一种基于Al2O3的高性能磁性玻璃及其制备方法与流程

本发明属于功能玻璃材料，具体地，涉及一种基于al2o3的高性能磁性玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、磁性玻璃（或称磁光玻璃、微晶玻璃）是一类将磁性纳米晶粒（如fe3o4、γ-fe2o3等）均匀分散于非晶玻璃基体中形成的复合材料，兼具磁性材料的响应特性与玻璃材料的电绝缘性、化学稳定性及易成型特点。在磁光器件、高频磁芯、电磁屏蔽及生物热疗等领域具有广阔应用前景。

2、目前，磁性玻璃的常用制备方法为熔融-析晶法，即在基础玻璃组成中加入铁氧化物，通过高温熔融后快速冷却，再经适当热处理，使磁性晶相从玻璃基体中析出。然而，现有技术仍存在不足之处，严重制约了材料的性能提升和产业化推广。其一，析出的磁性晶粒尺寸难以控制，极易长大至微米级（通常＞800nm），导致超顺磁效应减弱、矫顽力下降，且晶粒尺寸分布宽化，影响磁性能一致性；其二，由于大量铁氧化物的引入，玻璃网络结构强度降低，产品脆性大、抗弯强度下降，限制了其在结构-功能一体化部件中的应用；其三，高温熔制过程中fe2+/fe3+比例难以稳定调控，易生成α-fe2o3等非目标晶相，降低饱和磁化强度。

3、针对上述问题，已有研究表明，添加少量氧化铝（al2o3）可改善玻璃的化学稳定性和机械强度。因为al2o3作为玻璃组分可有效增加玻璃的玻璃化转变温度和析晶温度，有效地抑制磁性玻璃中fe3o4晶核尺寸，从而影响磁性玻璃的性能。但是现有报道多集中于al2o3对玻璃热稳定性或化学耐久性的改善，而系统性探究al2o3含量对fe3o4晶粒尺寸的纳米级调控规律、对唯一晶相的选择性析出影响，以及对饱和磁化强度与抗弯强度协同增强效应的研究尚属空白。因此，开发一种能够同时实现晶粒尺寸纳米化、单一fe3o4晶相、提高饱和磁化强度及抗弯强度的磁性玻璃及其制备方法，具有重要的技术价值和产业化意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种基于al2o3的高性能磁性玻璃及其制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于al2o3的高性能磁性玻璃，包括基础玻璃组分和外加组分。

4、作为进一步的技术方案，所述基础玻璃组分，由以下氧化物按重量百分比组成：五氧化二磷（p2o5）：35-44wt%、三氧化二硼（b2o3）：17-23wt%、氧化钠（na2o）：8-11wt%、氧化铈（ceo2）：0.5-1.2wt%、三氧化二铁（fe2o3）：27-33wt%；优选为：五氧化二磷：40wt%、三氧化二硼：20wt%、氧化钠：9wt%、氧化铈：1wt%、三氧化二铁：30wt%。

5、作为进一步的技术方案，所述外加组分为氧化铝，用量为基础玻璃组分总重量的2-10wt%。

6、本发明可以通过调控al2o3含量有效抑制磁性微晶尺寸，提高磁性玻璃的饱和磁化强度、矫顽力和抗弯强度。

7、本发明还提供了一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，包括以下步骤：

8、a1、按重量百分比称取五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钠的原料与氧化铝、氧化铈和三氧化二铁加入到球磨罐中球磨混合均匀，干燥后，得到配合料；

9、a2、将配合料放入坩埚中，再置于高温马弗炉内进行熔制，将原料熔融成均质玻璃液；

10、a3、将玻璃液快速浇注于预热模具（铜或不锈钢）中冷却成型，得到玻璃块体；

11、a4、将玻璃块体迅速移入退火炉中，保温退火，随后冷却至室温，消除内应力，得到基于al2o3的高性能磁性玻璃。

12、作为进一步的技术方案，所述五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钠的原料依次为磷酸二氢铵、硼酸和碳酸钠。

13、作为进一步的技术方案，所述球磨混合过程中，原料、氧化锆球和乙醇溶剂的质量比为1:1:2，球磨的时间为1-3h。

14、作为进一步的技术方案，所述干燥的温度为80-100℃，时间为3-4h。

15、作为进一步的技术方案，所述熔制过程采用阶梯式升温，先以5℃/min从室温升温到1100℃保温1h，再以3℃/min从1100℃升温到1200-1400℃保温1-4h。

16、作为进一步的技术方案，所述预热模具的温度为400-500℃。

17、作为进一步的技术方案，所述退火炉的温度为400℃，退火时间为1-3h。

18、本发明的有益效果：

19、本发明通过引入氧化铝作为晶粒生长抑制剂，借助其对玻璃网络结构的增强作用以及对fe3o4晶核迁移和晶界扩散的物理阻碍效应，能够有效抑制磁性晶粒的异常粗化，使析出晶粒尺寸得以在纳米尺度范围内实现连续可调，克服了现有技术中晶粒尺寸难以控制、分布宽化的技术难题；

20、本发明通过合理的组分设计和精确的热处理制度，使得玻璃基体中仅析出fe3o4唯一磁性晶相，有效避免了α-fe2o3、feo或其他复杂铁酸盐杂相的生成，保证了磁性功能相的纯度，消除了非目标晶相对磁性能的稀释效应；

21、氧化铝的引入兼具双重功效：一方面通过细化晶粒尺寸增加纳米级磁畴比例，增强饱和磁化强度和矫顽力；另一方面通过增强玻璃网络结构的连接度提高原子间键合力，同时均匀弥散的纳米晶粒对裂纹扩展产生偏转和桥接效应，显著提升抗弯强度，从而打破了磁性玻璃领域“磁性与力学性能难以兼得”的技术瓶颈，实现功能特性与结构稳定性的统一；

22、本发明无需复杂的气氛控制设备（如还原性或惰性气体保护），在普通空气气氛下即可完成熔制；熔制温度范围宽、保温时间窗口大，退火制度简单易行，对设备要求低，操作窗口宽泛，有利于降低生产成本，具备良好的产业化推广应用前景。

1.一种基于al2o3的高性能磁性玻璃，包括基础玻璃组分和外加组分，其特征在于，所述基础玻璃组分，由以下氧化物按重量百分比组成：五氧化二磷：35-44wt%、三氧化二硼：17-23wt%、氧化钠：8-11wt%、氧化铈：0.5-1.2wt%、三氧化二铁：27-33wt%；所述外加组分为氧化铝，用量为基础玻璃组分总重量的2-10wt%。

2.一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，用于制备权利要求1所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，其特征在于，所述五氧化二磷、三氧化二硼、氧化钠的原料依次为磷酸二氢铵、硼酸和碳酸钠。

4.根据权利要求2所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为80-100℃，时间为3-4h。

5.根据权利要求2所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，其特征在于，所述熔制过程采用阶梯式升温，先以5℃/min从室温升温到1100℃保温1h，再以3℃/min从1100℃升温到1200-1400℃保温1-4h。

6.根据权利要求2所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，其特征在于，所述预热模具的温度为400-500℃。

7.根据权利要求2所述的一种基于al2o3的高性能磁性玻璃的制备方法，其特征在于，所述退火炉的温度为400℃，退火时间为1-3h。