Стеклокристаллический материал
Патент 2314272
Авторы
Правообладатели
Классы МПК
Стеклокристаллический материал
Изобретение относится к производству прозрачных в видимой области спектра стеклокристаллических материалов (ситаллов). Техническая задача изобретения - получение ситалла с ультранизким ТКЛР, повышенными значениями светопропускания, термо- и химической стойкости, термостабильностью основных свойств и линейных размеров при изменении температуры. Стеклокристаллический материал имеет следующий состав, мас.%: SiO2 45,0-65,0, Al2О3 20,0-35,0, Li2O 3,2-5,0, Р2О5 4,0-10,0, TiO2 3,0-4,0, ZrO2 1,0-2,8, СаО 1,0-3,0, MgO 0,5-2,8, As2O3 0,5-1,5, Sb2O3-0,3-1,0. Варку осуществляют при температуре 1570±10°С. Максимальная температура кристаллизации 760-800°С. Полученные при этом ситаллы характеризуются тонкодисперсной структурой с размерами кристаллов 25-30 нм, повышенной прозрачностью и кислотостойкостью. ТКЛР ситалла в интервале от минус 20 до плюс 40°С практически равен 0. Стеклокристаллический материал предназначен для изделий прецизионной оптики, требующих сохранения линейных размеров при работе в условиях резкого изменения температуры. 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к производству прозрачных в видимой области спектра стеклокристаллических материалов (ситаллов) с ультранизким ТКЛР, повышенными значениями светопропускания, термо- и химической стойкости, термостабильностью основных свойств и линейных размеров при изменении температуры для изделий прецизионной оптики.
Известен состав прозрачного стеклокристаллического материала (авторское свидетельство СССР 695156, опубл. 27.06.05), включающий следующие компоненты, мас.%:
| SiO2 | 46,0-57,0 |
| Al2O3 | 24,0-30,0 |
| Р2O5 | 4,0-16,0 |
| L2O | 3,5-5,0 |
| TiO2 | 3,5-6,0 |
| As2O3 | 0,5-1,0 |
| CaO | 1,5-3,5 |
Недостатками данного материала являются:
- низкая кислотостойкость, что значительно снижает качество оптической обработки и соединения изделий методом оптического контакта;
- невысокая прозрачность в видимой области спектра (порядка 70%).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является стеклокристаллический материал (патент США 4707458 от 17.11.1987 г), содержащий следующие компоненты, мас.%:
| SiO2 | 64,0-67,0 |
| MgO | 0,8-1,5 |
| ZnO | 0,7-4,2 |
| Al2O3 | 21,0-24,0 |
| Li2O | 2,6-3,7 |
| TiO2 | 2,0-3,25 |
| ZrO2 | 1,25-2,5 |
| As2O3 | 0-1,0 |
| Sb2O3 | 0-1,0 |
| ВаО | 0-2,0 |
| CeO2 | 0-1,0 |
Данный стеклокристаллический материал характеризуется размерами кристаллов порядка 50 нм и низким ТКЛР в диапазоне температур от минус 50 до плюс 100°С - (минус 1,0 до плюс 1,0) 10-7, К-1.
Однако температура варки этих стекол составляет 1650°С, что затрудняет получение однородного материала.
Целью изобретения является снижение и стабилизация ТКЛР в области рабочих температур, повышение химической стойкости, улучшение технологических параметров, в частности, снижение температуры варки, выработки и ситаллизации стекол.
Это достигается тем, что стеклокристаллический материал, включающий SiO2, Al2О3, Li2O, TiO2, ZrO2, As2O3, Sb2О3, дополнительно содержит P2O5 и СаО в следующем соотношении, мас.%:
| SiO2 | 45,0-65,0 |
| Al2O3 | 20,0-35,0 |
| Li2O | 3,2-5,0 |
| Р2O5 | 4,0-10,0 |
| TiO2 | 3,0-4,0 |
| ZrO2 | 1,0-2,8 |
| СаО | 1,0-3,0 |
| MgO | 0,5-2,8 |
| As2O3 | 0,5-1,5 |
| Sb2O3 | 0,3-1,0 |
Авторы экспериментально установили, что введение комбинированного катализатора (TiO2+ZrO2+P2O5) в указанных количествах приводит к повышению светопропускания и изменению соотношения кристаллической и стеклофазы. Совместное присутствие оксидов фосфора, магния и кальция в выбранном соотношении улучшает технологические свойства и позволяет получать качественное стекло на существующих промышленных печах при температурах 1570±10°С. Кроме того, для данного ситалла характерно незначительное увеличение теплового расширения вплоть до температуры 700-800°С, а в интервале температур от минус 20 до плюс 40°С ТКЛР практически равен нулю.
В таблице 1 приведены следующие примеры конкретного выполнения составов стеклокристаллического материала, мас.%.
| Таблица 1 | |||
| Наименование компонента | Номер стекла | ||
| 1 | 2 | 3 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| SiO2 | 60,6 | 45,5 | 53,0 |
| Al2O3 | 21,5 | 32,1 | 27,2 |
| Р2O5 | 5,4 | 8,0 | 6,2 |
| Li2O | 4,0 | 3,2 | 4,3 |
| TiO2 | 3,3 | 3,0 | 3,9 |
| ZrO2 | 1,5 | 2,2 | 1,8 |
| CaO | 1,0 | 2,8 | 1,2 |
| MgO | 0,6 | 2,2 | 0,9 |
| As2О3 | 1,3 | 0,7 | 1,0 |
| Sb2O3 | 0,8 | 0,3 | 0,5 |
Авторы считают, что по полученному результату и для практического применения состав 3 является оптимальным.
Сочетание приведенного состава и выбранного режима кристаллизации с максимальной температурой термообработки 760-800°С позволило получить наноструктурированный ситалл с уменьшенными по сравнению с прототипом размерами кристаллов в два раза - 25-30 нм и содержанием в качестве основной кристаллической фазы твердых растворов β-эвкриптита со структурой высокотемпературного кварца. Уменьшение размеров кристаллов также способствует повышению прозрачности ситалла.
В таблице 2 приведены свойства синтезированных стеклокристаллических материалов.
| Таблица 2 | |||||
| Наименование свойств | Единицы измерен. | Номера стекол | Прототип | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Температура варки | °С | 1580 | 1560 | 1570 | 1650 |
| Температура кристаллизации | °С | 700-800 | 750-800 | 700-800 | 800-900 |
| Размер кристаллов | нм | 25-30 | 25-30 | 25-30 | 50 |
| ТКЛР в диапазоне температур, °С: | |||||
| минус 50 плюс 100 | α 107, К-1 | 0,1-0,6 | 0,2-0,6 | 0,02-0,6 | -1 - +1 |
| 20-300 | 5-6 | 5-6 | 4-6 | - | |
| 20-500 | 5-6 | 5-6 | 4-6 | - | |
| 20-700 | 5-6 | 5-6 | 4-6 | - | |
| Интегральное светопропускание в видимой области спектра | % | 80-82 | 82-85 | 80-85 | - |
| Кислотостойкость | гидролит. класс | 1 | 1 | 1 | - |
Из приведенных данных видно, что предлагаемый состав стеклокристаллического материала позволяет существенно снизить температуру варки, уменьшить температурный коэффициент термического расширения, получить тонкодисперсную структуру и увеличить светопропускание.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 695156, опубл. 27.06.05.
2. Патент США 4707458 от 17.11.1987 г.
Стеклокристаллический материал, включающий SiO2, Al2О3, Li2О, TiO2, ZrO2, AS2O3, Sb2O3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Р2О5 и СаО в следующем соотношении, мас.%:
| SiO2 | 45,0-65,0 |
| Al2О3 | 20,0-35,0 |
| Li2O | 3,2-5,0 |
| Р2О5 | 4,0-10,0 |
| TiO2 | 3,0-4,0 |
| ZrO2 | 1,0-2,8 |
| СаО | 1,0-3,0 |
| MgO | 0,5-2,8 |
| As2O3 | 0,5-1,5 |
| Sb2O3 | 0,3-1,0 |