[发明专利]一种玻璃微晶的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于玻璃胶材料技术领域，涉及一种利用电场干预辅助法制备极性微晶玻璃的方法，特别是一种玻璃微晶的制备方法。

技术背景：

极性微晶玻璃是由熔融非晶态无机材料经受控晶化而获得的一类具有压电和热释电等非铁电极性微晶的新型复合功能材料。其主要特点是极性微晶沿C轴取向而产生自发极化，与铁电陶瓷的主要区别在于无需外电场极化而具有压电、热释电等特性，与压电单晶、压电陶瓷及有机压电材料相比，压电微晶玻璃还具有制备工艺简单，易得到大面积和异形试样；无须极化过程，使用温度高而不存在老化和去极化问题、压电性能稳定、机械性能不随温度和压力明显变化、介电常数较小以及压电优值因子较高等一系列优点；因而可望在许多高温、高压等特殊环境场合得到广泛应用；极性微晶玻璃具有复相结构，是由析出的定向极性微晶体作为分散相与残余的玻璃连续基体相复合而成，非铁电极性主晶相在玻璃介质中定向排列，使微晶玻璃表现出各向异性，一般认为，制备极性微晶玻璃要求基础玻璃容易析晶，希望晶化后剩余玻璃相的含量较少，析晶晶粒的定向程度较高，且最好只有一种晶相，而且析出的晶体必须是极性晶体，并形成自发极化结构；因此，当微晶玻璃中的析晶主晶相为极性针棒状晶体，其含量较高且保持高度一致取向度，微晶玻璃才会具有优良的压电、热释电性能；而普通微晶玻璃在核化一生长过程中，晶粒杂乱无章排列，总极性为零，不具有压电和热释电性能；因此极性微晶玻璃是否具有压电和热释电性能，在很大程度上取决于晶体内晶粒的定向排列程度；目前，寻求控制玻璃体定向析晶的有效工艺方法是获得实用化高性能极性微晶玻璃的技术关键；二十世纪八十年代初，R.J.Gardopee.(Ferroelectric，1981，V33，155)等人提出可以通过梯温处理实现从玻璃基质中定向析晶出具有择优取向的极性晶体，如果择优取向与晶体的自发极化方向一致，则整个晶体在该方向上的宏观物理性能如压电及热释电性能等将与单晶接近，其后，美国宾州大学的A.Halliyal et a1 (Ferroelectrics，1981，V38，78l；J.Mater.Sci.1982，V17，295)首先利用高温梯度场晶化工艺制备出Ba2TiSi2O8(BTS)极性微晶玻璃，并具有了定向择优生长的针状晶粒结构特征，实现了晶粒有序定向排列的技术预期，材料表现出较好的压电性及热释电性。其后的研究进一步说明，经过特殊的恒温场晶粒定向晶化工艺处理后，微晶玻璃内部的晶粒呈现出细长状，形成具有定向有序排列的规律。长径比可在10～20之间。这种针状晶粒以平行排列结构分布，晶粒呈择优取向，从而可使极性微晶玻璃具有良好的压电性能。部分极性微晶玻璃的介电和压电性能可达到与晶体材料接近；高温梯度场晶化工艺是目前为止制备极性微晶玻璃的主要工艺方法。除此以外，在材料致密化或结晶过程中利用其它辅助技术措施促进析晶定向生长方面也有许多探索，有人采用高温环境下的磁场效应来影响熔体中的单晶生长过程；如在硅单晶制备过程中，通过施加轴向磁场的方法对熔体的流动状态进行抑制，以降低硅单晶体内的氧浓度从而提高硅单晶质量；但是目前尚未见到将电磁场效应等用于极性微晶玻璃制备工艺的报道；一种材料性能之优劣及实用化前景如何，制备工艺是一个关键因素，制备技术的进步，很有可能使材料性能有新的突破，要推进极性微晶玻璃的实用化过程，仍需对其制备技术作进一步的开发，寻求新的技术原理与技术方法，调控玻璃相基体中微晶晶粒的组装及晶形的演化发育过程，进而达到强化极性微晶晶粒定向生长的目的。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于外电场力辅助效应调控高温熔融玻璃相在降温析晶或玻璃高温晶化阶段的热力学及动力学过程，进而影响并强化晶粒形核及定向生长状态的极性微晶玻璃制备方法，特别是涉及较大幅度地改善或有效调控微晶玻璃中极性晶粒的各向异性生长以及极性晶粒的取向度等显微结构状态，制备出的极性微晶玻璃材料呈现出优良的极化强度、压电常数、热释电系数等性能，本发明为极性微晶玻璃材料提供了一种有效的强化晶粒形核并定向生长以及提高晶粒取向度的工艺方法，其主要技术特征是对处于高温熔融玻璃相降温析晶或玻璃中温晶化过程中的待析晶玻璃同时施加直流电场进行辅助晶化处理，以外加电场提供的静电势作为调控晶粒形核及各向异性生长的辅助手段，最终形成具有高析晶体积分数及高晶粒取向度特征的极性微晶玻璃材料，适当外加直流 电场可以调控高温析晶环境中质点的运动状态、局部荷电粒子或极性粒子的浓度以及改变晶粒形核及长大的活化能，形成极性微晶定向生长的有效辅助技术手段。