JP2012051786A

JP2012051786A - 透明なガラスセラミックス

Info

Publication number: JP2012051786A
Application number: JP2011184531A
Authority: JP
Inventors: Bernd Rudinger; リューディンガーベアント; Ina Mitra; ミトライナ; Martin Letz; レッツマーティン; Thomas Pfeiffer; プファイファートーマス; Thoralf Johansson; ヨハンソントラルフ; Wolfgang Schmidbauer; シュミートバウアーヴォルフガング
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: FR2964378A1; DE102011107831B4; FR2964378B1; JP5787671B2; DE102011107831A1

Abstract

【課題】従来技術の欠点を有さない透明なガラスセラミックスを提供する。
【解決手段】以下の組成：ＳｉＯ₂：６５〜７２、Ａｌ₂Ｏ₃：１８〜２４、Ｌｉ₂Ｏ：２〜５、ＭｇＯ：０〜４、ＺｎＯ：０〜４、ＺｎＯ＋ＭｇＯ：＜２．２、ＺｒＯ₂：１〜５、ＳｎＯ₂：＞０．５〜４、Ｎａ₂Ｏ：０〜１．５、Ｋ₂Ｏ：０〜１．５、ＢａＯ：０〜４、Ｆｅ₂Ｏ₃：０〜４を有する透明なガラスセラミックスを提供することによって解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、透明なガラスセラミックスに関する。

組成範囲Ｌｉ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂（ＬＡＳ−ガラスセラミックス）からの低い熱膨張率を有する従来のガラスセラミックスは、ＴｉＯ₂及びＺｒＯ₂を核生成成分として含有する。出発ガラスから、いわゆるセラミックス化（出発ガラスがガラスセラミックスに変換されること）の間に、まずＴｉＯ₂及びＺｒＯ₂からの種結晶が析出され、該種結晶上では、次いで負熱膨張率を有する結晶相が成長し、例えば高温石英混晶、それにβ−ユークリプタイトが挙げられる。

大規模工業的に重要な、従来の原料が使用される場合、出発ガラスの製造のために、Ｆｅ₂Ｏ₃が出発ガラスひいてはガラスセラミックス中に取り込まれることは避けることができない。さらに、大規模工業的な溶融プラントにおいて通例のカレットサイクル(Scherbenkreislauf)は鉄汚染を必然的に伴う。

ガラス中でＦｅ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂との間で、専門文献中ではおよそ大体に"イルメナイト複合体"とも称される近距離秩序における相互作用が生じることは久しい以前から公知である。このＦｅ−Ｔｉ複合体により、透明な出発ガラス及び透明なガラスセラミックスにおいて黄色ないし褐色に色が変わる。

透明なガラスセラミックスの製造に際しては、この複合体形成を避けることが重要性をもつ。高価な、特別に精製された原料の使用及びカレット返送(Scherbenrueckfuehrung)を省くことによってＦｅ₂Ｏ₃の供給を減少ないし回避することができる。核生成成分ＴｉＯ₂を省くことで、新しい、代替的な核生成剤の酸化物を探し求める必要性が生じる。

さらに、ガラスセラミックスの製造に際して、例えばＡｓ₂Ｏ₃のような毒性成分が省かれるべきである。そのため、代替的な清澄剤も見出されなければならない。

このことから出発して、本発明の課題は、上述の欠点を有さない透明なガラスセラミックスを提供することである。

該課題は、請求項１に従って、以下の組成（酸化物ベースに基づき質量％で記載）を有する透明なガラスセラミックスを提供することである：
ＳｉＯ₂：６５〜７２、殊に６５以上７２未満
Ａｌ₂Ｏ₃：１８〜２４
Ｌｉ₂Ｏ：２〜５
ＭｇＯ：０〜４
ＺｎＯ：０〜４
ＺｎＯ＋ＭｇＯ：２．２未満
ＺｒＯ₂：１〜５
ＳｎＯ₂：０．５超え４未満
Ｎａ₂Ｏ：０〜１．５
Ｋ₂Ｏ：０〜１．５
ＢａＯ：０〜４
Ｆｅ₂Ｏ₃：０〜０．１。

好ましくは、以下の組成成分の少なくとも１つの含有率（酸化物ベースに基づき質量％で記載）は、
ＳｉＯ₂：６６〜７２，殊に６６以上７２未満
ＭｇＯ：０〜３．５、殊に０〜３
ＺｎＯ：０〜３．５、殊に０〜３
ＺｒＯ₂：１．６〜５
の範囲にある。

さらに、本発明によるガラスセラミックスは、以下の組成成分を質量％で含有してよい：
ＣａＯ：０〜１
ＳｒＯ：０〜２
Ｆ：０〜１
Ｂ₂Ｏ₃：０〜１。

意想外にも、計２．２質量％未満のＭｇＯ及びＺｎＯの低い含有率を有する透明なガラスセラミックスが、従来技術と比較して特に高い透明性を示すことが見出された。

二相材料における高い透明性は、結晶子の大きさ、相含量並びに屈折率の違いに本質的に依存する散乱効果の最小化によって達成される。

さらに意想外にも、成分ＭｇＯ及びＺｎＯの全含有率（酸化物ベースに基づき質量％で記載）のＬｉ₂Ｏ含有率（酸化物ベースに基づき質量％で記載）に対する比率が最大１、殊に最大０．７５であるガラスセラミックスが、従来技術と比較して特に高い透明性及び低い固有色を示すことが見出された。特に有利には、該比率は０．４〜０．７５の範囲にある。

好ましくは、本発明によるガラスセラミックスは、少なくとも０．５質量％のＺｎＯ、殊に少なくとも１質量％のＺｎＯを含有する。本質的にＺｎＯを含まない組成物の場合、いくらかより悪化した透過率の結果が得られた。

好ましくは、本発明によるガラスセラミックスは、避けることのできない痕跡量を除きＡｓ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及び／又はＰ₂Ｏ₅を含まない。

さらに、ガラスセラミックスは、好ましくは、熱膨張率ＣＴＥ（２０〜７００℃）４ｐｐｍ未満、有利には３ｐｐｍ未満及び特に有利には２ｐｐｍ未満を有する。

好ましくは、光の可視領域中（３８０〜７８０ｎｍ）での光透過率は、ガラスセラミックスの試料厚さ４ｍｍの場合に、少なくとも８７％、有利には少なくとも８７．５％及び特に有利には少なくとも８８％である。

ガラスセラミックスの三刺激値(Farbwert)Ｃ^*は、好ましくは３未満である。

ガラスセラミックスのさらなる有利な実施形態において、核生成剤の酸化物ＳｎＯ₂及びＺｒＯ₂の合計は少なくとも３質量％である。

ＴｉＯ₂の代替物として、好ましくはＳｎＯ₂が核生成剤の酸化物としてＺｒＯ₂に加えて使用される。その際、ＳｎＯ₂は清澄剤としても作用する。

ＳｎＯ₂に加えて、核生成作用を示すさらに別の成分、例えばＴａ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₃も使用することができ、その際、これらの成分はたいてい相対的に高価である。

たいてい高められたＦｅ₂Ｏ₃含有率を有する、より低コストの原料も使用することができる方法は、経済的に好ましい。

本発明によるガラスセラミックスは、コーティング又は装飾されることができる。

本発明によるガラスセラミックスを目的に合わせて着色するために、着色成分、例えばＶ₂Ｏ₅、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＭｎＯ₂、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃及び／又はＮｄ₂Ｏ₃を溶融ガラスに出発ガラスの製造のために付け加えてよい。

さらに、成分、例えばＬａ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＧｅＯ₂及び／又はＧｄ₂Ｏ₃を溶融ガラスに添加してよく、これらは結果生じるガラスセラミック中の残りのガラス相の屈折率を上げる。

溶融ガラスは、公知の清澄剤により、殊にＣｅＯ₂、硫黄化合物及び／又は塩化物により精製されることができる。有利な実施形態において、ガラスセラミックスの製造のために環境にとって有害な成分は使用されない。

透明なガラスセラミックスは、セラミックス化中の滞留時間の延長及び／又は温度の上昇によって半透明のガラスセラミックスに、そして熱処理をさらに行った場合には不透明のガラスセラミックスに変えられることができる。

本発明によるガラスセミラックスは、様々な適用分野からの製品、例えば、調理面、暖炉覗き窓(Kaminsichtsscheiben)及びオーブン覗き窓(Backofensichtsscheiben)用に、例えば、熱分解炉床(Pyrolyseherden)、建築ガラス窓及び安全ガラス窓においても、例えば、高動的、機械的な負荷に対する防護ガラスといった防火のためにも使用されることができる。さらに、本発明によるガラスセラミックスは、衝撃、弾丸、破片又は衝風の影響から保護するための装置の一部として、防火ガラス窓の一部として、暖炉覗き窓として、調理領域用のガラスとして、半導体材料又は磁気ディスク(Magnetspeicherplatte)用の基板として使用されることができる。

第１表は、本発明によるガラスセラミックの例１〜２２を示す（酸化物ベースに基づく質量％記載の組成）。

第２表は、本発明によらないガラスセラミックスの比較例２３〜３２を示す（酸化物ベースに基づく質量％記載の組成）。

実施例及び比較例の製造：
出発ガラスを、市販の原料から、殊に酸化物、炭酸塩及び／又は硝酸塩から、セラミックスるつぼ材料中で約１６４０℃にて溶融した。溶融した材料を、精製し、均質化し、その後に注ぎ出し、場合により高温成形（例えばローラー法、フロート法、引き抜き法）し、かつ冷却した。

ガラスセラミックスの製造のために、核生成温度Ｔ（ＫＢ）での核生成のための約１時間継続する第一の段階と、より高い温度Ｔ（ＭＡＸ）での約１５分の結晶成長期の第二の段階とから成る、出発ガラスのセラミックス化の２段階のプロセスを適用した。

１００ｍｍの長さのガラスセラミックスバーの２０℃から７００℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）の測定を、膨張計を使って行った。

透過率の測定のために、ガラスセラミックスを４ｍｍの厚さに切り取り、かつ研磨した。測定は光源Ｃ／２゜で行った。光透過率τ_Vis及び三刺激値Ｃ^*の表示は、ＤＩＮ５０３３もしくはＤＩＮＥＮ４１０に従って行った。Ｃ^*は、その際、彩度(Farbsaettigung)（クロマ、彩色性）を表示する：

ＣＩＥＬＡＢ色空間内の係数は、色印象に相当する：
ａ^*は、緑−赤軸の色座標の位置を表示し、その際、負の値は緑色の色調に相当し、かつ正の値は赤色の色調に相当する。
ｂ^*は、青−黄軸の色座標の位置を表示し、その際、負の値は青色の色調に相当し、かつ正の値は黄色の色調に相当する。

ガラスセラミックスの結晶相、結晶相含有率（Ｋｒ．ｐｈ．）［体積％］及びガラスセラミックスの平均結晶子サイズｄ₅₀を、公知技術のＸ線回折分析（ＸＲＤ、デバイ・シェラー法（Debeye-Scherrer Verfahren)）によって調べた。

Claims

ガラスセラミックスにおいて、該ガラスセラミックスが、少なくとも以下の組成：
ＳｉＯ₂：６５〜７２
Ａｌ₂Ｏ₃：１８〜２４
Ｌｉ₂Ｏ：２〜５
ＭｇＯ：０〜４
ＺｎＯ：０〜４
ＺｎＯ＋ＭｇＯ：２．２未満
ＺｒＯ₂：１〜５
ＳｎＯ₂：０．５超え４未満
Ｎａ₂Ｏ：０〜１．５
Ｋ₂Ｏ：０〜１．５
ＢａＯ：０〜４
Ｆｅ₂Ｏ₃：０〜０．１
を酸化物ベースに基づき質量％で有することを特徴とする、ガラスセラミックス。
前記ガラスセラミックスが、付加的に以下の組成成分：
ＣａＯ：０〜１
ＳｒＯ：０〜２
Ｆ：０〜１
Ｂ₂Ｏ₃：０〜１
を質量％で有することを特徴とする、請求項１に記載のガラスセラミックス。
不可避の痕跡量を除きＡｓ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂及び／又はＰ₂Ｏ₅を含まないことを特徴とする、請求項１又は２に記載のガラスセラミックス。
２０℃から７００℃の温度範囲の熱膨張率ＣＴＥ４ｐｐｍ未満、殊に３ｐｐｍ未満を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。
光の可視領域中での光透過率を、ガラスセラミックスの試料厚さ４ｍｍの場合に、少なくとも８７％、殊に少なくとも８７．５％有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。
三刺激値Ｃ^*３未満を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。
Ｌｉ₂Ｏに対するＭｇＯ＋ＺｎＯの質量比が、最大１、殊に最大０．７５であり、かつ特に有利には０．４〜０．７５の範囲にあることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。
少なくとも０．５質量％、殊に少なくとも１質量％のＺｎＯ含有率を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。
付加的に以下の成分：Ｖ₂Ｏ₅、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＭｎＯ₂、ＷＯ₃、ＭｏＯ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃の１つ以上を含有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のガラスセラミックス。