DE69401894T2 - Oxinitridglas, Verfahren zu seiner Herstellung und daraus hergestellte Glasfaser - Google Patents
Oxinitridglas, Verfahren zu seiner Herstellung und daraus hergestellte GlasfaserInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oxynitridglas, welches eine ausgezeichnete Lichtdurchlässigkeit und Festigkeit aufweist, und auf ein Verfahren zum Herstellen desselben. Ein Glasfaser, welche aus dem erfindungsgemäßen Glas hergestellt ist, wird als Verstärkungsfaser für verschiedene zusammengesetzte Materialien, wie z.B. für FRP (FRP = fiberglass reinforced plastics = glasfaserverstärkte Kunststoffe), verwendet.
- In Oxynitridglas wird der Sauerstoff, der das Oxidglas bildet, teilweise durch Stickstoff, der drei Bindungsvalenzen aufweist, ersetzt. Folglich wird bei dem Oxynitridglas im Vergleich zu dem Oxidglas eine größere Anzahl von chemischen Bindungen gebildet, um das Netzwerk des Glases zu verstärken. Folglich weist das Oxynitridglas ausgezeichnete physikalische Eigenschaften, wie z.B. ein hohes Elastizitätsmodul, eine hohe Härte und eine hohe Festigkeit, auf, wobei dasselbe für eine Verstärkungsfaser oder dergleichen geeignet verwendet wird.
- Im allgemeinen wird ein derartiges Oxynitridglas durch ein Schmelzverfahren hergestellt, bei dem ein Nitridausgangsmaterial, wie z.B. Si&sub3;N&sub4; oder AlN mit einem anderen Glasausgangsmaterial eines Metalloxids, wie z.B. SiO&sub2;, gemischt wird und das Gemisch für eine lange Zeit in einem inerten oder reduzierenden Gas geschmolzen wird. Ein herkömmliches Oxynitridglas, welches durch Schmelzen in einer derartigen Umgebung, die ohne weiteres eine Reduktionsreaktion verursachen kann, hergestellt wird, ist erheblich gefärbt und getrübt, wodurch dasselbe in einer sichtbaren Region von 400 bis 800 nm eine niedrige Lichtdurchlässigkeit aufweist, während seine Festigkeit im Vergleich zu dem erwarteten physikalischen Wert sehr niedrig ist.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Oxynitridglas und eine Oxynitridglasfaser zu schaffen, welche gegenüber dem Stand der Technik eine beachtlich höhere Festigkeit aufweisen.
- Die Erfinder haben grundlegende Studien auf eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Oxynitridglas verwendet, wobei dieselben erkannt haben, daß es möglich ist, ein Oxynitridglas und eine Oxynitridglasfaser aus einer absolut neuartigen Struktur zu erhalten, welche durch Verwenden spezifischer Herstellungsbedingungen durchsichtig sind und eine ausgezeichnete physikalische Festigkeit aufweisen, um die vorliegende Erfindung zu vollenden.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Oxynitridglas, das Si-Teilchen oder Si-Legierungsteilchen mit einer Größe von mindestens 0,1 µm und einer Anzahl von nicht mehr als 1,0 x 10&sup9;/cm³ enthält. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Glas bei einer Wellenlänge von 400 bis 800 nm einen Lichtdurchlaßgrad von mindestens 80%/mm auf. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Glases und einer derartigen Glasfaser.
- Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen von Oxynitridglas werden die folgenden Ausgangsmaterialien als erstes miteinander gemischt:
- (i) SiO&sub2;
- (ii) Si&sub3;N&sub4; oder ein anderes Metallnitrid;
- (iii) mindestens ein Metalloxid; und
- (iv) CaO oder CaO + MgO.
- Anstelle von Si&sub3;N&sub4; kann die Stickstoffquelle des obigen Punktes (ii) aus einem Metallnitrid, wie z.B. aus AlN, Mg&sub3;N oder Li&sub3;N, oder aus einem Siliziumoxynitrid, wie z.B. aus Si&sub2;N&sub2;O oder Si&sub5;N&sub6;O, hergestellt werden. Ferner können ein Metalloxynitrid (Al2n+1O3nN oder dergleichen), SIALON (Si6-xAlxOxN8-X oder dergleichen) oder eine Verbindung eines Silziumoxynitrids und eines Metalls (La&sub4;Si&sub2;O&sub7;N&sub2; oder dergleichen) verwendet werden.
- Das Metalloxid des obigen Punktes (iii) kann aus Al&sub2;O&sub3;, BaO, Sb&sub2;O&sub3;, SrO, Na&sub2;O, K&sub2;O, La&sub2;O&sub3;, CeO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, TiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Cr&sub2;O&sub3;, PbO, V&sub2;O&sub5; oder SnO&sub2; hergestellt werden, oder es können Karbonat, Hydroxid oder Oxalat zum Bilden eines derartigen Metalloxids durch eine thermische Dissoziation passend vermischt werden. Ferner kann eine Verbindung, wie z.B. Karbonat, Hydroxid oder Oxalat, zum Bilden von CaO oder MgO durch eine thermische Dissoziation anstelle von CaO oder MgO verwendet werden.
- Die oben erwähnten Ausgangsmaterialien werden ausreichend miteinander gemischt, wobei das Gemisch erhitzt und geschmolzen wird, um Oxynitridglas zu erhalten. Das Gemisch wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 1.400º bis 1.800ºC für 3 bis 100 Stunden mit einer Heizgeschwindigkeit von 100 bis 800ºC/min in einer Atmosphäre eines inerten oder reduzierenden Gases, wie z.B. Stickstoff oder Argon, geschmolzen, um zu Glas zu werden.
- Nach einem derartigen Schmelzen wird das erfindungsgemäße Oxynitridglas bei einer vorgeschriebenen Temperatur in einer Atmosphäre eines inerten oder reduzierenden Gases raffiniert. Die Raffinierungstemperatur beträgt 1.400º bis 1.690ºC, vorzugsweise 1.500º bis 1.690ºC. Die Raffinierungszeit beträgt 1,0 bis 100 Stunden, vorzugsweise 2 bis 60 Stunden und sehr bevorzugt 4 bis 6 Stunden.
- Dann wird das erhaltene Oxynitridglas gelöscht oder langsam abgekühlt. Das Oxynitridglas wird, sowie es abgekühlt ist, von einer Ziehvorrichtung, welche in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre auf 1.100º bis 1.600ºC erhitzt ist, mit einer Ziehgeschwindigkeit von 20 bis 3.000 m/min gezogen, um eine kontinuierliche Faser zu erhalten. Alternativ kann das Oxynitridglas in einem Schmelzofen der Ziehvorrichtung von der Schmelztemperatur auf 1.100º bis 1.600ºC abgekühlt werden, um in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre gezogen zu werden. Bei dem letzteren Verfahren werden die Ausgangsmaterialien für das Oxynitridglas durch eine Zuführeinrichtung kontinuierlich in den Schmelzofen der Ziehvorrichtung zugeführt, um direkt gezogen zu werden.
- Der Durchmesser der Glasfaser beträgt vorzugsweise 3 bis 50 µm. Falls der Durchmesser unterhalb dieses Bereichs liegt, ist es schwierig eine Faser zu formen. Falls der Durchmesser den oben beschriebenen Bereich übersteigt, wird andererseits die Festigkeit der Glasfaser extrem reduziert. Die Glasfaser kann eine kontinuierliche Faser oder eine kurze, 1,5 bis 100 mm lange Faser sein. Ferner kann die Glasfaser in einer beliebigen Form aus Stoff, Vorgarn, Garn, Faser, geschnittenem Textil, Wolle, Papier oder Vlies vorhanden sein.
- Herkömmliches Glas, besonders Oxynitridglas, enthält eine Anzahl von Si-Teilchen und Si-Legierungsteilchen, die keine Bindungen mit Sauerstoffatomen aufweisen. Man schätzt, daß das herkömmliche Oxynitridglas derart gefärbt und getrübt ist, daß es aufgrund derartiger interner Defekte unmöglich ist, eine Glasfaser zu erhalten, die die erwartete, ausgezeichnete, physikalische Festigkeit zeigt. Andererseits ist das erfindungsgemäße Oxynitridglas nicht gefärbt, obwohl dasselbe Stickstoff enthält, wobei dasselbe in einer sichtbaren Region (Wellenlängen von 400 bis 800 nm) einen extrem hohen Lichtdurchlaßgrad von mindestens 80%/mm aufweist. Bei diesem Glas sind die Si-Teilchen oder Si-Legierungsteilchen auf eine Anzahl von nicht mehr als 1,0 x 10&sup9;/cm³ reduziert, weshalb eine Glasfaser, welche durch ein Ziehen dieses Glases erhalten wird, eine viel höhere Festigkeit als die herkömmliche Glasfaser aufweist, wobei dieselbe vorzugsweise für eine Verstärkungsfaser verwendet wird.
- Vorzugsweise umfaßt das Oxynitridglas, das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, ein auf Si-Ca-M-O-N oder auf Si-Ca-Mg-M-O-N basierendes Glas, worin M mindestens ein Metall darstellt, das aus Al, Sr, La, Ba, Y, Ti, Zr, Ce, Na, K, Sb, B, Cr, Pb, V und Sn ausgewählt wird. Das erhaltene Glas weist einen Stickstoffanteil von 0,1 bis 15 Gewichtsprozent, ein Elastizitätsmodul von 10.000 bis 22.000 kg/mm² und eine Zugfestigkeit von 100 bis 700 kg/mm² auf.
- Die vorhergehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung offensichtlicher werden.
- Fig. 1 ist ein Graph, der die Lichtdurchlaßgradwerte der Glasproben gemäß den Beispielen und den Vergleichsbeispielen zeigt.
- Die vorliegende Erfindung wird nun bezugnehmend auf die Beispiele in einer konkreteren Form beschrieben.
- Pulvermaterialien aus 50,31 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 9,81 Gewichtsprozent CaO, 11,54 Gewichtsprozent MgO, 20,83 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 7,51 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; werden als Glasausgangsmaterialien verwendet. 3 kg eines Gemisches dieser Ausgangsmaterialien wurden geschmolzen und in einem 24 cm x 15 cm x 10 cm großen Karbonschmelztiegel, welcher mit BN (Bornitrid) ausgekleidet ist, in einer Atmosphäre, die Ar und N&sub2; in einem Verhältnis von 1:9 enthält, bei 1.660ºC für 5 Stunden bzw. bei 1.550ºC für 3 Stunden raffiniert. Das erhaltene Glas wurde abgekühlt, aus dem Schmelztiegel herausgezogen, teilweise ausgeschnitten und einer doppelten optischen Polierung unterzogen, woraufhin dasselbe einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen wurde. Fig. 1 zeigt das Ergebnis.
- Das oben beschriebene Glas wurde pulverisiert, in eine Molybden-Buchse eingeführt, welche mit BN ausgekleidet ist und 72 Düsenspitzen aufweist, in einer Stickstoffatmosphäre vollständig auf 1.600ºC erhitzt und aus den Düsenspitzen ausgegeben. Es war möglich, durch Ziehen des Glases mit 2.000 m/min eine Glasfaser mit einem mittleren Faserdurchmesser von 8,0 µm zu bilden. Die mittlere Festigkeit dieser Glasfaser betrug 420 kg/mm². Der Lichtdurchlaßgrad dieser Glasfaser wurde mit dem folgenden Verfahren gemessen: 100 Bündel aus Textil, wobei jedes derselben 72 Fasern umfaßt, wurden mit Epoxidharz, das Karbon enthält, getränkt und in die Form eines Zylinders gezogen. Das glasfaserverstärkte Epoxidharz wurde teilweise entlang seines Querschnitts in eine Dicke von nicht mehr als 1 mm geschnitten und einer doppelten optischen Polierung unterzogen. Ein wirksamer Glasbereich wurde von einem Bildprozessor vermessen, wobei die Glasfaser gleichermaßen wie der Glaskörper einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen wurde. Die Glasfaser zeigte denselben Lichtdurchlaßgrad wie der Glaskörper.
- Pulvermaterialien aus 46,04 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 9,32 Gewichtsprozent CaO, 6,22 Gewichtsprozent MgO, 25,9 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 12,52 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; wurden als Glasausgangsmaterialien verwendet. Ein Gemisch dieser Ausgangsmaterialien wurde geschmolzen und in einer Atmosphäre, die He und N&sub2; in einem Verhältnis von 1:9 enthält, bei 1.680ºC für 5 Stunden bzw. bei 1.580ºC für 3 Stunden raffiniert. Dieses Glas wurde abgekühlt und herausgezogen, um einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen zu werden. Fig. 1 zeigt das Ergebnis.
- Dieses Glas wurde gleichermaßen wie das Beispiel 1 gezogen, wodurch die erhaltene Glasfaser eine mittlere Festigkeit von 450 kg/mm² zeigt. Der Lichtdurchlaßgrad dieser Glasfaser war annähernd gleich dem des Glaskörpers.
- Pulvermaterialien aus 56,74 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 10,42 Gewichtsprozent MgO, 25,33 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 7,51 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; wurden als Glasausgangsmaterialien verwendet. Ein Gemisch dieser Ausgangsmaterialien wurde geschmolzen und in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.700ºC für 5 Stunden bzw. bei 1.600ºC für 3 Stunden raffiniert. Dieses Glas wurde abgekühlt und daraufhin teilweise herausgezogen, um einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen zu werden. Fig. 1 zeigt das Ergebnis.
- Dieses Glas wurde gleichermaßen wie das Beispiel 1 gezogen, wodurch die erhaltene Glasfaser eine mittlere Festigkeit von 580 kg/mm² zeigt. Der Lichtdurchlaßgrad dieser Glasfaser war annähernd gleich dem des Glaskörpers
- Das Oxynitridglas wurde mit Zusammensetzungen und unter Bedingungen hergestellt, welche denen von Beispiel 3 ähnlich waren, mit der Ausnahme, daß die Raffinierung bei 1.700ºC für 8 Stunden ausgeführt wurde. Das erhaltene Glas wurde teilweise herausgezogen und einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen. Fig. 1 zeigt das Ergebnis. Das Glas wurde gleichermaßen wie in Beispiel 1 gezogen, um eine extrem schwache Glasfaser mit einer mittleren Festigkeit von 220 kg/mm² zu erhalten. Der Lichtdurchlaßgrad dieser Glasfaser war annähernd gleich dem des Glaskörpers.
- Pulvermaterialien aus 51,24 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 10,57 Gewichtsprozent MgO, 25,68 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 12,52 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; wurden als Glasausgangsmaterialien verwendet. Ein Gemisch dieser Ausgangsmaterialien wurde geschmolzen und in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.750ºC für 8 Stunden bzw. bei 1.700ºC für 2 Stunden raffiniert. Das erhaltene Glas wurde einer Messung des Lichtdurchlaßgrades unterzogen. Fig. 1 zeigt das Ergebnis. Das Glas wurde gleichermaßen wie im Beispiel 1 gezogen, um eine Glasfaser mit einer niedrigen mittleren Festigkeit von 240 kg/mm² zu erhalten. Der Lichtdurchlaßgrad dieser Glasfaser war annähernd gleich dem des Glaskörpers.
- Ausgangsmaterialien aus 50,31 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 9,81 Gewichtsprozent CaO, 11,54 Gewichtsprozent MgO, 20,83 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 7,51 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; wurden als Glasausgangsmaterialien verwendet. 1 kg eines Gemisches dieser Ausgangsmaterialien wurde geschmolzen und bei 1.650ºC durch einen 14 cm x 10 cm x 10 cm großen Karbonschmelztiegel, welcher mit BN ausgelegt wurde, in einer Atmosphäre, die Ar und N&sub2; in einem Verhältnis von 1:9 enthält, raffiniert. Die Schmelz- und Raffinierungs-Zeiten wurden variiert, um die Anzahl der Si-Teilchen, die in dem Glas enthalten sind, durch das folgende Verfahren zu zählen. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.
- Das innere einer optisch polierten Glasprobe wurde mit einem optischen Mikroskop beobachtet, die Si-Teilchen wurden in unterschiedlichen Abschnitten gezählt und die durchschnittliche Zahl wurde in Form eines Beobachtungseinheitsvolumens pro 1 cm³ erhalten.
- Das erhaltene Glas wurde in eine Molybdän-Buchse eingeführt, welche mit Chrom beschichtet war und die 36 Dusenspitzen aufweist, vollständig auf 1.550ºC erhitzt, aus den Düsenspitzen ausgegeben und mit 2.000 m/min gezogen. Der mittlere Faserdurchmesser betrug 8,0 µm. Die Tabelle 1 zeigt die Festigkeitspegel der erhaltenen Glasfaser. (Tabelle 1)
- Wie es eindeutig aus Tabelle 1 zu ersehen ist, ist es begreiflicherweise effektiv, die Si-Teilchen mit einer Größe von mindestens 0,1 µm auf eine Anzahl von nicht mehr als 10 x 10&sup8;/cm³ zu reduzieren.
- Ausgangsmaterialien aus 56,74 Gewichtsprozent SiO&sub2;, 10,42 Gewichtsprozent MgO, 25,33 Gewichtsprozent Al&sub2;O&sub3; und 7,51 Gewichtsprozent Si&sub3;N&sub4; wurden als Glasausgangsmaterialien verwendet. 3 kg eines Gemisches dieser Ausgangsmaterialien wurden geschmolzen und in einem 24 cm x 15 cm x 10 cm großen Molybdän-Wolfram-Schmelztiegel in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.720ºC für 6 Stunden bzw. bei 1.600ºC für 2 Stunden raffiniert. Das erhaltene Glas wurde abgekühlt, und die darin enthaltenen Si-Teilchen wurden gezählt, um ein Ergebnis von 1,8 x 10&sup8;/cm³ zu erhalten. Eine Glas faser, welche durch Ziehen dieses Glases gleichermaßen wie oben erhalten wurde, zeigte eine mittlere Festigkeit von 580 kg/mm².
- Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben und dargestellt worden ist, ist es ohne weiteres offensichtlich, daß dieselbe lediglich als Darstellung und Beispiel und nicht als Begrenzung zu nehmen ist, wobei der Bereich der vorliegenden Erfindung lediglich mittels der beigefügten Ansprüche begrenzt ist.
Claims (11)
1. Oxynitridglas, das Si-Teilchen oder
Si-Legierungsteilchen mit einer Größe von mindestens 0,1 µm und einer
Anzahl von nicht mehr als 1,0 x 10&sup9;/cm³ enthält.
2. Oxynitridglas gemäß Anspruch 1, das ein auf Si-Ca-M-O-N
oder Si-Ca-Mg-M-O-N basierendes Glas ist, worin M
mindestens eines aus Al, Sr, La, Ba, Y, Ti, Zr, Ce, Na, K,
Sb, B, Cr, Pb, V oder Sn darstellt.
3. Oxynitridglas gemäß Anspruch 1, das 0,1 bis 15
Gewichtsprozent Stickstoff enthält.
4. Oxynitridglas gemäß Anspruch 1, das bei einer
Wellenlänge von 400 bis 800 nm einen Lichtdurchlaßgrad von
mindestens 80%/mm aufweist.
5. Glasfaser, die aus einem Oxynitridglas besteht, das
Si- oder Si-Legierungsteilchen mit einer Größe von
mindestens 0,1 µm und einer Anzahl von nicht mehr als 1,0 x
10&sup9;/cm³ enthält.
6. Ein Verfahren zum Herstellen von Oxynitridglas gemäß
einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5
durch Schmelzen eines Glasausgangsmaterials, das ein
Oxid und eine Stickstoffverbindung enthält, dadurch
gekennzeichnet, daß geschmolzenes Glas bei einer
Temperatur von 1.400 bis 1.690ºC raffiniert wird.
7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die
Raffinierungstemperatur 1.500 bis 1.690ºC beträgt.
8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die
Raffinierungszeit 1,0 bis 100 Stunden beträgt.
9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die
Raffinierungszeit 2 bis 60 Stunden beträgt.
10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die
Raffinierungszeit 4 bis 6 Stunden beträgt.
11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem das
Glasausgangsmaterial ein Gemisch der folgenden
Ausgangsmaterialien (a) bis (d) ist:
(a) SiO&sub2;;
(b) Si&sub3;N&sub4; oder ein anderes Metallnitrid;
(c) mindestens ein Metalloxid; und
(d) CaO oder CaO + MgO.
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