thermal expansion coefficient, high resistance to temperature changes and mechanical strength Kind of excellent Ί) βτ ^ material according to the invention, consists predominantly of β-Τ $ νϋ & τ $ φ1ίίϊ, as a Eiitglasüngs- v product «. Particularly advantageous is the: material with a / S-eucryptite aiit .Iii ^ Q * ^ excess of up to ^ 10 wt .- ^, preferably of; 5 wt .- ^. For certain cases of end-use, a devitrification prodiict is favorable, in addition to the p-eucrypt, above all hagnesium titanate. consists. Further, it eats vorteilhelft, ate ^ -Eukryptit component "to be dimensioned -5C" .on at least 60 Qrew The material of the invention can be prepared in such a way "that the components of a p-eucryptite glass containing" preferably Li Q 9 ttber ~
schußf durch Wärme behandlung zur Entglasung gebracht wird._ Zur Biidung des Magnesiumtitanats im Entglasungsprodukt werden ß.en Ausgangsglas-Komponenten MgO und TiO2 beigemischt, und zwar Öt5. bis 10 Grew*-·^ IiO2, vorzugsweise 5 Crew.-#, und ^i;i bis SO MgQ, vorzugsweise 10 Gew.-^, Bie spezielle Ausführungaform d#ewird._ weft treatment by heat brought to devitrification to Biidung of Magnesiumtitanats in Entglasungsprodukt ß.en starting glass components MgO and TiO 2 are added, namely E t 5 to 10 Grew * - * ^ IiO 2, preferably 5 Crew.- #, and ^ i; i to SO MgQ, preferably 10 wt .- ^, Bie special execution aform d # e
Werkstoffes gemäß der Erfindung, -bei der der ß-Eukryptit
.einen Ligö-öberschuß aufweist, baut auf der Peststellung auf,
daß die Wärmekontrakt ion des reinen stöchiometrischen Eukryptits
dur-oh die Zugabe von überschüssigem Li2O erheblich gesteigert
werden kann, wie dies aus der nachstehenden Tabelle I zu entnehmen
ist. In dieser sind der thermische Ausdehnungekoeffzient (Ot), die Transformations(Tg)-*und Erweichungspunkte (Ep) für
vier Proben mit verschiedenem LipO-tfberschuß im Grla3- und entglasten Zustand angegeben* Die zur Entglasung angewendete'Tem
peratur lag ^j «weile, bei t200°C»Material according to the invention, -in the case of the ß-eucryptite
. Has a Ligö excess, builds on the plague position that the heat contract ion of the pure stoichiometric eucryptite can be significantly increased by the addition of excess Li 2 O, as can be seen from Table I below. In this the thermal expansion coefficient (Ot), the transformation (Tg) - * and softening points (Ep) are given for four samples with different lipo excess in the glass and deglazed state. while, at t200 ° C »
" '' - Tabelle I ■ ■ ' -'■''- "'' - Table I ■ ■ '-' ■ '' -
Öew.^Öew. ^
- ' / , ' V ' ■·- '/,' V '■ ·
30-65O0O .30-65O 0 O.
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fio-800ö0fio-800 ö 0
ßi* T*bell· «iigt, daß die Aüedehnungskoeffsientanßi * T * bell · «iigt that the expansion coefficient
frohen a1$t&-a happy a1 $ t & -a
eureur
«ntgiaeten«Ntgiaeten
^" '"" ORIGINAL^ "'" "ORIGINAL
■temperatur im glastechnischen Sinne liegen muß. Je höher die Temperatur darüber hinaus bemessen wird, desto schneller voll- . zieht sich der Entglasungsvorgang. Andererseits kann der Grad ; der Entglasung auch durch die Bemessung der Behandlungszeit mit jener. Temperatur beeinflußt werden. Durch beide Parameter, also durch Behandluhgstemperatur und -Zeit, können die Zahl und die Größe der sich bei der Entglasung bildenden Kristalle und damit die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften des Werkstoffes in einem verhältnismäßig..weiten Bereich beeinflußt werden. Bei den in der Tabelle I angegebenen Beispielen" liegt die untere. Entglasungstemperatur bei etwa 950 C· V/ählt.jnian, wie* oben angegeben, eine Behandlungstemperatur von 12O00C> so erreicht aan.,in+Jtih*E; Stunde bereits eine vollständige Entglasung des Auegangematerials. . . ..■ temperature must be in the technical glass sense. In addition, the higher the temperature is measured, the faster full. the devitrification process is dragging on. On the other hand, the degree can; the devitrification also by measuring the treatment time with that. Temperature can be influenced. Both parameters, i.e. the treatment temperature and time, can influence the number and size of the crystals formed during devitrification and thus the mechanical, thermal and electrical properties of the material in a relatively wide range. Hours already;. The figures in Table I examples "the lower devitrification temperature at about 950 C * V / ählt.jnian is as * stated above, a treatment temperature of 0 C 12O0> Sun reaches aan in Jtih + * E. a complete devitrification of the waste material ...
Das oben beschrieböne thermiBche Ausdehnurigsverhälten des durch ,· \ Entglasung gewonnenen ^S-Eukryptit mit IiigO-tfberechuß wird -erfindungsgemäß zur Bildung von kristallinen oder gläeig-kriBtallineti» keramikähnlichen Materietlien mit ntgeti^eifc^eiinaelwc/ Au?.i · kleinem theimlachen Ausdehüungskoeffi zienteh ausgenutζt.The above beschrieböne thermiBche Ausdehnurigsverhälten the recovered by, · \ devitrification ^ S-eucryptite with IiigO-tfberechuß is -erfindungsgemäß the formation of crystalline or gläeig-kriBtallineti "ceramic-like Mate Riet Lien with ntgeti ^ eifc ^ eiinaelwc / outdoor .i · small theimlachen Ausdehüungskoeffi zienteh exhausted.
Ea ist bekannt, bei Gläsern Borsäurezusätze; zu'verwenden, um die SchmelzfÄhigkeit der Ausgangsstoffe des Glases zu verbessern. Durch eolche Zusätze-wird·: die Zähigkeit der Schmelze bei .höheren Temperaturen herabgesetzt und bei niedrigen,Temperaturen erhöht.. ; Erfindungsgemäß >wird dies dazu ausgenutzt, um die untere Entglasungstemperatur beträchtlich zu senken* Damit erzielt manEa is known to add boric acid to glasses ; zu'use to improve the melting ability of the starting materials of the glass. Such additives: ·: The toughness of the melt is reduced at .higher temperatures and increased at lower temperatures ..; According to the invention> this is used to reduce the lower devitrification temperature considerably
für die technische Durchführung des Entglasungsprozeases einen erheblichen Vorteils Bei verhältnismäßig tiefen ^Temperaturen t a considerable advantage for the technical implementation of the devitrification process. At relatively low temperatures t
8 0 9812/"0%Ö"08 0 9812 / "0% Ö" 0
(Temperaturen in der Nails äes Erweichungspunktes) wird die freie Beweglichkeit der einzelnen Moleküle behindert und die' Bildung von Kristallisationszentren gefördert. Durch die erhöhte Zähigkeit des Glases bei niedriger Temperatur wird die lineare Kristallisationsgeschwindigkeit erniedrigt. Bei kleiner linearer · Kirstallisationsgeschwiridigkeit und großem spontanen Kristallisationsvermögen wird die ganze. Glasmasse von kleinsten Kristallen durchsetzt; dies ist" für die Homogenität des Endproduktes von großer Bedeutung.(Temperatures in the nail's softening point) the free mobility of the individual molecules is hindered and the formation of crystallization centers is promoted. Due to the increased toughness of the glass at low temperature, the linear crystallization rate is reduced. If the linear crystallization speed is low and the spontaneous crystallization capacity is high, the whole. Glass mass interspersed with tiny crystals; this is "of great importance for the homogeneity of the end product.
Es wird ferner die Feststellung ausgenutzt, daß ein TiO2-Anteil die thermische Kontraktion des ρ-Eukryptit mit Ii2O-Überschuß stark vermindert, während die Zugabe von MgO in Gegenwart von TiO2 diese Wirkung zum Teil kompensiert. Durch die"Bemessung der TiOp und.MgO-Zusätze kann also das thermische Ausdehnungsverhalten in einem gewissen Bereich in gewünschter Weise eingestellt werden. In Tabelle II sind die thermischen Ausdehnungsköeffzienten (QC) für einige Werkstoffe der vorgenannten Art angegeben. The finding that a TiO 2 content greatly reduces the thermal contraction of the ρ-eucryptite with an Ii 2 O excess, while the addition of MgO in the presence of TiO 2 partially compensates for this effect is used. By "dimensioning the TiOp und.MgO additives, the thermal expansion behavior can be adjusted as desired within a certain range. Table II shows the thermal expansion coefficients (QC) for some materials of the aforementioned type.
- 5 - . Bl/Fa- 5 -. Bl / Fa
809812/0300809812/0300
ITr. . ... ..ί ·
ITr. . ... ..
(S) . . Λ ■Bukryptite
(S). . Λ ■
schuß (g)Li 2 0-over-
shot (g)
,· .1.; _5
,· .1
Temperatur
zur Entglasung
(1 Stunde) (0O)- .Applied. ':
temperature
for devitrification
(1 hour) ( 0 O) -.
•H "-·■■■
Ή
S ■ - ■ 20-X0C
Al
ω W) o "
Λ ti o
03 ti C- -..-·■
a»-p2 20-80O0C
U ti ö ·
(D 01 (D .j I.
• H "- · ■■■
Ή
S ■ - ■ 20-X 0 C
Al
ω W) o "
Λ ti o
03 ti C- -..- · ■
a »-p2 20-80O 0 C
U ti ö
(D 01 (D .j
-24• 600 °
-24
400°
0»
400 °
0
7-320 °
7th
5- 22Ό Ο
5
.36* V ^ V--
.36
Die .Proben Nr. 2, 3 und 4 zeigen, daß es. mögli.ch ist, bei dem erfindungsgemäßen. Werkstoff über einen Bereich von einigen iOO C einen praktisch verschwindenden oder quarzähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffzienten zu erreichen. Dies ist' bei der Verwendung von keramischen Körpern in vielen Bereichen. ; . der Technik, insbesondere wenn diese einer extremen Temperaturwechselbeanspruchung ausgesetzt sind, von Wichtigkeit. Dieses _;- The samples No. 2, 3 and 4 show that it. mögli.ch is in the invention. Material to achieve a practically vanishing or quartz-like coefficient of thermal expansion over a range of a few 100 ° C. This is the case with the use of ceramic bodies in many areas. ; . of technology, especially when they are exposed to extreme thermal shock loads. This _; -
80981271)30080981271) 300
. Verhalten ist z.B. von Vorteil, wenn Keramikteile mit Metallteilen verbunden werden sollen. So ist es z.B. mit dem erfindungsgemäßen Werkstoff möglich, auf eine Stromdurchführung aus einem Werkstoff gemäß Probe Nr. 2 einen metallischen Gewindering aufzuschrumpfen oder aufzulöten, ohne daß dabei die Gefahr einer Rißbildung besteht. Diese Eigenschaften eröffnen dem erfindungsgemäßen Werkstoff zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Technik, z.B. in der Elektrotechnik als. keramischer Isolierkörper, Stützer, Stabisolator, für Röhrenteile und dergleichen. Für zahlreiche dieser Anwendungen ist der erfindungsgemäße Werkstoff dem 'bekannten Elektropörzellan überlegen.. Behavior is advantageous, for example, when ceramic parts with metal parts should be connected. For example, with the material according to the invention, it is possible to use a current feedthrough To shrink or solder a metallic threaded ring from a material according to sample no. 2 without doing so there is a risk of cracking. These properties open up numerous application possibilities for the material according to the invention in technology, e.g. in electrical engineering as. ceramic insulator, post, rod insulator, for tube parts and the like. For many of these uses it is the material according to the invention the 'known electrical porcelain think.
Außer der Anpassungsfähigkeit des Ausdehnungskoeffzienten sind, wie schon oben erwähnt wurde, die mechanischen und thermit sehen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffes besonders bemerkenswert, und zwar insbesondere dessen große Härte, die z.B. vergleichbar ist mit Achat, dessen außerordentlich hohe Biegebruch-, Zug- und Abriebfestigkeit. Hieraus ergeben sich weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Werkstoffes, bei denen' 9b* auf- diese; apeaiellen Eigenschaften·.ankommti, z.B.. als. ,WÄrkeiöff iXü*/noöh^ Geräte, wieIn addition to the adaptability of the expansion coefficient, as already mentioned above, the mechanical and thermal properties of the material according to the invention are particularly noteworthy, in particular its great hardness, which is e.g. comparable to agate, its extremely high flexural strength, tensile strength and abrasion resistance. This results in further applications of the material according to the invention, in which ' 9b * these; apeal properties · .arrommti, eg. as. , WÄrkeiöff iXü * / noöh ^ devices, such as
Turbinen, Verbrennungsmaschinen und dergleichen. ·Turbines, internal combustion engines and the like. ·
.8 Patentansprüche.8 claims
- 7"- *-"'■■ Bl/Fa- 7 "- * -" '■■ Bl / Fa
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