DE69822277T2

DE69822277T2 - Lumineszierende Glaskeramik

Info

Publication number: DE69822277T2
Application number: DE69822277T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Sagamihara-shi Ohara; Naoyuki Sagamihara-shi Goto; Satoru Sagamihara-shi Matsumoto
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: DE69822277D1; JP4298822B2; US6197710B1; EP0924171B1; EP0924171A1; US6204211B1; JPH11240736A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Leucht-Glaskeramiken, die Seltenerdelemente in einer Glasphase und/oder einer Kristallphase enthalten, wobei die Wärmeleitfähigkeit, die Art der thermischen Ausdehnung und die mechanische Festigkeit der Leucht-Glaskeramiken verbessert sind, und die ferner verschiedene Emissionswellenlängen haben. Insbesondere betrifft die Erfindung Leucht-Glaskeramiken, die sich als Oszillationsmedium für die Laseroszillation, als Anregungslichtfilter oder dergleichen eignen.
Beschreibung der verwandten Technik
Als Werkstoffe, die bisher in der Technik für Leuchtmaterialien verwendet werden, sind Glaswerkstoffe, Einkristallwerkstoffe und keramische Werkstoffe bekannt.
Der Werkstoff Glas wirft jedoch Probleme mit der Wärmeleitfähigkeit und der thermischen Ausdehnung auf. Das heißt, da das Glasmaterial eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, ergibt sich dann, wenn das Glasmaterial einer Strahlung durch starkes Anregungslicht ausgesetzt wird, das Problem, dass das Glasmaterial unter seiner thermischen Ausdehnung bricht, da es die entstehende Wärme kaum abgeben kann. Wenn das Glasmaterial unter Umgebungsbedingungen eingesetzt wird, die eine starke oder rasche Temperaturänderung beinhalten, ergibt sich das Problem, dass das Glasmaterial wegen Wärmeermüdung bricht.
Beispielsweise bricht Leuchtglasmaterial, das als Oszillationsmedium für die Laseroszillation oder als Wellenlängen-Wandlungsfilter für das Anregungslicht eines Lasers eingesetzt wird, unter der thermischen Belastung, da die Wärmeleitfähigkeit des Glasmaterials niedrig ist und dessen Temperaturverteilung ungleichmäßig wird, wenn das Glasmaterial einer Laserstrahlung ausgesetzt wird.
Andererseits besteht beim Einkristallwerkstoff ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, das optisch aktive Element gleichmäßig in das Einkristallmaterial einzubringen und ein Produkt aus dem Einkristallwerkstoff herzustellen, das eine praxistaugliche Größe hat. Beim Werkstoff Keramik besteht das Problem, dass es zu einer Lichtstreuung kommen kann, die von Korngrenzen und Poren bewirkt wird, wie sie dem keramischen Material eigentümlich sind.
ZUSAMMFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Probleme entwickelt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Leucht-Glaskeramiken bereitzustellen, die hervorragende Temperatureigenschaften haben, beispielsweise dahingehend, dass sie unter einer lokalen thermischen Ausdehnung oder einem Temperaturwechsel oder dergleichen wegen niedriger Wärmeleitfähigkeit und hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten nicht so leicht brechen, wodurch die Probleme der Leuchtmaterialien des Standes der Technik gelöst werden können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von Leucht-Glaskeramiken, welche die Probleme der ungleichmäßigen Verteilung des optisch aktiven Elements im Einkristallmaterial des Standes der Technik sowie des Auftretens einer Lichtstreuung, die durch die Korngrenzen und Poren des keramischen Materials des Standes der Technik bewirkt wird, lösen kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von Leucht-Glaskeramiken, die eine Formbarkeit besitzen, die der von Glas ähnelt, und die leicht hergestellt werden können.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung von Leucht-Glaskeramiken mit den oben beschriebenen hervorragenden Temperatureigenschaften.
Die Erfinder haben verschiedene Anstrengungen unternommen, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen. In Folge davon wurde gefunden, dass Glaskeramiken, die ein Seltenerdelement in der Glasphase und/oder Kristallphase enthalten, und deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz, ein β-Quarz-Mischkristall, ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, ein hervorragendes Temperaturverhalten, ein geringes Auftreten von Lichtstreuung und eine Formbarkeit besitzen, die der von Glas ähnelt, so dass sie leicht hergestellt werden können. So gelang den Erfindern diese Erfindung.
Um die genannten Ziele zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Leucht-Glaskeramik mit einer Temperaturwechselbeständigkeit |Δ|°C von nicht unter 150°C bereitgestellt, wobei die Temperaturwechselbeständigkeit |Δ| durch die folgende Gleichung |Δt|=(Biegefestigkeit) × (1-[Poisson-Zahl])/ ([thermischer Ausdehnungskoeffizient] × [Youngscher-Modul]) erhalten wird. Die Leucht-Glaskeramik kann eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m · K) haben und eine Haupt-Kristallphase umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus β-Quarz und β-Quarz-Mischkristall besteht; sowie ein Seltenerdelement, das in einer [Phase] enthalten ist, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Glasphase, einer Kristallphase und einer Kombination aus Glas- und Kristallphase der Glaskeramik besteht.
Der β-Quarz-Mischkristall umfasst eine weitere Komponente, die einen Teil des β-Quarz-Kristalls ersetzt und/oder den β-Quarz-Kristall unterwandert. Der β-Quarz-Mischkristall enthält β-Eucryptit, d.h, β-Li₂O · Al₂O₃ 2SiO₂, worin Li und Al das Si im β-Quarz-Kristall in einem Verhältnis von 1 : 1 ersetzen, und einen β-Eucryptit-Mischkristall, in dem eine noch andere Komponente einen Teil des β-Eucryptits ersetzt und/oder den β-Eucryptit unterwandert.
In der Leucht-Glaskeramik darf die Korngröße eines darin ausgeschiedenen Kristalls nicht über 900 Å liegen; ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C kann –10 × 10^–7 bis + 20 × 10^–7/°C sein; und die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve, welche die relative Längenänderung darstellt, darf in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C nicht über 2 × 10^–5 liegen. Die Leucht-Glaskeramik kann die folgenden Bestandteile umfassen:
worin die Gesamtmenge an SiO₂ und P₂O₅ 50 – 70 Gew.-% sein kann, das Verhältnis von P₂O₅ zu SiO₂ 0 – 0,18 sein kann, das Verhältnis von Al₂O₃ zu SiO₂ 0,30 – 0,55 sein kann, der Glaskeramik ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten, auf Oxidbasis, zugesetzt werden sollte(n), und im Wesentlichen keine Na₂O-Komponente, K₂O-Komponente und PbO-Komponente enthalten sein darf.
Die Leucht-Glaskeramik kann anhand eines Verfahrens erzeugt werden, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Rohmaterialmischung aus diesen Komponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung; Aussetzen des gekühlten Produkts an eine Keimbildungstemperatur von 650 – 820 °C; und Aussetzen des resultierenden Produkts an eine Kristallisationstemperatur von 750 – 920 °C.
Die Leucht-Glaskeramik kann umfassen: eine Haupt-Kristallphase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Spinell-Kristall und Spinell-Mischkristall; und ein Seltenerdelement, das in einer [Phase] enthalten ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus einer Glasphase, einer Kristallphase und einer Kombination aus Glas- und Kristallphase der Glaskeramik besteht.
In der Anmeldung handelt es sich bei dem Spinell-Kristall um einen oder mehrere Typen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus (Mg und/oder Zn)Al₂O₉, (Mg und/oder Zn)₂TiO₄ und einem Mischkristall aus diesen beiden Kristallen besteht.
Der Mischkristall aus zwei Kristallen weist einen auf, der nur aus dem Element besteht, das in (Mg und/oder Zn)Al₂O₉ und (Mg und/oder Zn)₂TO₉ enthalten ist, worin das Element einen Teil der beiden Kristalle ersetzt und/oder die beiden Kristalle unterwandert.
Der Mischkristall aus Spinell-Kristall weist eine weitere Komponente auf, die einen Teil des Spinell-Kristalls ersetzt und/oder den Spinell-Kristall unterwandert.
In der Leucht-Glaskeramik darf die Korngröße eines darin ausgeschiedenen Kristalls nicht über 300 Å liegen; und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient kann in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C bei 25 × 10^–7 bis 85 × 10^–7/°C liegen. Die Leucht-Glaskeramik kann die folgenden Komponenten umfassen:
wobei der Glaskeramik, auf Oxidbasis, ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge von 0,1 – 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten zugesetzt werden kann bzw. können, und im Wesentlichen keine Alkalimetallkomponente und PbO-Komponente darin enthalten sein darf. Die Leucht-Glaskeramik kann anhand eines Verfahrens erzeugt werden, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung der Rohmaterialien der Komponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung; Aussetzen des gekühlten Produkts an eine Keimbildungstemperatur von 650 – 720 °C; und Aussetzen des resultierenden Produkts an eine Kristallisationstemperatur von 750 – 880 °C.
Gemäß den Leucht-Glaskeramiken der Erfindung, da die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung durch Wärmebehandlung der Ausgangsgläser nach dem Aufschmelzen der Rohmaterialien und Formen der geschmolzenen Mischung erhalten werden können, wobei die Gläser die Zusammensetzung eines SiO₂- Al₂O₃-TiO₂-Re_mO_n-Systems haben können, worin Re für ein oder mehrere Seltenerdelemente stehen kann, keine PbO-Komponente enthalten, und die erhaltenen Leucht-Glaskeramiken dichtgepackt sein können, können die Leucht-Glaskeramiken eine hervorragende Homogenität, eine geringe thermische Ausdehnung, eine Wärmebeständigkeit, thermische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Außerdem kann somit das Schmelzverhalten der Rohmaterialien für das Ausgangsglas der Leucht-Glaskeramiken mit diesen überlegenen Eigenschaften drastisch verbessert werden. Daher können die Leucht-Glaskeramiken eine hervorragende Formbarkeit und Leichtigkeit der Herstellung aufweisen.
Insbesondere kommt es gemäß den Leucht-Glaskeramiken der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, im Lauf der Zeit zu keiner Alkali-Elution, da die Leucht-Glaskeramiken praktisch keine Alkalikomponenten enthalten dürfen. Wenn die Leucht-Glaskeramiken in eine Vorrichtung eingebaut werden, können die Leucht-Glaskeramiken daher keine Korrosion der Vorrichtung verursachen.
Die Leucht-Glaskeramik kann anhand eines Verfahrens hergestellt werden, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus den Rohmaterialien der Komponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung; und Kristallisieren eines gewünschten Bereichs des resultierenden Produkts durch lokale Wärmebehandlung.
Die lokale Wärmebehandlung kann durch einen Laser oder einen Erhitzer oder dergleichen vorgenommen werden, der das Glas lokal erwärmen kann.
Da die Gläser in einem gewünschten Bereich lokal feinstrukturiert kristallisiert werden können, indem man sie in den gewünschten Strukturen einer Bestrahlung durch Laserlicht aussetzt, kann die dekorative Wirkung der Leucht-Glaskeramiken noch weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung einer Leucht-Glaskeramik mit einer Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150 °C, einer Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K), einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von –10 × 10^–7 bis +20 × 10^–7/°C in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C bereitgestellt, wobei die Glaskeramik die folgende Zusammensetzung aufweist:
worin die Gesamtmenge von SiO₂ und P₃O₃ 50 – 70 Gew.-% beträgt, das Verhältnis von P₂O₅ zu SiO₂ bei 0 – 0,18 liegt, das Verhältnis von Al₂O₃ zu SiO₂ bei 0,30 – 0,55 liegt, der Glaskeramik, auf Oxidbasis, ein oder mehrere Seltenerdelement(e) in einer Menge von 0,1 – 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten zugesetzt wird bzw. werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus den Rohmaterialien der Komponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung; Aussetzen des gekühlten Produkts an eine Keimbildungstemperatur von 650 – 820 °C und Aussetzen des resultierenden Produkts an eine Kristallisationstemperatur von 750 – 920 °C.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Leuchtkeramik bereitgestellt, die eine Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150 °C, eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K), einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 25 × 10^–7 bis 85 × 10^–7/°C in einem Temperaturbereich von –60 °C bis 160 °C umfasst, wobei die Glaskeramik die folgende Zusammensetzung aufweist:
worin der Glaskeramik, auf Oxidbasis, ein oder mehrere Seltenerdelement(e) in einer Menge von 0,1 – 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten zugesetzt wird bzw. werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus den Rohmaterialien der Komponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung; Aussetzen des gekühlten Produkts an eine Keimbildungstemperatur von 650 – 720 °C und Aussetzen des resultierenden Produkts an eine Kristallisationstemperatur von 750 – 880 °C.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Leucht-Glaskeramiken der Erfindung, kann, da das Ausgangsglas anhand eines Glasherstellungsverfahrens erzeugt werden kann und die Glaskeramik dadurch erhalten werden kann, dass man das Ausgangsglas in verschiedene Formen bringt, beispielsweise in die Form von Platten, in die Form von dünnen Platten, in die Form von Fasern, in die Form von dünnwandigen Rohren usw., und es anschließend Wärmebehandlungen unterzieht, eine Leucht-Glaskeramik erzeugt werden, die in sehr hohem Maß frei geformt werden kann.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird die Leucht-Glaskeramik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
Zunächst werden die Gründe für die Beschränkung des Bereichs der Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|, der Wärmeleitfähigkeit, des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der maximalen Änderung der Δ L/L- Kurve, bei der es sich um die Änderung der relativen Länge handelt, der Zusammensetzung der Haupt-Kristallphase und des Ausgangs- oder Originalglases der Leucht-Glaskeramiken auf den oben beschriebenen Bereich wie folgt beschrieben. Ein Ausgangs- oder Originalglas wurde nicht gemäß der Erfindung wärmebehandelt. Die Ausgangsgläser, die einer Wärmebehandlung unterzogen wurden, sind die Glaskeramiken gemäß dieser Erfindung.
Die Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| ist ein Index für die Wärmebeständigkeitswirkung, die von der folgenden Gleichung |Δt| = [Biegefestigkeit] × (1-[Poisson-Zahl])/([thermischer Ausdehnungskoeffizient] × [Youngscher Modul]) dargestellt wird, und die im „New Glass Handbook", herausgegeben von der Redaktion des New Glass Handbook und von Maruzen veröffentlicht, auf den Seiten 405 – 406 dargestellt ist. Es wird angenommen, dass die Glaskeramiken oder die Gläser umso unempfindlicher gegen Temperaturunterschiede werden, je höher ihre Temperaturwechselbeständigkeit wird.
Der Anmelder führte verschiedene Versuche durch und fand heraus, dass es für die Glaskeramiken oder Gläser notwendig ist, dass ihr Wert |Δt| nicht kleiner als 150 sein darf, um als Oszillationsmedium für die Laseroszillation oder als Wellenlängen-Wandlungsfilter für das Anregungslicht eines Lasers geeignet zu sein, die einer Bestrahlung durch hochintensives Anregungslicht ausgesetzt werden. Vorzugsweise sollte der Wert |Δt| nicht kleiner als 200, stärker bevorzugt nicht kleiner als 250 sein. Die Temperaturwechselbeständigkeit der meisten Leuchtgläser des Standes der Technik, die nicht kristallisiert wurden, liegt nicht über 100, und selbst ihr bester Wert geht nicht über 130 hinaus.
Im Gegensatz dazu haben die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung eine Temperaturwechselbeständigkeit, die erheblich größer ist als die der Gläser des Standes der Technik. Das heißt, der Verlauf der Wärmebeständigkeitswirkung der Leucht-Glaskeramiken der Erfindung ist hervorragend, da ihre Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| nicht unter 150 liegt. Auch wenn die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung einer Bestrahlung durch hochintensives Anregungslicht ausgesetzt werden, können die Leucht-Glaskeramiken daher einem Brechen aufgrund einer durch Wärmeerzeugung bewirkten lokalen thermischen Ausdehnung widerstehen. Die Leucht-Glaskeramiken können auch gegen einen Temperaturwechsel, gegen intermittierend ausgestrahltes Anregungslicht oder gegen thermische Ermüdung im Laufe der Zeit bestehen.
Die Wärmeleitfähigkeit des Leucht-Glasmaterials des Standes der Technik ist niedrig, beispielsweise bei einem Wert von nicht über 1,1 W/(m·K). Wenn das Leucht-Glasmaterial stundenlang einer Bestrahlung durch hochintensives Anregungslicht ausgesetzt wird, steigt demgemäß die Temperatur des Leucht-Glaskeramikmaterials des Standes der Technik lokal an, da das Leucht-Glaskeramikmaterial die entstehende Wärme nur schwer verteilen kann, und es bricht schließlich unter der durch die thermische Ausdehnung erzeugten Belastung.
Da im Gegensatz dazu sämtliche Leucht-Glaskeramiken der Erfindung eine Wärmeleitfähigkeit haben, die nicht unter 1,1 W/(m·K) liegt, können die Leucht-Glaskeramiken die entstehende Wärme leichter verteilen und lokale Spannungen leichter vermeiden als die Leucht-Glasmaterialien des Standes der Technik.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäßen Leucht-Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist, beschrieben.
Diese Kristallphasen sind wesentlich, um den niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Leucht-Glaskeramiken zu erreichen. Es ist möglich, die lokale Spannung aufgrund der thermischen Ausdehnung unter einer Bestrahlung mit hochintensivem Anregungslicht zu verringern, und zu verhindern, dass die Leucht-Glaskeramiken brechen, weil die Leucht-Glaskeramiken diese Kristallphasen aufweisen. Da die Leucht-Glaskeramiken eine niedrige thermische Ausdehnungsgeschwindigkeit haben, wird ihre Temperaturwechselbeständigkeit außerdem sehr groß. Daher sind die Leucht-Glaskeramiken schwer zerbrechlich und gegen Wärmeermüdung beständig, wenn die Leucht-Glaskeramiken wiederholt einer Bestrahlung durch hochintensives Anregungslicht ausgesetzt werden.
Der Anteil der Kristallphase, bei der es sich um einen β-Quarz oder einen β-Quarz-Mischkristall handelt, liegt vorzugsweise nicht unter 30 Gew.-%, stärker bevorzugt nicht unter 50 Gew.-%, berechnet anhand der Fläche unter der Bande, die durch Röntgendiffraktometrie (Pulververfahren) erhalten wird.
Was die Korngröße des in den Glaskeramiken ausgeschiedenen Kristalls betrifft, so ist es wichtig, die Transparenz der Glaskeramiken zu erhalten. Der Unterschied im Brechungsindex zwischen der Glasphase und dem ausgeschiedenen Kristall ist ein wichtiger Faktor für die Korngröße. Das heißt, wenn der Unterschied im Brechungsindex zwischen ihnen groß ist, muss die Korngröße des Kristalls gering sein, damit die Transparenz der Leucht-Glaskeramiken erhalten wird. Wenn dagegen der Unterschied im Brechungsindex zwischen ihnen gering ist, kann die Transparenz der Leucht-Glaskeramiken auch dann beibehalten werden, wenn die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls groß ist.
Falls die Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist, liegt in den Glaskeramiken gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung der mit „nd" bezeichnete Brechungsindex der Glasphase bei 1,52 bis 1,55, während der Brechungsindex nd des β-Quarz-Kristalls oder des β-Quarz-Mischkristalls 1,53 bis 1,54 beträgt. Die Brechungsindex-Unterschiede Δnd zwischen ihnen betragen 0,01 bis 0,02, was sehr wenig ist. Daher ist es erforderlich, dass die Glaskeramiken einen ausgeschiedenen Kristall aufweisen, dessen Korngröße nicht über 900 Ångström (Å) liegt, was relativ groß ist, um die Transparenz der Leucht-Glaskeramiken zu erhalten.
Auch wenn Δnd gering ist, wird die Transparenz der Glas-Keramiken erheblich reduziert, wenn die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls über 900 Å liegt. Insbesondere dann, wenn die Glaskeramiken als Oszillationsmedium für die Laseroszillation, beispielsweise in Form einer dicken Platte, eines Blocks usw. verwendet werden, wird die Transparenz der Glaskeramiken zum wichtigen Faktor. Daher liegt die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls vorzugsweise nicht über 850 Å, stärker bevorzugt nicht über 800 Å.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient wird in den Glaskeramiken gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung reduziert, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist, und die maximale Änderung ihrer relativen Länge ist gering gestaltet, um ein Brechen des Glases aufgrund der Spannung bei der thermischen Ausdehnung zu vermeiden.
Für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α sind Werte von –10 × 10^–7 bis +20 · 10^–7/°C bevorzugt, und für die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve, bei der es sich um die relative Längenänderung handelt, sind Werte von ≤ 2 × 10^–5 im Bereich von –60 °C bis +160 °C bevorzugt. Wenn Glaskeramiken Werte innerhalb dieser Bereiche aufweisen, kann verhindert werden, dass sie unter der thermischen Ausdehnung, die durch ihre Bestrahlung mit hochintensivem Anregungslicht bewirkt wird, brechen. Stärker bevorzugt liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient α bei –7 × 10^–7 bis +18 × 10^–7/°C und liegt die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve bei ≤ 1,8 × 10^–5, stärker bevorzugt liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient α bei –5 × 10^–7 bis +15 × 10^–7/°C und die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve bei ≤ 1,5 × 10^–5.
Die Zusammensetzungen der Leucht-Glaskeramiken gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist, werden nachstehend beschrieben.
Die Leucht-Glaskeramik darf praktisch kein PbO, Na₂O oder K₂O enthalten, da PbO nachteilige Wirkungen auf Mensch und Umwelt hat, und weil dann, wenn die Leucht-Glaskeramiken Na₂O und K₂O enthält, die Alkalikomponenten herausgelöst werden, wenn sie einer Erwärmung oder Alterung unterliegen.
Die SiO₂-Komponente ist wichtig als Komponente für die Bildung der Haupt-Kristallphase und als hauptsächlicher Glasbildner. Wenn der SiO₂-Gehalt unter 50 Gew.-% liegt, wird die Korngröße des Kristalls in den erhaltenen Glaskeramiken zu grob, und ihre Transparenz leidet. Wenn andererseits der SiO₂-Gehalt über 65 Gew.-% liegt, ist das Schmelzen der Rohmaterialien des Ausgangsglases schwierig, und die Glasschmelze kann nur schwer geläutert werden, so dass die chemische Homogenität des Produkts leidet. Vorzugsweise ist der Bereich des SiO₂-Gehalts 52 – 62 Gew.%, stärker bevorzugt 55 – 61 Gew.-%.
Wenn eine P₂O₅-Komponente neben der SiO₂-Komponente vorhanden ist, bewirkt das P₂O₅ eine flache und stabile ΔL/L-Kurve und erleichtert das Schmelzen der Rohmaterialien für das Glas und das Läutern der Glasschmelze. Wenn der P₂O₅-Gehalt jedoch über 10 Gew.-% liegt, wird die Korngröße des Kristalls in den Glaskeramiken grob, und die Transparenz der Glaskeramiken leidet beträchtlich. Vorzugsweise ist der Bereich des P₂O₅-Gehalts 0 – 8 Gew.-%, stärker bevorzugt 3 – 7 Gew.-%.
Für eine erhebliche Verbesserung des Abflachens der ΔL/L-Kurve und der Schmelz- und Läutereigenschaften liegt die bevorzugte Gesamtmenge von SiO₂ + P₂O₅ bei 50 – 70 Gew.%. Ein stärker bevorzugter Bereich dafür ist 56 – 70 Gew.%, insbesondere 61 – 66 Gew.-%.
Darüber hinaus liegt der bevorzugte Bereich des Gewichtsverhältnisses der P₂O₅-Komponente zur SiO₂-Komponente bei 0 – 0,18, stärker bevorzugt 0 – 0,15, am stärksten bevorzugt 0,06 – 0,12.
Die Al₂O₃-Komponente dient der Verbesserung der Entglasungsbeständigkeit des Glases. Wenn der Al₂O₃-Gehalt unter 18 Gew.-% liegt, ist es schwierig, die Rohmaterialien des Ausgangsglases aufzuschmelzen, und seine Entglasungsbeständigkeit wird verschlechtert. Wenn andererseits der Al₂O₃-Gehalt über 30 Gew.-% liegt, ist es schwierig, die Rohmaterialien für das Ausgangsglas zu schmelzen, und seine Entglasungsbeständigkeit wird verschlechtert. Bevorzugte Bereiche für den Al₂O₃-Gehalt sind 20 – 27 Gew:-%, insbesondere 22,5 – 25 Gew.-%.
Für die Verbesserung der Entglasungsbeständigkeit des Glases liegt der bevorzugte Bereich des Gewichtsverhältnisses der Al₂O₃-Komponente zur SiO₂-Komponente bei 0,30 – 0,55. Ein stärker bevorzugter Bereich dafür ist 0,34 – 0,49, insbesondere 0,36 – 0,42.
Li₂O, MgO und ZnO sind wichtig, da jedes von ihnen zur Bildung des β-Quarz-Kristalls oder des β-Quarzmischkristalls beiträgt. Diese drei Komponenten bewirken ein Abflachen und Stabilisieren der ΔL/L-Kurve der Glaskeramik und verbessern die Läuterung der Glasschmelze zusammen mit der SiO₂-Komponente und der P₂O₅-Komponente, deren Gewichtsverhältnis zur SiO₂-Komponente begrenzt ist.
Wenn der Li₂O-Gehalt unter 2 Gew.-% liegt, wird die Schmelzeignung der Rohstoffe des Ausgangsglases schlechter, so dass die Homogenität des Produkts herabgesetzt wird, zusätzlich ist es schwierig, den erwünschten feinen Kristall auszuscheiden. Wenn andererseits der Li₂O-Gehalt über 6 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls wird grob, und die Transparenz der Glaskeramiken wird erheblich verschlechtert. Ein bevorzugter Bereich für den Li₂O-Gehalt ist 2,5 – 5,5 Gew.%, stärker bevorzugt 3 – 5 Gew.-%.
Wenn der MgO-Gehalt unter 0,2 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, darüber hinaus wird die Schmelzeignung der Rohmaterialien für das Ausgangsglas herabgesetzt, so dass die Homogenität des Produkts leidet. Wenn andererseits der MgO-Gehalt über 6 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, darüber hinaus ist es schwierig, die erwünschte Kristallphase auszuscheiden. Ein bevorzugter Bereich für den MgO-Gehalt ist 0,3 – 5 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,5 – 4 Gew.-%.
Wenn der ZnO-Gehalt über 2 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, darüber hinaus wird die Entglasungsbeständigkeit des Glases herabgesetzt, und es ist schwierig, die erwünschte Kristallphase auszuscheiden. Ein bevorzugter Bereich für den ZnO-Gehalt ist 0,1 – 1,7 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,2 – 1,5 Gew.-%.
Noch stärker bevorzugt ist es außerdem, wenn die Gesamtmenge der drei Komponenten Li₂O + MgO + ZnO in einem Bereich von 4 – 6,5 Gew.-% liegt.
Die Komponenten CaO und BaO bilden im Wesentlichen die übrige Glasmatrix, abgesehen von der Kristallphase aus β-Quarz und β-Quarzmischkristall. Diese Komponenten sind wichtig für die Feineinstellung der Matrix-Glasphase, um die ΔL/L-Kurve der Glaskeramiken abzuflachen und zu stabilisieren, und um die Glasschmelze zu läutern.
Wenn der CaO-Gehalt über 4 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, darüber hinaus wird die Entglasungsbeständigkeit des Glases herabgesetzt. Vorzugsweise liegt der CaO-Gehalt bei 0, – 3 Gew.-%, stärker bevorzugt bei 0 – 2 Gew.-%.
Wenn der BaO-Gehalt unter 0,5 Gew.-% liegt, können die oben beschriebenen Wirkungen nicht erzielt werden, dagegen werden, wenn der BaO-Gehalt über 6 Gew.-% liegt, die Entglasungsbeständigkeit des Glases und die Schmelzeignung der Rohmaterialien für das Ausgangsglas verschlechtert. Ein bevorzugter Bereich für den BaO-Gehalt ist 0,5 – 5 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,5 – 4 Gew.-%.
Die TiO₂- und ZrO₂-Komponenten sind als Keimbildungsmittel für den ausgeschiedenen Kristall notwendig. Wenn der TiO₂- und der ZrO₂-Gehalt jeweils unter 1 Gew.-% liegen, ist es schwierig, den gewünschten Kristall auszuscheiden, während dann, wenn der TiO₂- und der ZrO₂-Gehalt jeweils über 4 Gew.-% liegen, die Entglasungsbeständigkeit des Glases so niedrig wird, dass die Transparenz der Glaskeramiken erheblich leidet. Ein bevorzugter Bereich des TiO₂- und des ZrO₂-Gehalts ist jeweils 1,5 – 4 Gew.-%, stärker bevorzugt 1,5 – 3 Gew.-%.
As₂O₃ und Sb₂O₃ können während des Aufschmelzens der Rohmaterialien für das Ausgangsglas als Läuterungsmittel zugesetzt werden, die Gesamtmenge dafür ist aber auf höchstens 2 Gew.-% beschränkt. Ein bevorzugter Bereich für die Gesamtmenge an As₂O₃ und Sb₂O₃ ist 0, 3 – 2 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,3 – 1,5 Gew.-%.
Seltenerdelement-Komponenten sind als optisch aktive Komponenten wichtig. Die zugesetzte Menge eines oder mehrerer Seltenerdkomponenten auf Oxidbasis muss 0,1 – 30 Gew.-% betragen, bezogen auf das Gewichtsverhältnis zu den anderen oben beschriebenen Glaskeramikkomponenten. Ein bevorzugter Bereich für die zugesetzte Menge an Seltenerdkomponenten auf Oxidbasis ist 0,1 – 25 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,1 – 20 Gew.-%.
Die bevorzugten Elemente, die unter den Seltenerdelement-Komponenten ein besonderes Emissionsverhalten aufweisen, ist bzw. sind eine oder. mehrere Arten, die aus der Gruppe ausgewählt ist bzw. sind, die aus Nd, Eu, Dy, Er, Tb, Ce, Yb und Sm bestehen. Die Seltenerdelement-Komponenten, die den Glaskeramiken zugesetzt werden, sollten nach Art und Menge sorgfältig ausgewählt werden, wenn die Glaskeramiken als Medium für die Laseroszillation, als Wellenlängen-Wandlungsfilter für Laseranregungslicht, als Strahlungsszintillator, als Deckglas für Solarzellen, als fluoreszierender Stoff für Beleuchtungen oder Displays, als Elektrolumineszenz-Materialien, als Materialien für Ultraviolettsensoren oder dergleichen verwendet werden, um ein Löschen, d.h. eine Abnahme der Emissionsleistung zu verhindern, wenn die optisch aktiven Komponenten hochkonzentriert sind, oder wenn sich die optisch aktiven Komponenten wechselseitig beeinflussen.
Man kann in einem Bereich, bei dem die erwünschte Eigenschaft der Glaskeramiken aufrechterhalten wird, auch andere Inhaltsstoffe zusetzen, um die Schmelzeignung der. Rohmaterialien des Ausgangsglases und die Durchlässigkeit der Glaskeramiken zu verbessern. Beispielsweise kann bzw. können ein oder mehrere Inhaltsstoffe, bei dem bzw. denen es sich um SrO, B₂O₃, F₂, La₂O₃, Bi₂O₃, WO₃, Y₂O₃ und SnO₂ handelt, in einer Gesamtmenge von bis zu 2 Gew.-% zugegeben werden, und eine oder zwei färbende Komponenten, bei der bzw. denen es sich um SrO, NiO, MnO₂, Fe₂O₃, Cr₂O₃ oder dergleichen handelt, kann bzw. können in einer Gesamtmenge von bis zu 2 Gew.-% zugegeben werden.
Was die Keimbildungstemperatur der Leucht-Glaskeramiken gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung betrifft, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist, so wird, wenn. die Keimbildungstemperatur unter 650 °C liegt, die gewünschte Kristallphase nicht ausgeschieden. Wenn andererseits die Keimbildungstemperatur über 820 °C liegt, ist es unmöglich, eine Kristallphase zu erhalten, deren Kristallkorn-Größenverteilung homogen ist, da es zu einem anomalen Wachstum des ausgeschiedenen Kristalls gekommen ist. Ein bevorzugter Bereich für die Keimbildungstemperatur ist 650 – 820 °C, stärker bevorzugt ist 680 – 800 °C.
Was die Kristallisationstemperatur der Glaskeramiken betrifft, so wachsen die Kristalle nicht zur gewünschten Korngröße heran, wenn die Kristallisationstemperatur unter 750 °C liegt. Wenn andererseits die Kristallisationstemperatur über 920 °C liegt, wachsen die Kristallkörner so stark, dass die Transparenz verloren geht, die mechanische Festigkeit, d.h. die Biegefestigkeit sinkt, und es schwierig wird, die gewünschte thermische Ausdehnungsfähigkeit zu erhalten. Ein bevorzugter Bereich für die Kristallisationstemperatur ist 750 – 920 °C, stärker bevorzugt ist 770 – 900 °C.
Die Leucht-Glaskeramiken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, sind nachstehend beschrieben.
Diese Kristallphasen sind wesentlich, um die Biegefestigkeit der Leucht-Glaskeramiken zu verbessern, wobei Leucht-Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, im Vergleich zu den oben beschriebenen Glaskeramiken, deren Hauptkristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarzmischkristall ist, keinen so niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall sind gegen Spannungen unempfindlich. Außerdem kann ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall die Temperaturwechselbeständigkeit der Glaskeramiken verbessern. Daher können die Glaskeramiken, auch wenn sie einer Bestrahlung durch hochintensives Laser-Anregungslicht ausgesetzt werden, einem Brechen unter einer lokalen thermischen Ausdehnung, einem Temperaturwechsel, einer intermittierenden Bestrahlung durch Anregungslicht oder einer thermischen Ermüdung im Lauf der Zeit wiederstehen. Vorzugsweise liegt der Anteil des Spinell-Kristalls oder des Spinell-Mischkristalls an der Kristallphase nicht unter 15 Gew.-%, stärker bevorzugt nicht unter 20 Gew.-%, berechnet anhand der Fläche unter der Bande, die durch Röntgenstrahlen-Diffraktometrie (Pulververfahren) erhalten wird.
Die Kristallkorngröße des ausgeschiedenen Kristalls in den Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, ist nachstehend beschrieben.
Der Brechungsindex „nd" der Glasphase der Glaskeramiken ist etwa 1,59, während der Brechungsindex nd des ausgeschiedenen Kristalls etwa 1,75 ist. Die Differenz Δnd im Brechungsindex zwischen ihnen beträgt 0,16, was mehr ist als bei den Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarz-Mischkristall ist. Aus den oben beschriebenen Gründen muss daher die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls klein sein, um die Transparenz der Leucht-Glaskeramiken aufrechtzuerhalten.
Daher ist es notwendig, dass die Glaskeramiken einen ausgeschiedenen Kristall aufweisen, der eine Korngröße. von nicht über 300 Ångström (Å) hat, um die Transparenz der Leucht-Glaskeramiken aufrechtzuerhalten. Wenn die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls über 300 Å liegt, sinkt die Transparenz der Glaskeramiken beträchtlich. Insbesondere ist es schwierig, die Glaskeramiken als Oszillationsmedium für die Laseroszillation in Form von dicken Platten, Blöcken oder dergleichen zu verwenden. Daher beträgt die Korngröße des ausgeschiedenen Kristalls nicht mehr als 280 Å, stärker bevorzugt aber nicht mehr als 250 Å.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glaskeramiken gemäß der Ausführungsform der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, wird nachstehend beschrieben. In diesen Glaskeramiken ist der thermische Ausdehnungskoeffizient verglichen mit den Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz der ein β-Quarz-Mischkristall ist, relativ hoch, während die Biegefestigkeit verbessert ist, wodurch ein Brechen des Glases aufgrund von Spannungen wegen der thermischen Ausdehnung verhindert wird.
Die Werte für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α der Glaskeramiken liegen vorzugsweise bei +25 × 10^–7 bis +85 × 10^–7/°C in einem Temperaturbereich von –60°C bis +160°C. Der Grund für die Bevorzugung dieser Werte liegt darin, dass die Glaskeramiken auch bei verbesserter Biegefestigkeit aufgrund einer thermischen Ausdehnung brechen können, wenn der Wert für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten über +85 × 10^–7/°C liegt. In den Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, ist es schwierig, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter +25 × 10^–7/°C zu bringen, und zwar wegen der Eigenschaften, die ihnen der ausgeschiedene Kristall verleiht. Stärker bevorzugt liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient α bei +30 × 10^–7 bis +80 × 10^–7/°C, stärker bevorzugt bei +35 × 10^–7 bis +75 × 10^–7/°C.
Im Folgenden werden die Zusammensetzungen der Glaskeramiken gemäß der Ausführungsform der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, erklärt.
Die Leucht-Glaskeramiken dürfen im Wesentlichen kein PbO, Li₂O, Na₂O oder K₂O enthalten; da PbO schädlich für Mensch und Umwelt ist, und da dann, wenn die Leucht-Glaskeramiken Li₂O, Na₂O oder K₂O enthalten, die Alkalikomponenten durch die Wirkung von Wärme und Zeit herausgelöst werden.
Wenn der SiO₂-Gehalt unter 30 Gew.-% liegt, besteht die Tendenz, dass die Korngröße des Kristalls in den erhaltenen Glaskeramiken zu grob wird, und dass ihre Chemikalienbeständigkeit und Härte abnehmen. Wenn andererseits der SiO₂-Gehalt über 65 Gew.-% liegt, ist es schwierig, die Rohmaterialien für das Ausgangsglas zu schmelzen. Der bevorzugte Bereich für den SiO₂-Gehalt ist 35 – 65 Gew.-%, stärker bevorzugt 40 – 62 Gew.-%.
Die Al₂O₃-Komponente ist wichtig, um den Spinell-Kristall oder den Spinell-Mischkristall zu bilden, welcher die Haupt-Kristallphase der Glaskeramiken darstellt. Wenn der Al₂O₃-Gehalt unter 5 Gew.-% liegt, nehmen Chemikalienbeständigkeit und Härte der erzeugten Glaskeramiken ab. Wenn andererseits der Al₂O₃-Gehalt über 35 Gew.-% liegt, sinkt die Entglasungsbeständigkeit des Ausgangsglases, die Schmelzeignung der Rohmaterialien für das Ausgangsglas wird verschlechtert, und es ist schwierig, homogene Gläser zu erhalten. Vorzugsweise liegt der Bereich für den Al₂O₃-Gehalt bei 10 – 30 Gew.-%, stärker bevorzugt bei 15 – 25 Gew.-%.
Die ZnO-Komponente ist sehr wichtig, da das enthaltene ZnO und Al₂O₃ durch Wärmebehandlung die Haupt-Kristallphase des Spinell-Kristalls oder des Spinell-Mischkristalls des Ausgangsglases bilden, so dass die Festigkeit, die Härte, die Feuerbeständigkeit und die Wärmebeständigkeit der Glaskeramikerzeugnisse verbessert werden. Diese Komponenten haben außerdem die Wirkung, die Transparenz der Glaskeramiken zu erhalten. Wenn der ZnO-Gehalt jedoch unter 5 Gew.-% liegt, ist es schwierig, die oben beschriebene Wirkung zu erzielen. Wenn andererseits der ZnO-Gehalt über 35 Gew.-% liegt, wird das Ausgangsglas instabil. Vorzugsweise liegt der Bereich des ZnO-Gehalts bei 8 – 30 Gew.-%, stärker bevorzugt bei 10 – 25 Gew.-%.
Die MgO-Komponente ist wichtig, um die Haupt-Kristallphase des Spinell-Kristalls oder des Spinell-Mischkristalls zu bilden. Wenn der MgO-Gehalt unter 1 Gew.% liegt, ist das Ausgangsglas instabil, und die Schmelzeignung der Rohmaterialien des Ausgangsglases wird verschlechtert. Außerdem sinkt die Härte der Glaskeramikerzeugnisse. Wenn dagegen der MgO-Gehalt über 20 Gew.-% liegt, wird die Korngröße des Kristalls in den erhaltenen Glaskeramiken zu grob, und ihre Transparenz geht verloren, so dass die Entglasungsbeständigkeit des Ausgangsglases sinkt. Vorzugsweise liegt der Bereich für den MgO-Gehalt bei 3 – 18 Gew.-%, stärker bevorzugt bei 5 – 18 Gew.-%.
Die BaO-Komponente hat die Wirkung, die Schmelzeignung der Rohmaterialien für das Ausgangsglas zu verbessern. Um diese Wirkung zu erzielen, und um eine Vergröberung der Kristallkorngröße während der Wärmebehandlung zu verhindern, sollte der Bereich für den BaO-Gehalt 0,3 – 4 Gew.-% betragen. Vorzugsweise liegt der BaO-Gehalt in einem Bereich von 0,3 – 3,5 Gew.-%, stärker bevorzugt von 0,5 – 3 Gew.-%.
Die TiO₂-Komponente ist wichtig, um die Haupt-Kristallphase des Spinell-Kristalls oder des Spinell-Mischkristalls zu bilden, außerdem ist sie als Keimbildungsmittel für den ausgeschiedenen Kristall wesentlich. Wenn der TiO₂-Gehalt unter 1 Gew.-% liegt, kann die gewünschte Kristallphase nicht ausgeschieden werden, während dann, wenn der TiO₂-Gehalt über 15 Gew.-% liegt, das Ausgangsglas instabil ist und die Entglasungsbeständigkeit des Glases erheblich sinkt. Vorzugsweise liegt der Bereich für den TiO₂-Gehalt bei 2 – 11 Gew.-%, stärker bevorzugt 3 – 9 Gew.-%.
Die As₂O₃ und/oder Sb₂O₃-Komponenten können im Schmelzverfahren bei der Herstellung des Ausgangsglases als Läuterungsmittel zugesetzt werden, aber ihre Gesamtmenge ist auf höchstens 3 Gew.-% beschränkt. Ein bevorzugter Bereich für die Gesamtmenge des As₂O_3– und des Sb₂O₃-Gehalts liegt bei 0,1 – 2 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,3 – 1,5 Gew.%.
Die Seltenerdkomponenten sind wichtig als optisch aktive Komponenten für Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, ebenso wie für Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarzmischkristall ist. Die zugesetzte Menge einer oder mehrerer der Seltenerdkomponenten auf Oxidbasis muss 0,1 – 30 Gew.-% betragen, bezogen auf die Gesamtmenge der anderen oben beschriebenen Glaskeramikkomponenten. Vorzugsweise liegt der Bereich der zugesetzten Menge der Seltenerdkomponenten bei 0,1 – 25 Gew.-%, stärker bevorzugt bei 0,1 – 20 Gew.-%.
Die bevorzugten Elemente unter den Seltenerdkomponenten, die besondere Emissionseigenschaften aufweisen, sind die gleichen wie im Fall der Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarzmischkristall ist.
Man kann in einem Umfang, bei dem die gewünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Glaskeramik aufrechterhalten werden, auch andere Inhaltsstoffe zugegeben, um die Schmelzeigenschaften der Rohmaterialien für das Ausgangsglas und die Durchlässigkeit der Glaskeramiken zu verbessern, wie bei den Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarzmischkristall ist. Beispielsweise können Inhaltsstoffe, bei denen es sich um SrO, B₂O₃, F₂, La₂O₃, Bi₂O₃, WO₃, Y₂O₃ und SnO₂ handelt, in einer Gesamtmenge von einem bzw. mehreren Typen von bis zu 2 Gew.-% zugesetzt werden, und die farbgebenden Komponenten, bei denen es sich um CoO, NiO, MnO₂, Fe₂O₃, Cr₂O₃ oder dergleichen handelt, können in einer Gesamtmenge von einem bzw. mehr als zwei Typen von bis zu 2 Gew.-% zugesetzt werden.
Was die Keimbildungstemperatur der Leucht-Glaskeramiken der Ausführungsform der Erfindung betrifft, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, wo wird dann, wenn die Keimbildungstemperatur unter 650 °C liegt, die gewünschte Kristallphase nicht ausgeschieden. Wenn andererseits die Keimbildungstemperatur über 720 °C liegt, kann keine Kristallphase ausgeschieden werden, deren Kristallgrößenverteilung homogen ist, und zwar, weil es zu einem anomalen Wachstum des ausgeschiedenen Kristalls kommt. Die Keimbildungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 650 – 720 °C, stärker bevorzugt von 680 – 700 °C.
Was die Kristallisationstemperatur der Glaskeramiken betrifft, so kann, wenn ihre Kristallisationstemperatur unter 750 °C liegt, die Kristallphase nicht bis zur gewünschten Korngröße gezüchtet werden. Wenn andererseits die Kristallisationstemperatur über 880 °C liegt, wächst das Kristallkorn zu stark, so dass die Transparenz verloren geht, die mechanische Festigkeit, d.h. die Biegefestigkeit sinkt, und es schwierig ist, die gewünschte thermische Ausdehungsfähigkeit zu erhalten. Vorzugsweise liegt die Kristallisationstemperatur der Glaskeramik in einem Bereich von 750 – 880 °C, stärker bevorzugt 770 – 860 °C.
Das Verfahren zur Herstellung der Leucht-Glaskeramik gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die folgenden Schritte: Mischen der Rohmaterialien für das Ausgangsglas, so dass die oben beschriebene Zusammensetzung erhalten wird, Aufschmelzen der Rohmaterialien, anschließendes Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen (annealing) der geformten Mischung. Als Ergebnis wird ein Ausgangsglas erhalten. Dann wird das Ausgangsglas einer Wärmebehandlung in zwei Schritten unterzogen. Das heißt, das Ausgangsglas wird einer ersten Wärmebehandlung bei der Keimbildungstemperatur des Kristalls unterzogen, um den Keim für den ausgeschiedenen Kristall zu bilden, anschließend wird es einer zweiten Wärmebehandlung bei der Kristallisationstemperatur unterzogen, so dass der ausgeschiedene Kristall wächst. Infolgedessen können Glaskeramiken, anders ausgedrückt, kristallisierte Gläser erhalten werden, die Seltenerdelemente als optisch aktive Komponenten enthalten.
Während der zweistufigen Wärmebehandlung ist es nicht notwendig, die Temperatur des gesamten Glases auf die Keimbildungstemperatur und die Kristallisationstemperatur zu erhöhen. Beispielsweise kann die Temperatur eines gewünschten Bereichs des Glases lokal auf die Keimbildungstemperatur und die Kristallisationstemperatur erhöht werden, indem man den gewünschten Bereich einer Bestrahlung durch Laserlicht aussetzt, oder indem man einen Erhitzer verwendet, der das Glas lokal erwärmen kann. Dann ist es möglich, nur den gewünschten Bereich des Glases zu kristallisieren.
BEISPIELE
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf Beispiele weiter erläutert. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Die Tabellen I und II zeigen Zusammensetzungen in Gew.-% und einige Eigenschaften der erfindungsgemäßen Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 1–1 bis 1–5. Die in den Tabellen I und II angegebenen Eigenschaften sind die Keimbildungstemperatur, die Kristallisationstemperatur, die Kristallisationsdauer, die Wärmeleitfähigkeit, der thermische Ausdehnungskoeffizient, die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve, bei der es sich um die relative Längenänderung handelt, die Haupt-Kristallphase, die Lichtdurchlässigkeit bei einer Wellenlänge von 587,56 nm, wenn die Glaskeramik eine Dicke von 10 mm aufweist, die Wellenlänge des Anregungslichts, und die Wellenlänge der Haupt-Emission und die Emissionsfarbe der Glaskeramik, wenn die Glaskeramik bei dieser Wellenlänge mit Anregungslicht bestrahlt wird, und die Schmelztemperatur und die Schmelzdauer für die Rohmaterialien des Ausgangsglases bei der Herstellung der Glaskeramik.
Die Gläser gemäß den Beispielen 1–1 bis 5–5, die in den Tabellen I und II dargestellt sind, werden wie folgt hergestellt: Die Rohstoffe, beispielsweise Oxide, Carbonate, Nitrate usw., werden so gemischt, dass die Zusammensetzungen der Tabelle I bzw. II erreicht werden. Etwa 1 kg der resultierenden Mischung wird in eine herkömmliche Schmelzvorrichtung geladen, beispielsweise einen Platintiegel, geschmolzen und durch etwa 5 – 72 Stunden langes Rühren bei einer Temperatur von etwa 1450 – 1600 °C homogenisiert. Die homogenisierte Mischung wird zum Beispiel in Eisenformen gegossen, in einen Elektroofen bei 650 – 750 °C gegeben, gekühlt (annealed) und durch Senken der Temperatur des Elektroofens bei einer Rate von etwa 25 °C/Stunde bis auf Raumtemperatur abgekühlt, wodurch das Ausgangsglas erhalten wird. Danach wird das Ausgangsglas für Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarz oder ein β-Quarzmischkristall ist, etwa 5 – 40 Stunden lang bei einer Temperatur von 650 – 820 °C wärmebehandelt, um einen Kristallkeim zu bilden. Nach der Kristallkeimbildung werden die Gläser erwärmt und etwa 5 – 30 Stunden lang bei einer Temperatur von 750 – 920 °C wärmebehandelt und kristallisiert. Für Glaskeramiken, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder ein Spinell-Mischkristall ist, wird das Ausgangsglas etwa 5 – 30 Stunden lang bei einer Temperatur von 650 – 720 °C wärmebehandelt, um den Kristallkeim zu bilden. Nach der Kristallkeimbildung werden die Gläser erwärmt und etwa 2 – 20 Stunden lang bei einer Temperatur von 750 – 880 °C wärmebehandelt und kristallisiert. Als Ergebnis werden Leucht-Glaskeramiken mit den erwünschten Eigenschaften erhalten.
In den Zusammensetzungen der Leucht-Glaskeramiken gemäß den Beispielen der Erfindung sind beispielsweise die Werte für SiO₂ + P₂O₅, P₂O₅/SiO₂ und Al₂O/SiO₂ in beiden Beispielen 1–1 und 2–3: SiO₂ + P₂O₅ = 66, 0, P₂O₅/SiO₂ = 0,1 und Al₂O₃/SiO₂ = 0,375.
Die erhaltenen Glaskeramiken sind jeweils transparent. Die Korngröße der in den Glaskeramiken der Beispiele 1–1 bis 1–3 ausgeschiedenen Kristalle ist etwa 800 Å, während ihre Korngröße in den Glaskeramiken der Beispiele 1–4 und 5–5 nicht über 250 Å liegt.
Die Glaskeramiken der Beispiele 1–1 bis 5–5 weisen eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 60 % bei einer Wellenlänge von 587,56 nm auf, außerdem haben einige von ihnen eine Lichtdurchlässigkeit von nicht unter 80 %. Daher sind die Glaskeramiken dieser Beispiele ausreichend transparent. Die Glaskeramiken emittieren Licht, wenn die Glaskeramiken einer Bestrahlung durch Anregungslicht bei einer Wellenlänge von 365 nm ausgesetzt werden. Dies zeigt, dass die Glaskeramiken dieser Beispiele optisch aktiv sind.
Die Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 1–1 bis 5–5 weisen eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K) auf.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 1–1 bis 1–3 liegen innerhalb von –10 × 10^–7 bis +20 × 10^–7/°C, und die maximale Änderung ihrer ΔL/L-Kurve beträgt in einem Temperaturbereich von –60 °C bis + 60 °C nicht mehr als 2 × 10^–5.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 1–4 und 5–5 liegen in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C innerhalb von 25 × 10^–7 bis 85 × 10^–7/°C.
Die Tabellen III und IV zeigen die Glas-Zusammensetzungen in Gew.-% sowie einige Eigenschaften der Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 bis 2–4 der Erfindung, welche eine Laseroszillation zeigen. Die in den Tabellen III und IV angegebenen Eigenschaften sind die Keimbildungstemperatur, die Keimbildungsdauer, die Kristallisationstemperatur, die Kristallisationsdauer, die Wärmeleitfähigkeit, der thermische Ausdehnungskoeffizient, die maximale Änderung der ΔL/L-Kurve, welche die relative Längenänderung ist, die Haupt-Kristallphase, die Quelle des Anregungslichts, die Wellenlänge der Hauptemission, wenn die Anregungslichtquelle eine Laseroszillation bewirkt, und die Lichtdurchlässigkeit der Glaskeramiken bei der Wellenlänge der Hauptemission, wenn die Glaskeramiken 10 mm dick sind, und die Schmelztemperatur und die Schmelzdauer der Rohstoffe des Ausgangsglases bei der Herstellung der Glaskeramiken.
Diese Glaskeramiken der Beispiele 2–1 bis 2–4 werden auf eine Weise hergestellt, die der der Beispiele 1–1 bis 1–3 analog ist.
Die Korngröße der ausgeschiedenen Kristalle in den Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 bis 2–4 liegt nicht über 800 Å. Demzufolge sind die Leucht-Glaskeramiken transparent.
Die in den Tabellen III und IV dargestellten Leucht-Glaskeramiken weisen eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K) auf. Ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten liegen innerhalb von –10 × 10^–7 bis +20 × 10^–7/°C, und die maximale Änderung ihrer ΔL/L-Kurve beträgt in einem Temperaturbereich von –60 °C bis +160 °C nicht mehr als 2 × 10^–5.
Durch den folgenden Versuch wird bestätigt, ob die in den Tabellen III und IV gezeigten Leucht-Glaskeramiken als Laseroszillationsmedium verwendet werden können oder nicht.
Die Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 bis 2–4 werden zu Stangen mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 50 mm geformt, fein poliert, wodurch Glaskeramikstangen für die Laseroszillation erhalten werden. Eine Xenon-Blitzröhre wird als Quelle für das Anregungslicht verwendet. Auf der Ausgangsseite wird ein Spiegel verwendet, dessen Reflexionsvermögen 60 % beträgt, und auf der Reflexionsseite wird ein Spiegel verwendet, dessen Reflexionsvermögen 100 % beträgt, welche den Resonator darstellen. Als Detektor wird eine Ge-Photodiode verwendet. Eine Laseroszillation wird als Impulsoszillation für alle Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 bis 2–4 bei den in den Tabellen III und IV angegebenen Wellenlängen nachgewiesen. Die Pulswiederholungsrate ist 2,5 Pulse/s.
Tabelle 5 zeigt die Messergebnisse der mechanischen Eigenschaften der Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 und 1–4 und diejenigen der optischen Glasprodukte, die von OHARA hergestellt wurden.
Im Vergleich zu den von OHARA hergestellten optischen Glasprodukten der Vergleichsbeispiele ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Leucht-Glaskeramiken des Beispiels 2–1, deren Haupt-Kristallphase ein β-Quarzmischkristall ist, außerordentlich niedrig, ist ihre Biegefestigkeit hoch und ist ihre Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| außerordentlich hoch, wie in Tabelle V dargestellt.
Verglichen mit den optischen Glasprodukten ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Leucht-Glaskeramiken des Beispiels 1–4, deren Hauptkristallphase ein Spinell-Kristall ist, niedrig, ist ihre Biegefestigkeit hoch und ist ihre Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| hoch.
Das heißt, die Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| der Vergleichsbeispiele liegt bei höchstens etwa 100, während die Temperaturwechselbeständigkeit |Δt| der Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 und 1–4 nicht unter 150 liegt. Daraus wird deutlich, dass die Leucht-Glaskeramiken der Beispiele 2–1 und 1–4 hervorragende thermische Eigenschaften aufweisen.
Wie oben beschrieben, werden die erfindungsgemäßen Glas-Keramiken durch Wärmebehandeln des Ausgangsglases nach dem Aufschmelzen der Rohstoffe und durch Formen der geschmolzenen Mischung erzeugt, wobei die Gläser die Zusammensetzung eines SiO₂-Al₂O₃-TiO₂-Re_mO_n-Systems haben, worin Re für ein oder mehrere Seltenerdelement(e) steht. Die Leucht-Glaskeramiken weisen keine PbO-Komponente auf, die aus Umweltschutzgründen nicht bevorzugt ist, und die erhaltenen Glaskeramiken sind dichtgepackt. Somit weisen die Leucht-Glaskeramiken eine hervorragende Homogenität, eine niedrige thermische Ausdehnung, eine Wärmebeständigkeit, thermische Eigenschaften wie thermische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit auf. Außerdem kann das Schmelzverhalten der Rohstoffe für das Ausgangsglas mit den hervorragenden Eigenschaften der Leucht-Glaskeramik drastisch verbessert werden. Daher lässt sich die Leucht-Glaskeramik sehr gut formen und kann leicht hergestellt werden.
Insbesondere kommt es gemäß den Leucht-Glaskeramiken der Erfindung, deren Haupt-Kristallphase ein Spinell-Kristall oder eine Spinell-Mischkristall ist, zu keiner Herauslösung von Alkali im Laufe der Zeit, da die Leucht-Glaskeramiken praktisch keine Alkalikomponente aufweisen.
Wenn die Leucht-Glaskeramiken in eine Vorrichtung eingebaut werden, verursachen die Leucht-Glaskeramiken daher keine Korrosion der Vorrichtung.
Gemäß den Leucht-Glaskeramiken der Erfindung sind die Transparenz und die optische Homogenität hervorragend, da die Leucht-Glaskeramiken das Licht nur wenig streuen.
Daher sind die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung bevorzugte Leuchtmaterialien, die in den Fällen, in denen sie einem Hochenergielicht ausgesetzt werden müssen und die Umgebungstemperatur der verwendeten Glaskeramiken erheblich oder schnell verändert wird, oder in denen sie gegen Chemikalien beständig sein müssen usw., verwendet werden können. Diese Leucht-Glaskeramiken werden insbesondere dann bevorzugt, wenn eine Transparenz benötigt wird.
Die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung werden beispielsweise als Oszillationsmedium für die Laseroszillation, als Anregungslichtfilter, als Materialien für die Wellenlängenänderung, als Bestrahlungsszintillator, als Standardprobe für einen fluoreszierenden Stoff, für fluoreszierende Anzeigetafeln, für dekorative Beleuchtungen, als Deckglas für Solarbatterien, für die Einstellung der optischen Achse einer Extra High Pressure Mercury-Lampe, eines Excimerlasers oder dergleichen, für fluoreszierende optische Fasern, als Bildsensor für die Umwandlung von ultraviolettem in sichtbares Licht verwendet, da die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung eine hervorragende Transparenz, eine niedrige thermische Ausdehnung, eine Wärmebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Chemikalienbeständigkeit aufweisen.
Die Ausgangsgläser werden im gewünschten Bereich mit feiner Struktur lokal kristallisiert, indem man sie einer Bestrahlung durch Laserlicht mit der gewünschten Struktur aussetzt. Demzufolge kann die dekorative Wirkung der Leucht-Glaskeramiken noch weiter verbessert werden.
Die Leucht-Glaskeramiken können als fluoreszierende Substanz für Anzeigen und Beleuchtungen und als elektrolumineszierende Materialien verwendet werden, da die Emissionswellenlänge der Glaskeramiken durch Auswahl des Typs, der Menge und der Typenkombination der Seltenerdelemente gesteuert werden kann. Beispielsweise unterscheiden sich die Lumineszenzfarben je nach den zugesetzten Seltenerdelementen und dem Kristallisationsgrad des ausgeschiedenen Kristalls. Ausgangs- oder Originalglas, das nicht weniger als drei Arten von Seltenerdelementen als Emissionskomponenten mit den Emissionsfarben rot, grün und blau aufweist, wird zu Platten geformt. Das Ausgangsglas wird durch Bestrahlung mit Laserlicht lokal kristallisiert, wobei der Kristallisationsgrad durch Ändern der Intensität des Laserlichts gesteuert wird. Daraufhin können Substrate aus der erfindungsgemäßen Leucht-Glaskeramik erhalten werden, deren Matrix jede Lumineszenzfarbe aufweist. Ein farbiges Bild kann angezeigt werden, wenn das Substrat einer Bestrahlung durch Elektronen- oder Ultraviolettstrahlen ausgesetzt wird, die für die Bilderzeugung gesteuert werden.
Die Leucht-Glaskeramiken der Erfindung können für verschiedene Zwecke verwendet werden, da die Leucht-Glaskeramiken die oben beschriebenen hervorragenden Eigenschaften aufweisen. Insbesondere werden Leucht-Glaskeramiken, die diese Transparenz aufweisen, als Lasermedium, als Wellenlängen-Wandlungsfilter für Anregungslicht, als Bestrahlungsszintillator, als Deckglas für Solarzellen, als fluoreszierende Substanz für Beleuchtungen oder Anzeigen, als elektrolumineszierende Materialien oder dergleichen bevorzugt verwendet.
Gemäß den Leucht-Glaskeramiken der Erfindung wird das Ausgangsglas anhand eines Glasherstellungsverfahrens erzeugt. Daher ist die Gestaltungsfreiheit sehr hoch, da die Glaskeramiken aus einem Ausgangsglas erhalten werden können, das auf verschiedene Weise geformt worden ist, wie zum Beispiel in Form von Platten, in Form von dünnen Platten, in Form von Fasern, in Form von dünnwandigen Rohren usw., und das anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Man kann auch die geformten Ausgangsgläser als transparente Leuchtgläser verwenden.
Die Glaskeramiken können als Pulver verwendet werden, wenn man die erzeugten Glaskeramiken mahlt.
Außerdem kann man nach der Pulverisierung des Ausgangsglases eine Wärmebehandlung für die Kristallisation durchführen. Nach dem Beschichten eines Substrats oder. dergleichen mit dem gemahlenen Ausgangsglas und einem geeigneten Bindemittel kann das Ausgangsglas einer Wärmebehandlung unterzogen werden. So können das Brennen und das Kristallisieren gleichzeitig durchgeführt werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, sind die Leucht-Glaskeramiken zum Beispiel im Hinblick auf ihre physikalischen Eigenschaften bezüglich Wärme, die Leichtigkeit ihrer Herstellung, die Wahlmöglichkeit ihres Kristallisationsbereichs und bezüglich der Transparenz den Leucht-Glaskeramiken des bisherigen Stands der Technik vergleichsweise überlegen.
Aus der vorstehenden Beschreibung kann ein Fachmann auf diesem Gebiet leicht die wesentlichen, kennzeichnenden Merkmale dieser Erfindung feststellen, und ohne von deren Gedanken und Schutzumfang abzuweichen, kann er verschiedene Änderungen und Modifizierungen an der Erfindung vornehmen, um sie verschiedenen Verwendungszwecken und Bedingungen anzupassen.
Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldungen Nr. 9-353855, eingereicht am 22. Dezember 1997, und Nr. 10-302584, eingereicht am 23. Oktober 1998, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, sind hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.

Claims

Leucht-Glaskeramik, umfassend: eine Haupt-Kristallphase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus β-Quarz und β-Quarz-Mischkristall; TiO₂ in einer Menge von 1 – 4 Gew.-%, berechnet auf Oxidbasis; BaO in einer Menge von 0,5 – 6 Gew.-%, berechnet auf Oxidbasis; und mindestens ein Seltenerdelement in einer Phase, die aus der Gruppe bestehend aus einer Glasphase, einer Kristallphase und einer Kombination aus Glas- und Kristall-Phase ausgewählt ist; wobei die Leucht-Glaskeramik eine Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150°C aufweist, und wobei die Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C durch die folgende Gleichung erhalten wird: |Δt| = (Biegefestigkeit) × (1-(Poisson-Zahl))/ ((thermischer Ausdehnungskoeffizient) × (Youngscher-Modul)).
Leucht-Glaskeramik nach Anspruch 1, worin der thermische Ausdehnungskoeffizient der Leucht-Glaskeramik im Temperaturbereich von –60°C bis +160°C bei –10 × 10^–7/°C bis +20 × 10^–7/°C liegt.
Leucht-Glaskeramik nach Anspruch 1 oder 2, worin die Korngröße des eingebrachten Kristalls nicht mehr als 900 Å beträgt.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden Komponenten:
wobei die Gesamtmenge an SiO₂ und P₂O₅ 50 – 70 Gew.% beträgt, das Gewichtsprozentverhältnis von P₂O₅ zu SiO₂ bei 0 bis 0,18 liegt, das Gewichtsprozentverhältnis von Al₂O₃ zu SiO₂ bei 0,30 bis 0,55 liegt, und ein oder mehrere Seltenerdelemente der Glaskeramik in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten auf Oxidbasis zugesetzt wird bzw. werden.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Leucht-Glaskeramik mittels eines Verfahrens hergestellt wird, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus Rohmaterialien der Glaskeramikkomponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen der geformten Mischung; Einwirken lassen einer Keimbildungstemperatur von 650 bis 820°C auf das gekühlte Produkt sowie Einwirken lassen einer Kristallisationstemperatur von 750 – 920°C auf das resultierende Produkt.
Leucht-Glaskeramik, umfassend: eine Haupt-Kristallphase, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Spinell und Spinell-Mischkristall; BaO in einer Menge von 0,3 – 4 Gew.-%, berechnet auf Oxidbasis; und mindestens ein Seltenerdelement in einer Phase, die aus der Gruppe bestehend aus einer Glasphase, einer Kristallphase und einer Kombination aus Glas- und Kristallphase ausgewählt ist; wobei die Leucht-Glaskeramik eine Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150°C aufweist, und wobei die Temperaturwechselbeständigkeit durch die folgende Gleichung erhalten wird: |Δt| _ (Biegefestigkeit) × (1-(Possion-Zahl))/ ((Wärmeausdehnungskoeffizient) × (Youngscher-Modul)).
Leucht-Glaskeramik nach Anspruch 6, worin der thermische Ausdehnungskoeffizient der Leucht-Glaskeramik im Temperaturbereich von –60°C bis +160°C bei 25 × 10^–7/°C bis +85 × 10^–7/°C liegt.
Leucht-Glaskeramik nach Anspruch 6 oder 7, worin die Korngröße des eingebrachten Kristalls nicht über 300 Å liegt.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit folgenden Komponenten:
wobei der Glaskeramik ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge von 0,1 – 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten auf Oxidbasis zugesetzt wird bzw. werden.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 6 bis 9, worin die Leucht-Glaskeramik mittels eines Verfahrens hergestellt wird, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus Rohmaterialien der Glaskeramikkomponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen der geformten Mischung; Einwirken lassen einer Keimbildungstemperatur von 650 bis 720°C auf das gekühlte Produkt; sowie Einwirken lassen einer Kristallisationstemperatur von 750 – 880°C auf das resultierende Produkt.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Leucht-Glaskeramik im Wesentlichen von Na₂O, K₂O und PbO frei ist.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Leucht-Glaskeramik eine Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K) aufweist.
Leucht-Glaskeramik nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Leucht-Glaskeramik mittels eines Verfahrens hergestellt wird, das die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus Rohmaterialien der Glaskeramikkomponentenl Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen der geformten Mischung; sowie Kristallisieren eines ausgewählten Bereichs des resultierenden Produkts durch lokale Wärmebehandlung.
Leucht-Glaskeramik nach Anspruch 13, wobei die lokale Wärmebehandlung das Bestrahlen des resultierenden Produkts mit einem Laserstrahl umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Leucht-Glaskeramik mit einer Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150 C, einer Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K) und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von –10 × 10^–7 bis +20 × 10^–7/°C im Temperaturbereich von –60°C bis + 160°C, wobei die Glaskeramik die folgende Zusammensetzung aufweist:
wobei die Gesamtmenge an SiO₂ und P₂O₅ 50 – 70 Gew.% beträgt, das Gewichtsprozentverhältnis von P₂O₅ zu SiO₂ bei 0 – 0,18 liegt, das Gewichtsprozentverhältnis von Al₂O₃ zu SiO bei 0,30 – 0,55 liegt, ein oder mehrere Seltenerdelemente der Glaskeramik in einer Menge von 0,1 bis 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten auf Oxidbasis zugesetzt wird bzw. werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus Rohmaterialien der Glaskeramikkomponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen der geformten Mischung; Einwirken lassen einer Keimbildungstemperatur von 650 bis 820°C auf das gekühlte Produkt; sowie Einwirken lassen einer Kristallisationstemperatur von 750 – 920°C auf das resultierende Produkt.
Verfahren zur Herstellung einer Leucht-Glaskeramik mit einer Temperaturwechselbeständigkeit |Δt|°C von nicht unter 150°C, einer Wärmeleitfähigkeit von nicht unter 1,1 W/(m·K), einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 25 × 10^–7 bis 85 × 10^–7/°C im Temperaturbereich von –60°C bis +160°C, wobei die Glaskeramik die folgende Zusammensetzung aufweist:
wobei der Glaskeramik ein oder mehrere Seltenerdelemente in einer Menge von 0,1 – 30 Gew.-% der Gesamtmenge der anderen Komponenten auf Oxidbasis zugesetzt wird bzw. werden, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufschmelzen einer Mischung aus Rohmaterialien der Glaskeramikkomponenten; Formen der geschmolzenen Mischung und Kühlen der geformten Mischung; Einwirken lassen einer Keimbildungstemperatur von 650 bis 720°C auf das gekühlte Produkt; sowie Einwirken lassen einer Kristallisationstemperatur von 750° – 880°C auf das resultierende Produkt.