×
10.07.2019
219.017.ada4

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНОГО ТЕРМОСТОЙКОГО СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Способ получения прозрачного термостойкого стеклокристаллического материала относится к технологии оптических материалов, предназначенных для использования в условиях значительных температурных перепадов, в частности в нагревательных устройствах, в том числе и в качестве устойчивых к термоудару панелей кухонных плит, окон топок, каминных экранов, термостойкой посуды. Технический результат - получение голубого прозрачного стеклокристаллического материала с малым коэффициентом термического расширения. Стеклокристаллический материал содержит следующие компоненты, мол.%: SiO - 54,0-64,0; AlO - 24,0-27,0; LiO - 12-19; TiO - 6,0-8,0; CoO - 0,005-2,0. TiO и СоО введены сверх 100% основного состава. Данный материал получают путем варки стекла, его выработки, отжига и термообработки в две стадии: при 680-740°C в течение 2-12 часов, затем при 750-800°C в течение 2-24 часов, и последующего охлаждения стекла до комнатной температуры. Полученное изделие прозрачно, окрашено в голубой цвет и имеет низкий коэффициент термического расширения (10-12)·10 град. 2 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к стеклокристаллическим материалам, в частности к цветным прозрачным ситаллам с низким коэффициентом термического расширения (КТР), и предназначено для использования в условиях значительных температурных перепадов, в частности в нагревательных устройствах, в том числе и в качестве устойчивых к термоудару панелей кухонных плит, окон топок, каминных экранов, термостойкой посуды.

Известно, что стеклокристаллические материалы (СК) с близким к нулю коэффициентом термического расширения получаются в результате регулируемой кристаллизации твердых растворов со структурой β-кварца (β-эвкриптита) в стеклах литиевоалюмосиликатной системы. Этот метод используется для производства цветной прозрачной термостойкой кухонной посуды, устойчивых к термоудару верхних панелей электроплит, а также окон отопительных и металлургических печей. Так, фирмой Корнинг, США, были разработаны составы стекол, превращающихся в результате термообработки в стеклокристаллические материалы, окрашенные в разнообразные оттенки желтого, коричневого и пурпурного цветов. В патенте США №3788865, МПК C03C 10/14, опубликованном в январе 1974 г., описано получение прозрачных цветных стеклокристаллических материалов, содержащих β-эвкриптитовую кристаллическую фазу и окрашенных следующими добавками: V2O5, МnО, Сr2O3, Fe2O3, CuO, NiO и ZnS. Однако использование этих красителей не позволило получить голубой окраски в стеклокристаллических материалах.

В патенте США №4461839, МПК C03C 003/22, опубликованном 24.07.1984, описано получение прозрачного стеклокристаллического материала на основе β-кварцевого твердого раствора с окраской от черной до коричневой и красной, что обусловлено присутствием как минимум двух оксидов из группы, включающей CaO, CeO2, NiO, SnO2, V2O5, W2O3. Однако голубая окраска не была получена. Патент США №4526872, опубликованный 02.07.1985 по индексу МПК C03C 003/22; C03C 003/04, описывает получение материала приятного для глаза светло-коричневого оттенка путем введения смеси CoO и Сr2O3 в исходное титансодержащее стекло с добавками Fe2O3 и МnО и последующей кристаллизации. Однако голубой окраски стеклокристаллического материала получить не удается.

В патентах США №5179045, опубликованном 12.01.1993 по индексу МПК C03C 010/14, и №5256600, опубликованном 26.10.1993 по индексу МПК C03L 010/14, описывается получение термостойкого материала и термостойкой кухонной посуды винного цвета за счет катализированной кристаллизации исходного стекла, в которое совместно введены оксиды NiO и Co3O4 (патент №5179045), и янтарного или винного цвета за счет совместного введения Fe2O3 и Co3O4 (патент №5256600).

В патенте США №5491115, опубликованном 13.02.1996 по индексу МПК C03C 010/14; C03C 010/12, описывается получение красно-пурпурной и фиолетовой окраски в прозрачном термостойком стеклокристаллическом материале. Однако голубая и синяя окраски возникают в материале только после высокотемпературной термообработки, когда материал теряет прозрачность.

В последние годы отсутствуют патенты на получение новых окрасок в прозрачных термостойких стеклокристаллических материалах. Несмотря на многочисленные попытки получения прозрачных термостойких стеклокристаллических материалов, окрашенных в синий (голубой) цвет, такие материалы не были получены традиционными методами синтеза ситаллов. В частности, как было показано выше, введение в ситаллизирующиеся стекла ионов кобальта, окрашивающих многие стекла в синий цвет, приводит к получению фиолетового ситалла. Известен только один патент, патент США №4084974, опубликованный 18.04.1978 по индексу МПК C03B 032/00; C03C 003/22, в котором описывается способ получения прозрачных стеклокристаллических материалов, окрашенных в голубой и синий цвет. Окраска возникает за счет плавления стекол с высоким содержанием TiO2 в восстановительных условиях, что приводит к восстановлению Ti4+ до Ti3+ и к появлению синей окраски при последующей кристаллизации стекла. Составляется шихта, содержащая вещества-восстановители (крахмал, сахар, уголь), стекло варится при температуре 1600°C в восстановительных условиях, вырабатывается и отжигается при температуре 700°C. Вторичная термообработка стекла происходит при температуре около 850°C. Восстановительные условия варки плохо воспроизводятся, таким образом предложенное решение не может быть использовано в серийном производстве стеклокристаллических материалов. К тому же в получаемых материалах отсутствует стабильность и воспроизводимость окраски.

Патент США №4084974 принят за прототип предлагаемого изобретения.

Задача изобретения заключается в создании голубой прозрачной термостойкой стеклокерамики, получение которой возможно в стандартных производственных условиях. При этом нет необходимости в создании специальных условий синтеза, в особенности специальной газовой среды в печи или в использовании специально вводимых компонентов шихты - восстановителей.

Следует отметить, что получение голубого прозрачного СК материала имеет особое значение для применения в качестве термостойких светофильтров и в бытовой технике за счет малых величин коэффициента термического расширения.

Задача решается в способе получения прозрачного термостойкого стеклокристаллического материала, включающего варку стекла, содержащего SiO2, Al2O3, Li2O; TiO2, его выработку, отжиг, термообработку и охлаждение до комнатной температуры, в котором, в отличие от прототипа, используют стекло, содержащее дополнительно CoO при соотношении всех компонентов в мол.%: SiO2 - 54-64, Al2O3 - 24-27, Li2O - 12-19, TiO2 - 6-8, CoO - 0,005-2,0, где TiO2 и CoO введены сверх 100% основного состава стекла, а термообработку проводят в две стадии, сначала при 680-740°C в течение 2-12 часов, затем при 750-800°C в течение 2-24 часов.

Данное изобретение предлагает новый подход, позволяющий получать голубую прозрачную термостойкую стеклокерамику при варке стекла в нормальных условиях, на воздухе, без использования восстановительной атмосферы. Результат достигается за счет введения оксида кобальта в качестве красящей добавки в состав исходного стекла и регулируемой низкотемпературной кристаллизации наноразмерных кристаллов алюмокобальтовой шпинели. В отличие от ионов кобальта в структуре β-кварцевых твердых растворов, создающих в материале фиолетовую окраску, вхождение ионов кобальта в нанокристаллы шпинели в ходе термообработки приводит к появлению требуемой голубой окраски. При этом не требуется создания специальных восстановительных условий в процессе варки.

Для получения голубой прозрачной термостойкой стеклокерамики были разработаны специальные двухстадийные режимы термообработки исходного стекла, заключающиеся в низкотемпературной выдержке, в ходе которой кристаллизуется алюмокобальтовая шпинель, и в более высокотемпературной выдержке, в ходе которой кристаллизуются β-кварцевые твердые растворы, обеспечивающие высокую термостойкость материала, при сохранении шпинельной кристаллической фазы.

Прозрачная голубая стеклокерамика с низким коэффициентом термического расширения и нанокристаллами шпинели, содержащими ионы кобальта, может быть изготовлена из стекол составов, представленных в Таблице 1.

Таблица 1
Компонент стекла Концентрация (мол %)
SiO2 54-64
Аl2O3 24-27
Li2O 12-19
TiO2 6-8
CoO 0,005-2,0

Где TiO2 и CoO введены сверх 100% основного состава. Совокупность 3-х первых компонентов образует основу, формирующую ионно-ковалентно увязанную сетку стекла. При этом TiO2 является нуклеатором кристаллизации, а CoO - красителем.

Более подробное описание способа состоит из следующих этапов:

1. Плавление шихты стекла состава, приведенного в Таблице 1, при температуре на 200-300°C выше ликвидуса.

2. Охлаждение расплава до температуры 1300-1450°C с приданием стеклу необходимой формы и отжиг прозрачного стекла при температуре 640-670°C, при которой вязкость материала равна 1010.5-1011 Па·с.

3. Превращение стекла в стеклокерамику путем дополнительной термообработки: нагревания стекла по двухстадийному режиму, при котором образование нанокристаллов шпинели происходит при температуре от 680 до 740°C в течение 2-12 часов, а образование нанокристаллов β-кварца - при температуре от 750 до 800°C в течение 2-24 часов.

4. Охлаждение стеклокристаллического материла до комнатной температуры.

Основными преимуществами предложенной стеклокерамики перед известными техническими решениями является сочетание малого коэффициента термического расширения, прозрачности и голубой окраски, что позволяет использовать стеклокерамику для изготовления термостойких прозрачных голубых элементов нагревательных устройств и других прозрачных изделий, работающих в условиях значительных температурных перепадов.

Конкретные примеры составов стекол, режимов термообработки и полученные свойства стеклокристалличеких материалов приведены в Таблице 2. Из таблицы видно, что стеклокристаллические материалы данных составов, полученные по приведенным режимам, обладают прозрачностью, низким коэффициентом термического расширения и голубой окраской.

Компоненты шихты в виде оксидов и карбонатов смешивались, перемалывались с целью получения однородной шихты, шихта засыпалась в тигли из кварцевой керамики, которые закрывались крышками и помещались в печь. При температуре 1550-1600°C шихта плавилась в течение примерно 6 часов с перемешиванием мешалкой из кварцевой керамики, расплав отливался в стальную форму и образовывал стеклянный прозрачный брусок.

Таблица 2
Компонент стекла Номер образца
1 2 3
Концентрация, мол. %
SiO2 54 64 58
Аl2O3 27 24 26
Li2O 19 12 16
TiO2 6 8 7
CoO 0,005 2,0 0,01
Условия дополнительной термообработки
1 стадия 680°C, 12 часов 740°C, 2 часа 700°C, 6 часов
2 стадия 800°C, 2 часа 780°C, 6 часов 750°C, 24 часа
Характеристика образца Голубой, прозрачный Синий, прозрачный Голубой, прозрачный
Коэффициент термического расширения, (×10-7/°C) 10,0 12,0 11

Введение SiO2 в количествах, меньших указанного, не приводит после кристаллизации к образованию прозрачного термостойкого материала, а введение SiO2 в количествах, больших указанного, значительно повышает температуру плавления шихты, что препятствует получению однородного стекла. Введение Аl2O3 и Li2O в количествах, меньших и больших заявляемого интервала, препятствует получению прозрачного стеклокристаллического материала. Введение TiO2 в количествах, меньших заявляемого, препятствует получению прозрачного стеклокристаллического материала. Введение TiO2 в количествах, больших заявляемого, приводит к самопроизвольной кристаллизации исходного стекла при выработке. Введение CoO в количествах, меньших заявляемого, не приводит к получению голубой окраски стеклокристаллического материала. Введение CoO в количествах, больших заявляемого, приводит к самопроизвольной кристаллизации исходного стекла при выработке.

Дополнительная термообработка образцов на первой стадии при температуре ниже 680°C не приводит к жидкостному фазовому распаду и выделению кристаллической фазы - шпинели. Термообработка образцов на первой стадии при температуре выше 740°C приводит к выделению крупных кристаллов β-кварцевых твердых растворов без жидкостного фазового распада и без выделения кристаллической фазы - шпинели. Длительность термообработки на первой стадии менее 2 часов не приводит к фазовому разделению стекла и формированию кристаллов шпинели. Длительность термообработки на первой стадии более 12 часов приводит к разрушению кристаллов шпинели. Требуемая окраска не возникает.

Термообработка образцов на второй стадии при температуре ниже 750°C не приводит к выделению кристаллов β-кварцевых твердых растворов, а значит, не приводит к повышению термостойкости материала. Термообработка образцов на второй стадии при температуре выше 800°C приводит к распаду кристаллов шпинели и, следовательно, к исчезновению требуемой голубой окраски. Длительность термообработки на второй стадии менее 2 часов не достаточна для кристаллизации β-кварцевых твердых растворов и придания материалу термостойкости. Длительность второй стадии термообработки более 24 часов приводит к разрушению кристаллов шпинели. Требуемая окраска не возникает.

Образцы стекла термообрабатывались по режимам, указанным в Таблице 2. Кристаллические фазы определялись с помощью рентгенофазового анализа, также измерялся коэффициент термического расширения и спектр пропускания. В каждом опыте исходное стекло нагревалось до температуры первого плато со скоростью 200°C/час, выдерживалось в течение времени, достаточного для прохождения жидкостного фазового распада и выделения кристаллической фазы - шпинели, затем температура поднималась до второго плато со скоростью 100°C/час, при этом выделялись кристаллы β-кварцевого твердого раствора, обеспечивающие высокую термостойкость материала, и закристаллизованный образец охлаждался до комнатной температуры в печи инерционно. Размер кристаллов полученной шпинели составляет 3-6 нм, а кристаллов β-кварцевого твердого раствора - 20-30 нм.

Способ получения прозрачного термостойкого стеклокристаллического материала, включающий варку стекла, содержащего SiO, AlO, LiO, TiO, его выработку, отжиг, термообработку и охлаждение до комнатной температуры, отличающийся тем, что используют стекло, содержащее дополнительно СоО, при соотношении всех компонентов, мол. %: где TiO и CoO введены сверх 100% основного состава стекла, а термообработку проводят в две стадии, сначала при 680-740°C в течение 2-12 ч, затем при 750-800°C в течение 2-24 ч.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-8 из 8.
29.03.2019
№219.016.f7d2

Способ изготовления световодов на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями

Изобретение относится к методам химического парофазного осаждения (MCVD) для изготовления оптических волокон с малым затуханием для систем связи, датчиков физических величин и передачи мощного светового излучения. Согласно способу производят легирование осаждаемых слоев стекла сердцевины малыми...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002462737
Дата охранного документа: 27.09.2012
10.04.2019
№219.017.029d

Способ изготовления одномодовых волоконных световодов, сохраняющих поляризацию излучения

Способ может применяться в волоконно-оптических системах передачи информации, а также в интерферометрических датчиках физических полей. Способ включает получение методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) цилиндрической заготовки, содержащей осаждаемые на опорную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002396580
Дата охранного документа: 10.08.2010
10.04.2019
№219.017.03d7

Люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром

Люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром предназначен для использования в фотонике в качестве компактного источника оптического излучения с гребенчатым спектром в диапазоне длин волн 1500-1600 нм для создания эффекта спектрального уплотнения в волоконно-оптических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002351046
Дата охранного документа: 27.03.2009
10.04.2019
№219.017.0647

Способ получения прозрачной сцинтилляционной zno керамики и сцинтиллятор

Изобретение относится к сцинтилляционной технике, а именно к изготовлению материалов, входящих в состав сцинтилляционных детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излучений, и может быть использовано в медицинской диагностике, устройствах таможенного контроля и космической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002416110
Дата охранного документа: 10.04.2011
29.04.2019
№219.017.410d

Способ получения оптических линз с минимальным двулучепреломлением

Способ относится к технологии изготовления линз из лейкосапфира и других одноосных кристаллов для оптических систем, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра. Способ включает изготовление вогнуто-выпуклых заготовок путем пластической деформации изгиба плоскопараллельных пластинок из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002310216
Дата охранного документа: 10.11.2007
29.04.2019
№219.017.4144

Способ получения оптических линз из монокристаллов

Способ может использоваться для получения линз сложной конфигурации из лейкосапфира и других одноосных кристаллов для оптических систем современных оптических и оптоэлектронных приборов, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра. Способ включает изготовление вогнуто-выпуклых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002313809
Дата охранного документа: 27.12.2007
29.04.2019
№219.017.4341

Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов для пассивных лазерных затворов

Изобретение относится к технологии выращивания кристаллов для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра. Серийный способ выращивания кристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов осуществляют методом Чохральского из расплава исходной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002324018
Дата охранного документа: 10.05.2008
10.07.2019
№219.017.ac6b

Фотонно-кристаллическое электрооптическое волокно и способ его изготовления

Фотонно-кристаллическое электрооптическое волокно и способ его изготовления относятся к оптической и электронной промышленностям и могут быть использованы при конструировании систем для передачи и обработки информации, в которых целесообразно применение волоконно-оптических элементов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002397516
Дата охранного документа: 20.08.2010
Показаны записи 1-9 из 9.
20.12.2013
№216.012.8cdf

Прозрачная стеклокерамика для светофильтра

Изобретение относится к материалам для светотехники. Технический результат изобретения заключается в повышении термомеханической устойчивости и устойчивости окраски к термическим ударам ИК-прозрачной стеклокерамики для светофильтра, обладающей поглощением в видимой области спектра и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002501746
Дата охранного документа: 20.12.2013
10.05.2016
№216.015.3cd7

Способ получения стеклокерамики с наноразмерными кристаллами твердых растворов титанатов-цирконатов эрбия и/или иттербия

Изобретение относится к стеклокерамике для активных сред лазеров безопасного для зрения спектрального диапазона и для люминофоров. Технический результат заключается в изготовлении стеклокерамики с наноразмерными кристаллами титанатов-цирконатов эрбия и/или иттербия, обладающей люминесценцией....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002583470
Дата охранного документа: 10.05.2016
13.01.2017
№217.015.6612

Стеклокристаллический материал для пассивного затвора лазера, работающего в безопасной для зрения области спектра, и способ его получения

Изобретение относится к материалам лазерной техники, в частности к материалам для изготовления пассивных затворов лазеров с модулированной добротностью или систем развязки многокаскадных генераторов. Технический результат заключается в изготовлении стеклокристаллического материала для пассивных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002592303
Дата охранного документа: 20.07.2016
13.01.2017
№217.015.7073

Устройство барботирования для обезвоживания стекломассы

Изобретение относится к области стекловарения и применяется при варке оптических лазерных стекол на стадии осветления стекломассы. Техническим результатом является повышение эффективности барботирования, сокращение длительности процесса обезвоживания расплава стекла и повышение оптического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596836
Дата охранного документа: 10.09.2016
25.08.2017
№217.015.bfd9

Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к материалам, прозрачным в видимой области спектра, с высоким поглощением в ИК области спектра. Технический результат – повышение поглощения в ближней ИК-области. Плавят шихту состава, мас.%: KO 9-20, ZnO 20-35, AlO 11-22, SiO 32-44,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002616645
Дата охранного документа: 18.04.2017
25.08.2017
№217.015.c00c

Способ получения стеклокристаллического материала с наноразмерными кристаллами ниобатов редкоземельных элементов

Изобретение относится к люминесцирующим стеклокерамикам. Технический результат – получение стеклокерамики, обладающей люминесценцией в видимой и ближней ИК области, стабильностью свойств, повышенной механической прочностью. Способ получения стеклокристаллического материала, мол.%: LiO - 10-30,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002616648
Дата охранного документа: 18.04.2017
25.08.2017
№217.015.ced2

Способ получения геля из ламинарии с экстрактом боярышника для диетического лечебно-профилактического питания

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к производству специализированных пищевых продуктов для диетического профилактического питания из морских водорослей, в частности из ламинарии. Способ получения геля из ламинарии с экстрактом боярышника включает подготовку сырья,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002620639
Дата охранного документа: 29.05.2017
19.01.2018
№218.016.01ba

Пищевой диетический профилактический продукт на основе геля из ламинарии

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к производству продуктов из ламинарии. Пищевой диетический профилактический продукт на основе геля из ламинарии содержит органически связанный комплекс альгиновой кислоты из ламинарии с микроэлементами - железом, медью, хромом и селеном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002629975
Дата охранного документа: 05.09.2017
10.07.2018
№218.016.6ee6

Стеклокристаллический материал с высоким модулем упругости и способ его получения

Изобретение относится к стеклокристаллическим материалам. Стеклокристаллический материал содержит кристаллические фазы кордиерита и силиката иттрия и изготовлен из стекол составов в мол. %: SiO 46-52, АlO 15-18, MgO 15-18, ТiO 8-16, YO 4-8. Способ включает синтез стекол состава в мол. %: SiO...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660672
Дата охранного документа: 09.07.2018
+ добавить свой РИД