Прозрачный ситалл и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК C03C10/02 C03C3/87 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности, к способу получения изделий из стекла и прозрачных ситаллов. Полученный результат может быть использован для производства прозрачных изделий повышенной прочности, применяемых в мобильной электронике в качестве защитных покрытий дисплеев.

Известен прозрачный ситалл и способ его получения [Seiki Ohara, Qing Li, Shusaku Akiba. Glass ceramic and chemically strengthened glass. Patent US 11505491 B2, 2022 Nov. 22], в котором формируются кристаллические фазы сподумена, петалита и эврикпита и реализуется ионный обмен для упрочнения поверхности ситалла. Недостатком является тот факт, что в ходе ионного обмена может протекать диффузия ионов лития из сформированной кристаллической фазы, что будет снижать объемную прочность ситалла.

Также известен прозрачный ситалл и способ его получения [Matthew John Dejneka et al. Ion exchangeable glass, glass ceramics and methods for making the same. Patent US 11667563 B2, 2023 Jun. 6], основанный на формировании кристаллических фаз рутила и анатаза с последующим ионным обменом. Недостатком является высокая температура варки и сложность получения оптически однородного стекла для ситалла, вызванная повышенным содержанием оксида титана в составе стекла.

Кроме того, известен способ получения упрочненных методом ионного обмена ситаллов на основе кристаллических фаз силикатов лития и кристаллических фаз кварца [Hara Baoping, Yu Tianlai. Transparent microcrystalline glass, microcrystalline glass product and preparation method thereof. Patent CN 111099829 B, 2021 Mar. 9]. Недостатком является низкая скорость протекания ионного обмена и низкая эффективность упрочнения в силу пониженного содержания щелочных компонентов в составе стекла, а также вхождения щелочных ионов в состав кристаллических фаз, формирующихся в процессе кристаллизации.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению, который может быть принят за прототип, является прозрачный ситалл в системе ZnO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ и способ его получения [Сигаев В.Н. и др. Прозрачный ситалл и способ его получения. Патент РФ №2645687, опубликован 27.02.2018)]. Состав и способ получения прозрачного ситалла позволяет формировать в объеме стекла наноразмерные кристаллы цинковой шпинели (ганита), не содержащие ионов щелочных металлов, что обеспечивает принципиальную возможность как объемного, так и поверхностного упрочнения материала. Однако, недостатком прототипа является невозможность эффективного проведения поверхностного упрочнения материала методом ионного обмена в силу низкой концентрации оксида Na₂O в исходном стекле.

Задачей изобретения является поверхностное и объемное упрочнение прозрачного ситалла.

Поставленная задача достигается:

1. Составом, включающим компоненты Na₂O, ZrO₂, TiO₂, MgO, Al₂O₃, ZnO, SiO₂, отличающимся тем, что используют следующие соотношения компонентов, мол.%:

Na₂O 5.00-7.00 ZrO₂ 1.00-2.00 TiO₂ 5.00-6.00 MgO 8.00-10.00 Al₂O₃ 9.00-10.00 ZnO 18.00-20.00 SiO₂ 48.00-50.00

2. Способом получения прозрачного ситалла по п. 1, включающим перемешивание смеси сырьевых материалов в смесителе барабанного типа и варку в электрической печи в корундовых тиглях при температурах 1560±2°С и длительности выдержки не менее 2 часов с механическим перемешиванием стекломассы на этапе гомогенизации и выработки стекломассы в металлическую форму, отжиг при температуре 610±2°С не менее 4 часов и последующую дополнительную термообработку, отличающимся тем, что последующую дополнительную термообработку проводят по двухступенчатому режиму на первой ступени при температуре 780-800°С в течение 2-4 часов и на второй ступени при температуре 850-950°С в течение 10-20 часов, дополнительно проводят ионный обмен в расплаве нитрата калия при температуре 450±2°С в течение 24-72 часов.

Получаемый материал обладает высокими значениями микротвердости (8-9) ГПа и светопропускания (75-85)%. Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Стекло состава (мол.%) 5.00 Na₂O; 1.2 ZrO₂; 5.9 TiO₂; 10 MgO; 9.8 Al₂O₃; 20.0 ZnO; 48 SiO₂ синтезировано путем перемешивания в смесителе барабанного типа шихты, составленной из сырьевых материалов SiO₂, Al(ОН)₃, MgCO₃, ZnO, ZrO₂, TiO₂, Na2CO3, и последующей варки ее в корундовых тиглях при температуре 1560±2°С в течение 2 часов, с механическим перемешиванием стекломассы на этапе гомогенизации и выработкрй стекломассы в металлическую форму, отжигом при температуре 610±2°С в течение не менее 4 часов. Полученное прозрачное и бесцветное стекло был термообработано по двухступенчатому режиму 800°С в течение 2 часов и 950°С в течение 10 часов, после чего упрочнен методом ионного обмена в расплаве KNO₃ при температуре 450°С в течение 72 часов. В результате получен ситалл с основной кристаллической фазой ганит, со значением микротвердости 8.2 ГПа и светопропусканием 84%.

Пример 2

Образец стекла, полученный по Примеру 1, с тем отличием, что состав стекла был (мол.%) 7.00 Na₂O; 1.2 ZrO₂; 5.9 TiO₂; 8 MgO; 9.8 Al₂O₃; 20.0 ZnO; 48 SiO₂, термообработка по двухступенчатому режиму была 780°C в течение 4 часов и 850°С в течение 20 часов, упрочнение методом ионного обмена проводилось в течение 24 часов. В результате получен ситалл с основной кристаллической фазой ганит, со значением микротвердости 8.8 ГПа и светопропусканием 78%.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу получения изделий из стекла и прозрачных ситаллов. Прозрачный ситалл включает, мол.%: Na₂O 5.00-7.00, ZrO₂ 1.00-2.00, TiO₂ 5.00-6.00, MgO 8.00-10.00, Al₂O₃ 9.00-10.00, ZnO 18.00-20.00, SiO₂ 48.00-50.00. Способ получения прозрачного ситалла включает перемешивание смеси указанных компонентов в смесителе барабанного типа и варку в электрической печи в корундовых тиглях при температуре 1560±2°С и длительности выдержки не менее 2 часов с механическим перемешиванием стекломассы на этапе гомогенизации и выработки стекломассы в металлическую форму. Осуществляют отжиг при температуре 610±2°С не менее 4 часов и последующую дополнительную термообработку. При этом последующую дополнительную термообработку проводят по двухступенчатому режиму. На первой ступени при температуре 780-800°С в течение 2-4 часов. На второй ступени при температуре 850-950°С в течение 10-20 часов. Дополнительно проводят ионный обмен в расплаве нитрата калия при температуре 450±2°С в течение 24-72 часов. Техническим результатом изобретения является поверхностное и объемное упрочнение прозрачного ситалла. 2 н.п. ф-лы.

1. Прозрачный ситалл, включающий компоненты Na₂O, ZrO₂, TiO₂, MgO, Al₂O₃, ZnO, SiO₂, отличающийся тем, что используют следующие соотношения компонентов, мол.%:

Na₂O 5.00-7.00 ZrO₂ 1.00-2.00 TiO₂ 5.00-6.00 MgO 8.00-10.00 Al₂O₃ 9.00-10.00 ZnO 18.00-20.00 SiO₂ 48.00-50.00

2. Способ получения прозрачного ситалла по п. 1, включающий перемешивание смеси сырьевых материалов в смесителе барабанного типа и варку в электрической печи в корундовых тиглях при температуре 1560±2°С и длительности выдержки не менее 2 часов с механическим перемешиванием стекломассы на этапе гомогенизации и выработки стекломассы в металлическую форму, отжиг при температуре 610±2°С не менее 4 часов и последующую дополнительную термообработку, отличающийся тем, что последующую дополнительную термообработку проводят по двухступенчатому режиму: на первой ступени при температуре 780-800°С в течение 2-4 часов, на второй ступени при температуре 850-950°С в течение 10-20 часов, дополнительно проводят ионный обмен в расплаве нитрата калия при температуре 450±2°С в течение 24-72 часов.