DE2224990A1 - Fluorglimmer Glaskeramik - Google Patents
Fluorglimmer GlaskeramikInfo
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Description
λ ι r-v λ MT->r η □ Mrnytcin 6 F R A N K FU RT A. M. W
ALEXANDER R. HERZFELD sophienstrasse si O O 0 Λ Q Q Γ)
RECHTSANWALT
Anmelderin: Corning Glass Works Corning, N. Y., USA
ffluorglimmer-Glaskeramik
Die Erfindung betrifft Fluorglimmer als" hauptsächliche Kristallphase
enthaltende Glaskeramiken mit auseezeichneten dielektrischen
Eigenschaften sowie guter maschineller Bearbeitbarkeit, ein Verfahren zu ihrer Herstellung, sowie in begrenzterem
Umfange ihre Verwendung zur Herstellung eines fluorhaltigen
Lehms oder Lehmprodukts.
Glaskeramiken sind seit den grundlegenden Arbeiten von Stookey
bekannt, vgl. das US Patent 2,920,971. Seit kürzerem wird glaskeramisches Material bestimmter Zusammensetzung auch als
synthetischer Glimmer verwendet.
So beschreibt die OLS 2,133?652 die Herstellung maschinell
bearbeitbarer Fluorglimmer-Glaskeramiken durch in situ Kristallisation
von Opalgläsern der Zusammensetzung, in Gew.%
GIKOKOMTO 4-5DOH53 IMUTICHE B «>N K^. \s. VrM ift W & Γ W m. * F»8sTS C H ECK FRAN KFU RT A. M. 64365
-2- 2224390
auf Oxidbasis 25-60% SiO2, 15-35% R2°3' wobei R2°3 aus
3-15% B2O5, 5-25% Al2O5 oder 2-20% R3O und R3O aus 0-15%
Na2O, 0-15% K2O, 0-15% Rb2O besteht, 0-20% Os2O, 4-25% MgO
+ 0-7% Li2O, wobei MgO + Li3O 6-25% ist und 4-20% F.
Es wurde gefunden, dass in den auskristallisierten Glimmern die X, Y und Z-Stellungen in der Regel mit den folgenden
Ionen besetzt werden: X-Stellung - K, Na, evtl. auch Rb, Cs; T-Stellung - Mg, Al, Li; Z-Stellung - Al, B, Si. Die
Diffraktionsanalyse mit Röntgenstrahlen zeigt eine feste Lösung aus Fluorphlogopit, die wahrscheinlich in drei Komponenten
zerfällt: reguläres Fluorphlogopit KMg^AlSi3O10F2,
Borfluorphlogopit, KMg_,BSi-,O-,QFp, und ein Aluminiumphlogopit
mit geringerem Kaliumgehalt unbekannter Zusammensetzung, aber vermutlich einer Formel K0 ,-MgpAL-, OzBSi^O-I0(Fp). Ausserdem
besteht ein erheblicher fester Lösungsanteil dieser Komponenten mit den Lithiumfluorglimmern, z. B. Polylithionit,
Zur Sicherung der maschinellen Bearbeitbarkeit dieser alkalimetallhaltigen
Fluorglimmer wurde als ein wesentlicher Be standteil ein BpO7. Zusatz vorgesehen.
Nach dem Vorschlag der Patentanmeldung P 22 08 236.6 werden TetrakLeselsäure-Fluorglimmer durch gesteuerte in situ Kri-
20985 0/0843
stallisation von Gläsern hergestellt, die in Gew.% auf Oxidbasis
45-70% SiO2, 8-20% MgO, 8-15% MgF2 und 5-55% R3O + RO
enthalten, wobei R3O 5-25% "beträgt und aus 0-20% K2O, 0-25%
RbpO, 0-25% CspO "besteht und RO 0-20% aus einem oder mehreren
der Oxide SrO, BaO, CdO besteht. In diesen Glimmern sind die X, T und Z-Stellungen wie folgt besetzt: X-Stellung - K, Eb,
Gs, Sr, Ba oder Gd; Y-Stellung - Mg; Z-Stellung - Si.
Diese Glimmer mit der hypothetischen Formel KMgp ^βχ^,Ο-,^ϊ1^
sind tetralcie sei säurehalt ig, weil im Gegensatz zu normalen Fluorphlogopiten und Borfluorphlogopiten in den ZpOn-Hexagonalschichten
Si nicht durch Al oder B ersetzt.ist. Die Tetraederschichten
sind ausschüesslich mit SiO2^ besetzt, weil andere
Kationen die die Z-Stellung besetzen könnten fehlen. Diese glaskeramischen Fluorglimmer enthalten somit zwar
synthetische Fluorglimmerkristalle, unterscheiden sich von sonstigen Fluorglimmern aber durch Fehlen von dreiwertigen
Kationen wie Al+-5 und B+^ als notwendige Kristallbestandteile.
Aufgabe der Erfindung ist eine Fluorglimmer enthaltende Glaskeramik
ohne nennenswerten Gehalt an Alkalimetallen und B0O-,
mit ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften und guter e] ler Bearbeitbarkeit.
2 Ü 1J I i , i 1 / U H U 'i
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Glaskeramik aus durch in situ Kristallisation eines in Gew.% und auf Oxidbasis
3-30% RO, 10-35% MgO, 5-26% Al2O3, 30-65% SiO2 und
3-15% F enthaltenden Glases entstandenen, wenigstens 66.2/3 Vol.% ausmachenden Fluorglimmerkristallen fester Lösung in
einem glasigen Gefüge dispergiert besteht.
RO bezeichnet hierbei 3-30% SrO und gegebenenfalls 0-25% BaO.
Nach weiterer günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Zusammensetzung des Ausgangsglases 8-30% SrO, 10-35% MgO,
5-26% Al2O3, 30-60% SiO2, 3-15% F. Diese Glaskeramik ist
überraschenderweise in Wasser schwellbar und zerfällt zu feinen Lehmpartikeln, die ihrerseits vielseitig verwendbar
sind.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, dass Ausgangsgläser der angegebenen grundlegenden Zusammensetzung
ohne Zusatz von Alkalimetallen und BpO,, Glaskeramiken
mit ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften und guter maschineller Bearbeitbarkeit ergeben.
Das Ausgangsglas kann auch bis zu jeweils einige Prozent, aber insgesamt nicht mehr als 10% der verträglichen Metall-
2098 b U/0843
oxide enthaltenΓ BpO^, GaO, PbO, AspO,, Sb2O-,, pp°5' Sn02'
ZrO2, TiO2, ZnO, Fe2O,, MnO, BeO, La2O-,. Diese Zusätze können zur Steuerung der Schmelz- und iOrmeigenschaften des Ausgangsglases oder zur Modifizierung der physikalischen Eigenschaften des Glases und des kristallinen Produkts von Interesse sein. 0"bwohl die schwereren Alkalimetalle wie E, Eb, Gs an sich für die Erdalkalien Sr und Ba substituiert werden können, entfallen dann die spezifischen günstigen Eigenschaften der alkalienfreien Fluorglimmer.
ZrO2, TiO2, ZnO, Fe2O,, MnO, BeO, La2O-,. Diese Zusätze können zur Steuerung der Schmelz- und iOrmeigenschaften des Ausgangsglases oder zur Modifizierung der physikalischen Eigenschaften des Glases und des kristallinen Produkts von Interesse sein. 0"bwohl die schwereren Alkalimetalle wie E, Eb, Gs an sich für die Erdalkalien Sr und Ba substituiert werden können, entfallen dann die spezifischen günstigen Eigenschaften der alkalienfreien Fluorglimmer.
Zur Erzielung einer starken Fluorglimmerkristallisierung nähert sich die Glaszusammensetzung zweckmässig einer festen Glimmerlösung
an. Der Anteil der Erdalkalien bewegt sich daher zweckmässig
zwischen den Endwerten BMgp ,-(AlSi^O-JQ)Fp und
0 5s(3°io):F-2' worin R = Sr + Ba* Zwischen den Tri-Kieselsäureglimmern
und den Tetra- oder Di-Kieselsäureglimmern
besteht keine oder nur eine sehr geringe feste Lösung, d. h. das Kationenverhältnis Al/Si ist meist nahe 1:3· Ein wesentliches Merkmal der Erfindung basiert auf der überraschenden
Erkenntnis, dass SrO zur Stabilisierung der Erdalkali-Fluor-Glimmer-Glaskeramikbildung erforderlich ist. Bekanntlich sind Ba und K in der zwölffach koordinierten Stellung in der Glimmerstruktur die Ionen mit der grössten Stabilität. Zu erwarten wäre daher, dass das Strontium voll durch Barium ersetzt werden könnte..Im Gegensatz hierzu ist aber stets Strontium er-
besteht keine oder nur eine sehr geringe feste Lösung, d. h. das Kationenverhältnis Al/Si ist meist nahe 1:3· Ein wesentliches Merkmal der Erfindung basiert auf der überraschenden
Erkenntnis, dass SrO zur Stabilisierung der Erdalkali-Fluor-Glimmer-Glaskeramikbildung erforderlich ist. Bekanntlich sind Ba und K in der zwölffach koordinierten Stellung in der Glimmerstruktur die Ionen mit der grössten Stabilität. Zu erwarten wäre daher, dass das Strontium voll durch Barium ersetzt werden könnte..Im Gegensatz hierzu ist aber stets Strontium er-
20 98 6 0 /08A 3
forderlich, weil die volle Ersetzung durch. Barium "beim Abkühlen
der Schmelze die Entglasung zur Folge hätte.
Nach dem Verfahren der Erfindung wird der erschmolzene Ansatz
gleichzeitig "bis wenigstens unter die Transformationstemperatur gekühlt und zu einem Glaskörper geformt, und dieser
sodann für eine zur in situ Kristallisation der Pluorglimmerphase ausreichende Zeitdauer einer Temperatur von
800 - 1200° ausgesetzt.
800 - 1200° ausgesetzt.
Als Transformationstemperatur wird diejenige Temperatur bezeichnet,
bei der die flüssige Schmelze in eine amorphe
feste Phase übergegangen ist, meist zwischen dem unteren und oberen Spannungspunkt. Da die Kristallisation in situ zeit- und temperaturabhängig ist, ist bei Temperaturen im oberen Bereich eine kürzere Haltezeit, z. B. 1/2 Stunde oder weniger ausreichend, während bei Temperatur im unteren Bereich zur Erzielung starker Kristallinität Haltezeiten von bis zu 24 48 Std. erforderlich sind.
feste Phase übergegangen ist, meist zwischen dem unteren und oberen Spannungspunkt. Da die Kristallisation in situ zeit- und temperaturabhängig ist, ist bei Temperaturen im oberen Bereich eine kürzere Haltezeit, z. B. 1/2 Stunde oder weniger ausreichend, während bei Temperatur im unteren Bereich zur Erzielung starker Kristallinität Haltezeiten von bis zu 24 48 Std. erforderlich sind.
Nach besonders günstiger Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kristallisierung zweistufig vorgenommen. Das Glas bzw. der
Glasgegenstand wird zunächst auf eine etwas über dem Transformationsbereich liegende Temperatur, z. B. etwa 1X)O - 800° erhitzt
und auf dieser Temperatur solange gehalten, bis ei.ne
20985Ü/08A3
gute Kembildung und beginnende Kristallisation eintritt; anschliessend
wird es dann auf etwa 1050 - 1200° erhitzt und in
diesem Temperaturbereich bis zur Beendigung des Kristallwachstums
gehalten. Für die Kernbildung der ersten Stufe sind meist etwa 1-6 Std. und für das Kristallwachstum auf der zweiten
Stufe etwa 1-8 Std. ausreichend.
Verschiedene Abwandlungen der Kristallbildung in situ sind möglich. So kann der nach Abschrecken der Schmelze unter die
Transformationstemperatur geformte Glasgegenstand vor der Warmbehandlung zunächst auf Zimmertemperatur abgekühlt und
inspiziert werden. Soll Brennstoff gespart und das Verfahren beschleunigt werden, so wird das Glas nur bis geradester
die Transformationstemperatuf gekühlt und gleich anschliessend vj armbehandelt..
Er werden aber auch durch einstufige Behandlung befriedigende kristallisierte KörOer erhalten, indem das Glas nur auf 800 3
200° erhitzt und bis "zur gewünschten Kristallisation gehalten wird. In dem Kristallisationsbereich kann die Temperatur dabei
schwanken.
N'ioTi weiterer Ausgestaltung ist eine bestimmte Haltezeit bei
b«ntimmter Temperatur nicht erforderlich. Wird das Glas verhäl
fcni sm^nsip; langsam über die Transformationstemperatur erhitzt
und ist die Kristallisationstemperatur vergleichweise
hoch., so ist keine Haltezeit erforderlich. Da das Kristallwachstum
aber von Zeit und Temperatur abhängig ist, darf das Glas nicht so schnell über die Transformationstemperatur erhitzt
werden, dass die zur SeIbstStützung erforderliche Kristallisation
nicht gegeben ist und der Gegenstand zusammensackt. Obgleich daher eine Erhitzungsgeschwindigkeit von 10°/
Min. besonders bei Abstützung des Glaskörpers an sich möglich ist, werden Geschwindigkeiten von 3 - 5°/ΓΊΐη. bevorzugt. Dabei
tritt praktisch keine Verformung ein.
In den Zeichnungen zeigen:
die Figur 1 die Röntgenstrahlendiffraktionskurve typischer
Glaskeramiken der Erfindung;
die Figur 2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme der kristallinen
Feinstruktur der Glaskeramik;
die Figur 3 die Eöntgenstrahlendiffraktionskurve schwellbarer Glaskeramiken der Erfindung nach dem Kontakt mit Wasser;
die Figuren 4A und 4B die elektronenmikroskopische Aufnahme
von feinverteiltem bzw. feinverteiltem und agglomeriertem
Zerfallsprodukt der mit Wasser behandelten Glaskeramik der
Figur 3.
2098bÜ/0843
Die Tabelle I enthält in Gew.% und auf Oxidbasis ausgedrückte
Glaszusammensetzungen thermisch kristallisierbarer Gläser, die nach erfindungsgemässer Wärmebehandlung in situ zu gleichmassig
stark kristallinen Glaskeramiken kristallisieren. Die Bestandteile der Glasansätze bestehen aus Oxiden oder anderen,
beim Erschmelzen die erforderlichen Oxide im angegebenen Verhältnis
ergebenden Verbindungen.
Die Ansatzbestandteile wurden zusammen in der Kugelmühle gemahlen,
um eine homogene Schmelze zu bilden und dann in geschlossenen Platintiegeln während 4-6 Std. in einem auf
1450 - I5OO0 erhitzten Elektroofen geschmolzen. Die Schmelze
wurde auf Stahlplatten zu etwa 12 - 25 mm dicken, 18 cm grossen Quadraten gegossen und sofort bei 600 - 650° angelassen.
Die Glaskörper waren meist klar,gelegentlich aber auch leicht getrübt.
Da die Fluorid-bildenden Kationen nicht bekannt sind, ist wie
üblich nur das Fluorid angegeben, das im übrigen nur gering flüchtig war, etwa 15 - 20 Gew.%, s. Beisp. 2 und 4.
Typische Ansatzbestandteile sind: Sand,
T-61 Aluminiumoxid, gebranntes Magnesit,
209860/0843
- ίο -
Magnesiumfluorid,
Strontxtunkarbonat,
Bariumkarbonat.
Strontxtunkarbonat,
Bariumkarbonat.
Die Viskosität der Gläser am Liquidus lag bei Liquidustemperaturen
von 1150 - I3OO0 bei etwa 30 - JOO Poise.
35,0% 40,7% 37,8% 35,0% 36,4% 44,4% 38,9% 41,6%
Al2O5 16,2 11,4 13,8 13,3 13,3 11,4- 13,2 11,8
MgO 20,8 27,0 23,8 21,8 22,9 27,6 22,9 27,4
SrO 19,4 11,6 15,7 21,3 7,6 6,8 6,1 7,0
F 8,6 9,3 8,9 8,6 8,6 8,6 9,1 9,5
BaO _ _ _ _ ii,2 - 9,8
CaO- - - - - - - 2,7
(Anal.) - 7,7 - 7,1 -
_ 12 11 12 1_ 14 γ?
SiO2 40,2% 36,5% 3^,4% 33,1% 35,9% 39,3% 35,9%
Al2O5 11,5 10,3 12,8 12,3 13,4 11,0 13,4
MgO 24,8 22,2 21,1 20,2 21,9 26,1 23,3
SrO 10,2 15,6 16,4 7,9 17,2 4,2 6,3
ϊ1 9,4 8,3 9,2 8,9 9,7 9,1 9,3
BaO - - 6,1 17,6 - 10,3 10,0
CaO 3,9 ______
ZrO2 - 7,1 -
K2O 1,9 -
B2°3 - " 20^85070843" " li8 _ _
16 12 18
SiO2 38,8% 44,5% 48,1% 31,6% 37,1% 36,5% 37,5% 38,2%
Al2O3 16,7 9,1 7,1 23,0 13,5 10,0 14,0 13,6
MgO 17,5 26,6 27,9 14,8 23,3 19,5 23,1 23,5
SrO 21,9 9,1 7,2 21,6 11,5 10,1 6,5 6,3
F 5,1 10,7 9,7 9,0 8,8 9,0 8,5 8,4
BaO - 5,8 14,9 10r4 10,0
Nach, dem Anlassen und der Sichtuntersuchung auf Glasqual.ität
wurden die Glasstücke zur Wärmebehandlung gem. Tabelle II in einen Hektroofen gebracht, Nach Abschluss der Warmbehandlung
wurde der Ofen abgeschaltet und mit "Ofengeschwindigkeit" (3 - 5°/Min.) abkühlen gelassen, so dass die dickwandigen
Probestücke nicht durch etwaigen Wärmeschock reissen konnten. Bei einer Wärmedehnung von etwa 80 - 100 χ 1Ö~^/°G bei 0-500°
können nur dünnwandigere Stücke sofort dem Ofen entnommen werden.
Der Temperatiianstieg bei der Wärmebehandlung betrug jeweils
etwa 5°/Min. bis zur Haltetemperatur.
Die Tabelle II "verzeichnet ferner das Aussehen der Glaskeramik,
die durch Diffraktionsanalyse mit Röntgenstrahlen bestimmten
Kristall phasen und die vergleichsweise maschinelle Bearbeitbarkeit
p;emäss einer Skala, auf der die Bearbeitbarkeit von Messing,
Alumin i.-um und kaltgewalztem Stahl willkürlich mit 15,
2098bü/ü843
32 bzw. 78 festgelegt ist. Die mechanische Festigkeit ist
als Bruchmodulwert bei etwa 84-0 - 1400 kg/cm2 (12000 20000
psi) wiedergegeben. Die gute Festigkeit ist zugleich ein Anzeichen für den hohen Kristallgehalt, der zum überwiegenden
Teil durch Fluorglimmerkristalle in fester Lösung gebildet wird. Etwaige Sekundärphasen betragen in keinem Falle mehr
als 15%· In einigen Fällen sind auch die Messwerte der Dielektrizitätskonstante
bei 25°, 1 Kc, die dielektrische "Verlusttangente bei 25°, 1 Kc, der Logarithmus der elektrischen
Resistivität bei 500°, Ohm-cm, und ein qualitativer Maßstab für die Schwellung in Wasser wiedergegeben.
Beispiel Wärmebehandlung Aussehen No.
Kristallphasen
800°, 4 Std. 1050°, 6 Std.
800°, 4 Std, 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std, 1150°, 6 Std,
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
hörnsteinartiger
Bruch, cremefarbig, opak,
hörnsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak,
hörnsteinartiger Bruch, cremefarbig, leicht durchscheinend
feinkörniger Bruch, cremefarbip, opak
hörnsteinartiger Bruch, cremefarbig,
opak,
Fluorglimmer*
Sr-Alumino s i1ikat
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer*
Fluorglimmer* Sellait, Sr-Aluminosilikat
Fluorglimmer*
20985 0/0843
Beispiel Wärmebehandlung
·- No.
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
800", 4 Std. 1140°, 6 Std.
800", 4 Std. 1100°, 6 Std.
800" 4 Std. 1100°, 6 Std.
800", 4 Std. ' 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std. 1150°, 6 Std.
800" 4 Std. 1150°, 6 Std.
800", 4 Std, 1100°, 6 Std.
725°, 4 Std. 1150°, 6 Std.
725° 4 Std.
1150°, 6 Std.
800" 4 Std. 1050°, 6 Std.
800", 4 Std. 1100°, 6 Std,
Aussehen
hornsteinartiger Bruch, cremefar-"big,
opak,
hörnsteinartiger Bruch, cremefarbig,
opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
feinkörniger Bruch, cremefarbig, opak,
hörnsteinartiger Bruch, cremefarbig,
opak,
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak,
hornsteinartiger Bruch, glänzend, opak,
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak,
Kristallphasen
Pluorglimmer*
Sellait,
Cord'ierit
lluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer* kubisches Zirkonoxid
Fluorglimmer*
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer3*
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer* Sellait
Fluorglimmer* Sr-Alumino silikat
Fluorglimmer* Sellait
- 14 -
209850/0843
Beispiel Wärmebehandlung
No.
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
800 , 4 Std. 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
800°, 4 Std, 1100°, 6 Std,
800°, 4 Std. 1100°, 6 Std.
Aussehen hornsteinartiger
Bruch, cremefarbig, opak,
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak,
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak,
hornsteinartiger Bruch, weiss, opak,
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak
hornsteinartiger Bruch, cremefarbig, opak
Kri st alIphasen
Fluorglimmer* Sellait
Pluorglimmer* Sr-Alumonosilikat
Fluorglimmer* Fluorglimmer*
Fluorglimmer* Fluorglimmer*
jeweils in fester Lösung
2098ÖÜ/0843
H cn |
Beispiel No. |
maschinelle Bearbeitbarkeit |
Dielektrizi tätskonstante |
- | 7,ii | 'Verlust tangente |
|
1 | 40 | ||||||
2 | 20 | 0,00015 | |||||
3 | 40 | 7,35 | |||||
4 | 20 | ||||||
5 | 20 | 0,0004 | |||||
6 | 50 | ||||||
7 | 20 | ||||||
20985 | 8 9 10 |
20 20 20 |
|||||
ο •»χ, |
11 | 20 | |||||
O fts |
12 | 20 | |||||
UO
t^ |
13 | 40 | |||||
CO | 14 | 40 | |||||
15 | 20 | ||||||
16 | 40 | ||||||
17 | 30 | ||||||
18 | 30 | 7,30 | |||||
19 | 40 | 7,54 | |||||
20 | 30 | 6,67 | 0,0004 | ||||
21 | 30 | 6,57 | 0,0036 | ||||
22 | 40 | 0,0004 | |||||
23 | 30 | 0,0004 |
Eesistivi- | 10,5 | • | 10,3 | Anschwellen | ro | I |
tät | 9,4 | in Wasser | KJ | H vn |
||
10,4 | zerfällt rasch | CD | I | |||
10,2 | 10.6 | zerfällt rasch | CO | |||
zerfällt rasch | ||||||
zerfällt sehr rasch | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
zerfällt | ||||||
zerfällt | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
zerfällt | ||||||
zerfällt | ||||||
nein | ||||||
zerfällt | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
nein | ||||||
Die Kristallisation ist ein zweistufiger Vorgang. Bei Temperaturen
von 700 - 800° entstehen zunächst fluoridhaltige Kristalle, wahrscheinlich Magnesiumfluorid-Sellait. Auf diesen
Kristallkernen wachsen dann bei weiterer Erhitzung auf etwa 800 - 1000° ungeordnete, feinkörnige Fluorglimmerkristalle,
was aus der nur wenige der typischen Fluorglimmerspitzen enthaltenden Diffraktionskurve zu entnehmen ist. Das
ungeordnete Muster verschwindet nach sehr langer oder hochtemperaturiger Wärmebehandlung, z. B. bei IO5O - 1200°, wobei
das normale, komplexe Fluorglimmermuster der Figur 1 für die Glaskeramik des Beispiels 2 entsteht. Beim Fehlen des ungeordneten
Fluorglimmermusters ergibt sich bessere maschinelle Bearbeitbarkeit. Der bevorzugte Wärmefahrplan sieht daher
Temperaturen von etwa IO5O - 1200° vor.
Die Mikrostruktur der Glaskeramiken zeigt in der Hegel ein
stark kristallines, blockartiges Gefüge, bei sehr niedrigem Aspektverhältnis der einzelnen Fluorglimmerkristalle.
Die Mikrophotographie der Glaskeramik des Beispiels 7 zeigt in der Figur 2 diese Mikrostruktur recht deutlich. Der weisse
Strich bezeichnet hier 1 /u. Die Figur zeigt auch, die sehr
hohe Kristallinität, nämlich meist über 66.2/5 Vol.% sowie das
niedrige kristalline Aspektverhältnis. Die Glaskeramik der Figur 2 ist über. 90% kristallin.
- 17 -
209850/0843
Da die Glaskeramik der Erfindung praktisch alkalienfrei ist,
sind die dielektrischen Eigenschaften ausgezeichnet. So ist die Verlusttangente bei Frequenzen von 1 Mh und Temperaturen
bis 200° kleiner als 0,0001, die langen Resistivitäten sind
meist hoch, etwa io" - 10 Ohm-cm bei 500° und die Dielektrizitätskonstante
ist in einem breiten Frequenzband durchschnittlich um 7·
Eine weitere günstige Eigenschaft ist die hohe Feuerfestigkeit. Viele Produkte aus der erfindungsgemässen Glaskeramik widerstehen
intensiver langandauernder und durchdringender Wärmeeinwirkung von 1000 - 1100° ohne wesentliche Verformung. So
zeigt das Material gemäss Beispiel 12 nach mehrstündiger Einwirkung
von Temperaturen bis 1200° keine merkliche Verformung.
Da die günstigen Eigenschaften meist der Kristallphase zu verdanken
sind, sind Glaskeramiken mit sehr hohem Kristallgehalt, meist über 75 Vol.%, besonders günstig und diese ergebende
Glasansätze bestehen z. B. aus 33-30% SiO2, 9-18% Al2O3,
5-25% SrO, 16-29% MgO und 4-12% F.
Nach Kontakt mit selbst kaltem Wasser schwellende Glaskeramiken enthalten im Glasansatz 30-60% SiO2, 5-26% Al3O3, 10-35% MgO,
8-30% SrO und 3-15% F. Die Schwellwirkung wird durch grössere Zusätze der sonst stabilen Glimmermodifikatoren wie K2O und
BaO überraschenderweise gehemmt; so verhindern 5% BaO oder
- 18 203850/0843
_ -1 O _
2% KpO die Schwellwirkung im Wasser. Die gleiche Wirkung haben
Zusätze von über 5% GaO.
Die Schwellwirkung nach Eontakt mit Wasser erzeugt zwar eine
gewisse Oberflächendruckspannuhg in der Glaskeramik, jedoch werden die Spannungen bald zu gross und der Körper zerfällt.
In Wasser gelegte Stücke aus schwellbarer Glaskeramik zerfallen daher spontan nach einigen Minuten, Stunden oder Tagen und
bilden eine feinteilige Aufschlämmung von geschwollenen Fluorglimmerp ar tike In, die nach der üblichen mineralogischen Einteilung
zur Gruppe der Lehme zu rechnen sind. Die Diffraktionsanalyse zeigt die für Lehme typische Kurve, aus der auf ein
Schwellen parallel zur Fluorglimmer c-Achse zu schliessen ist, das seinerseits wahrscheinlich auf den Einschluss von HpO und
eventuell H7-O+ parallel zu 001. beruht. In bestimmten Zusammensetzungen
können auch grössere organische Moleküle wie Ithylenglykol eine ähnliche Schwellung hervorrufen.
Die Figur 3 zeigt die Diffraktionskurve eines fluorhaltigen
Lehms, der durch Eintauchen der Glaskeramik des Beispiels 2 ι in Wasser, Schwellen und Zerfall entstand. Die durch die Diffraktionsspitzenverschiebung
angezeigte Anschwellung betrug etwa 30%. In den meisten Strontiumglimmern beträgt der 001-Abstand
daher vor der Anschwellung etwa 9,5 A* und nach der Anschwellung
etwa 12,5 S. (vgl. die Figuren 1 und 3), also eine
.so starke Expansion, dass zwangsläufig der Zerfall eintritt.
- 19 209850/0 843
Die durch Schwellen und Zerfall der erfindungsgemässen Strontium-Fluorglimmer-Glaskeramiken
entstehenden, als Fluor-Montmorillonide
zu bezeichnenden fluoridhaltigen Lehme zeigen eine recht gleichmässige Kornverteilung.
Die Mikrophotographie der Figur 4A zeigt den aus der Glaskeramik des Beispiels 2 entstandenen Lehm mit der typischen Plättchenform.
Der weisse Kreis "bezeichnet dabei 40 ax. Die Tergrösserung
der Figur 4B zeigt einen agglomerierten Teil des Lehms der Figur 4A. Der weisse Kreis bezeichnet hier 4 /u.
Die Grössenverteilung ist etwa 50% von 2-4 yu, also etwa die
gleiche Grosse wie die der Fluorglimmerkristalle in der Glaskeramik.
Durch entsprechende Veränderung der Glaszusammensetzung und des Wärmefahrplans ist eine Klassierung auf bestimmte
Komgrössen mit sehr geringer Streuung ohne die übliche
Mahl- und Siebklassierung möglich.
Während die Glaskeramik des Beispiels 4 nach nur 5-4 Minuten
Eintauchen in Wasser zu einem feinen Pulver zerfällt, sind meist hierfür mehrere Stunden erforderlich (Beispiele 1 - 3)·
Eintauchzeiten von mehr als 3 Tagen sind für den praktischen
Betrieb meist zu lang.
Günstig ist auch die gute Feuerfestigkeit dieser Lehme, Sie können ohne Zusammenbruch der Silikat-Plattenstruktur bei 900°
- 20 209850/0843
oder höher gebrannt werden.
Die Expansion der Fluorglimmerteilchen durch den Einbau von
Wasser und eventuell EUO+ kann durch einfaches Erhitzen, z.
B. auf 200° und Austreiben des Wassers wieder aufgehoben werden, d. h. das Material schrumpft und zeigt in der Diffraktion wieder das normale Fluorglimmerspektrum mit Abständen von
9,5 Ä. Bei Erhitzen auf 900° treten auch nach mehreren Stunden keine Veränderungen auf, wird aber auf die ursprüngliche,
obere Kristallisationstemperatur von IO5O - 1200 erhitzt, so tritt ein Zusammenbruch der nicht glimmerhaltigen Phasen ein,
vermutlich infolge von Verflüchtigung von Fluor der grossflächigen Pulvermasse. Diese kann aber durch eine träge oder
sehr trockene Atmosphäre verhindert werden.
Wasser und eventuell EUO+ kann durch einfaches Erhitzen, z.
B. auf 200° und Austreiben des Wassers wieder aufgehoben werden, d. h. das Material schrumpft und zeigt in der Diffraktion wieder das normale Fluorglimmerspektrum mit Abständen von
9,5 Ä. Bei Erhitzen auf 900° treten auch nach mehreren Stunden keine Veränderungen auf, wird aber auf die ursprüngliche,
obere Kristallisationstemperatur von IO5O - 1200 erhitzt, so tritt ein Zusammenbruch der nicht glimmerhaltigen Phasen ein,
vermutlich infolge von Verflüchtigung von Fluor der grossflächigen Pulvermasse. Diese kann aber durch eine träge oder
sehr trockene Atmosphäre verhindert werden.
Es wurde gefunden, dass durch Behandlung der schwellbaren Glaskeramik
mit ionischen Lösungen der Schwelleffekt verlangsamt
oder sogar ganz gehemmt werden kann. So schwillt die Glaskeramik des Beispiels 4- nach mehrstündigem Eintauchen in eine
konzentrierte NH^, Cl-Lö sung nicht an, selbst wenn das Stück
entzweigebrochen wird, um das Innere dem Wasserbad auszusetzen. Entsprechend schwillt auch das Material gemäss Beispielen 1, 2 und 4 nach Eintauchen in HCl und ΝΗ^,ΟΗ Lösungen nicht mehr.
Vermutlich beruht dieser Hemmeffekt auf einem bei Zimmertemperatur stattfindenden Ionenaustausch. Offenbar werden beim Kon-
oder sogar ganz gehemmt werden kann. So schwillt die Glaskeramik des Beispiels 4- nach mehrstündigem Eintauchen in eine
konzentrierte NH^, Cl-Lö sung nicht an, selbst wenn das Stück
entzweigebrochen wird, um das Innere dem Wasserbad auszusetzen. Entsprechend schwillt auch das Material gemäss Beispielen 1, 2 und 4 nach Eintauchen in HCl und ΝΗ^,ΟΗ Lösungen nicht mehr.
Vermutlich beruht dieser Hemmeffekt auf einem bei Zimmertemperatur stattfindenden Ionenaustausch. Offenbar werden beim Kon-
20985Ü/0843
takt der Glaskeramik mit Ionen in wässeriger Lösung, die Strontiumionen sehr beweglich und erleben einen raschen Austausch
gegen Ionen in der Lösung; so können bei Zimmertemperatur diese Glaskeramiken mit erheblichen Mengen von Kupferoxidoder
-oxydul-, Silber-, Ammonium-, Natrium- oder Kaliumionen· angereichert werden. Dagegen ist in trockener Umgebung diese ·
starke Beweglichkeit der Strontiumionen nicht zu beobachten. Das wird besonders beim Messen der elektrischen Resistivität
deutlich, die wie das Beispiel 2 zeigt, im trockenen Zustand sehr hoch ist.
Für die in Wasser schwellbaren Glaskeramiken und die anfallenden
fluorhaltigen Lehme ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten,
wie z. B. als Molekular- oder Ionentrenner, als wasserlösliche Formen, Gußstücke oder vorgeformte Kernstücke,
keramische Masken oder Farbfüllstoffe. Möglich ist auch die Verwendung als kalte abdichtung; z. B. kann das Material zu
Befestigungselementen wie Schrauben und dergleichen geformt, dann benetzt und in einer Mutter befestigt werden. Durch Anschwellen
wird die Schraube fest-gezogen. Ein weiteres Anschwellen kann durch Behandlung mit wässeriger Salzlösung verhindert
werden.
- 22 -
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Claims (1)
- Pat en t an sprüciie1. Glaskeramik mit ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften und guter maschineller Bearbeitbarkeit, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus durch in situ Kristallisation eines in Gew.% und auf Oxidbasis 3-30% RO, 10-35% MgO, 5-26% Al3O5, 30-65% SiOp und 3-15% Ϊ1 enthaltenden Glases entstandenen, wenigstens 66.2/3 Vol.% ausmachenden Fluorglimmerkristallen fester Lösung in einem glasigen Gefüge dispergiert besteht.2. Glaskeramik gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsglas aus 5-25% SrO, 16-29% MgO, 9-18% Al3O5, 35-50% SiO2 und 4-12% F besteht.3. Glaskeramik gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Ausgangsglases 8-30% SrO, 10-35% MgO, 5-26% Al3O5, 30-60% SiO2, 3-15% F und die Glaskeramik in Wasser schwellbar ist.A-. Glaskeramik gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass RO aus 3-30% SrO und 0-35% BaO besteht.- 23 -209850/08435· Glaskeramik gemäss Anspruch. 3? gekennzeichnet durch die Verwendung zur Herstellung eines fluorhalt igen Lehms durch. Kontakt mit Wasser für eine zur Wasserabsorption und den Zerfall der Glaskeramik zu feinen Lehmpartikeln ausreichende Zeitdauer.6. Verfahren zur Herstellung der Glaskeramik gemäss Ansprüchen 1, 2 oder 35 dadurch gekennzeichnet, dass der erschmolzene Ansatz gleichzeitig bis wenigstens unter die Transformationstemperatur gekühlt und zu einem Glaskörper geformt wird und dieser sodann für eine zur in situ Kristallisation der Fluorglimmerphase ausreichende Zeitdauer einer Temperatur von 800 - 1200 ausgesetzt wird.7- Verfahren gemäss Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass die zur Kristallisation erforderliche Zeitdauer 1/2 - 48 Std. beträgt.8. Verfahren gemäss Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper zunächst 1-6 Std. auf 700 - 800° und dann 1-8 Std. auf 1050 - 1200° erhitzt wird.2 0 9 8 5 U / 0 8 A 39· Verfahren zur (Verarbeitung der Glaskeramik gemäss Anspruch 3 zu einem fluorhaltigen Lehm oder Lehmprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit Wasser in Kontakt gebracht wird· und während einer 3 Min. bis 3 Tage währenden Zeitdauer dieses absorbiert und zu feinen Lehmpartikeln zerfällt.10. Verfahren gemäss Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Lehmpartikel bei Temperaturen unter 200° getrocknet werden.11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die getrockneten Lehmpartikel bei Temperaturen zwischen 200 900° bis zur Austreibung des absorbierten Wassers getrocknet werden.209850/0843Leerseite
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