[发明专利]稀土掺杂高强度二硅酸锂微晶玻璃材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微晶玻璃材料及其制备方法，特别是稀土掺杂高强度的二硅酸锂微晶玻璃及其制备方法。

背景技术

微晶玻璃自研制成功以来，已经在生物医学、机械、电子、航空航天工程等领域获得广泛的应用。在过去的几十年中，研究人员对基础玻璃的组成设计技术、微晶玻璃的核化与晶化机理、微晶玻璃的制备技术及组成-结构-性能关系进行了大量的探索研究。与传统玻璃相比，微晶玻璃具有优良的热学、力学、电学方面的性能，例如低热膨胀系数、高抗压强度、高抗弯强度、高弹性模量，高断裂韧性等。然而，大多数微晶玻璃的抗弯强度在200MPa以内，弹性模量在100GPa以内，断裂韧性小于2.0MPa.m^1/2。

国内外研究人员对如何提高微晶玻璃的机械性能进行了大量研究，析出二硅酸锂主晶相的微晶玻璃是研究重点之一，这种材料主要应用于牙科修复。美国专利US6802894B2公开了一种二硅酸锂微晶玻璃的制备技术和材料性能。其举例的组成特点是SiO₂含量65wt％以上，抗弯强度最高达480-500MPa，但专利中没有涉及到弹性模量和断裂韧性两项主要机械性能指标。随后，美国专利US7452836B2也公开了另一种二硅酸锂微晶玻璃的制备技术和材料性能。其组成特点是SiO₂含量64％-73wt％，至少引入P₂O₅或Pt、Ag、Cu、W的化合物中一种作为成核剂，最大抗弯强度达786MPa(双轴弯曲强度，例9)，此专利也没有涉及到弹性模量和断裂韧性两项机械性能指标。中国专利ZL200510010431.7报导了以Li₂O-SiO₂-P₂O₅为主要原料的微晶玻璃及其制方法。其组成特点是，基础玻璃含P₂O₅、SiO₂、ZnO、CaO、K₂O、Li₂O六种成分，其制备工艺特点是，高温熔化制得的玻璃经水淬、研磨、热压烧结而成含二硅酸锂主晶相的微晶玻璃。这种微晶玻璃的最大抗弯强度为249.9MPa，断裂韧性2.2MPa.m^1/2。中国专利申请200710072597.0报导了以ZrO₂为增强剂的二硅酸锂微晶玻璃复合材料及其制方法。其组成特点是，在二硅酸酸锂微晶玻璃中引入5～30％(wt％)ZrO₂。其制备工艺特点是，将高温熔化制得的玻璃水淬、研磨成玻璃粉体，然后将其与ZrO₂混合并研磨，制成复合粉体，经真空热压烧结而制成含ZrO₂增强相的二硅酸酸锂微晶玻璃复合材料。这种微晶玻璃的最大抗弯强度在330MPa，断裂韧性3.54MPa·m^1/2。尽管用这种方法获得的微晶玻璃材料有高的强度和断裂韧性，但制备工艺复杂、设备条件要求高、难于获得半透明的材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能优良的二硅酸锂微晶玻璃及其制备方法，本发明在SiO₂、B₂O₃、P₂O₅、ZrO₂、K₂O、Li₂O、MgO、CaO等基础玻璃组成中掺入一定量的稀土氧化物，并对配方和热处理工艺做了大量的研究，经过反复比较和筛选，制得到二硅酸锂微晶玻璃。本发明所采用的具体的技术方案如下：