一种可机械加工玻璃陶瓷的制备方法和玻璃陶瓷器件与流程

1.本发明涉及可加工陶瓷技术领域制备技术领域，具体涉及一种可机械加工玻璃陶瓷的制备方法和玻璃陶瓷器件。


背景技术：

2.可加工陶瓷适用于汽车、军工、航空航天、精密仪器、医疗设备、电真空器件、电子束曝光机、纺织机械、传感器、质谱仪和能谱仪等领域。可加工陶瓷最突出的特性是可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨、锯、切和攻丝等加工，是一般95瓷、氮化硅瓷等绝缘材料无法比拟的。可加工陶瓷加工性能类似于铸铁，它能加工成各种形状复杂、精度要求高的产品。可加工陶瓷虽系脆硬材料，但只要合理地确定加工工艺路线及装夹方式，注意加工方法，准确地选择切削量，在一般设备上公差等级可控制在it7级，光洁度达到0.5微米，加工精度控制在0.005毫米。如加工设备优良，操作工技术熟练，则精度可达μ级。对于一些薄壁的线圈骨架，精密仪器的绝缘支架，形状复杂等精度要求高的器件，可加工陶瓷更为适用，它可加工成任意形状，具有普通陶瓷无可比拟的优势。但其也存在抗弯强度低，断裂韧性低的特性，与金属材料相比，加工效率低，加工难度大、良率低的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种可机械加工玻璃陶瓷的制备方法，该制备方法包括以下步骤：a）制备云母玻璃粉体；b）将稳定相稳定的氧化锆粉体和云母玻璃粉体混合均匀；c）将混合粉体成型并烧结得到玻璃陶瓷块体；d）将经步骤c）得到玻璃陶瓷陶瓷块体加工完成后表面磨削抛光处理实现预应力。
4.优选的，步骤a）中的云母玻璃的为sio2-b2o3-al2o3-mgo-na2o-cao-f系玻璃、sio2-b2o3-al2o3-mgo-k2o-cao-f系玻璃中的一种或两种组合。
5.优选的，sio2-b2o3-al2o3-mgo-na2o-cao-f系玻璃的各组分摩尔份数为0.05~0.1摩尔份na2o、0.3~0.4摩尔份cao、2.2~2.8摩尔份mgo、1~1.7摩尔份sio2、0.5~0.8摩尔份b2o3、0.4~1摩尔份al2o3、2~2.2摩尔份f。
6.优选的，sio2-b2o3-al2o3-mgo-k2o-cao-f系玻璃的各组分摩尔份数为0.05~0.1摩尔份k2o、0.3~0.4摩尔份cao、2.2~2.8摩尔份mgo、1~1.7摩尔份sio2、0.5~0.8摩尔份b2o3、0.4~1摩尔份al2o3、2~2.2摩尔份f。
7.优选的，步骤b）中稳定相稳定的氧化锆粉体为氧化钇稳定氧化锆粉体、氧化镁稳定氧化锆粉体或者氧化铈稳定氧化锆粉体中的一种。
8.优选的，稳定相稳定的氧化锆粉体中的四方相氧化锆含量＞95%，稳定相稳定的氧化锆粉体的d50为2.5~15μm。
9.优选的，步骤d）中表面磨削抛光处理使用800~2000目的金刚石砂轮，砂轮给进线
速率为9.5m/s~40m/s，砂磨压力为0.03~0.08mpa，磨削抛光时间为10min~2h。
10.优选的，步骤c）中的烧结温度在750℃~1050℃，烧结时间1min~4h。
11.优选的，步骤b）中的稳定相稳定的氧化锆粉体和云母玻璃粉体的质量百分占比为5~10%稳定相稳定氧化锆和85~90%的云母玻璃。
12.优选的，步骤a）的制备工艺为将云母玻璃组分的氧化物、氟化物混合均匀后在1450~1550℃融化水淬后制备得到粉体。
13.本发明另外一目的是提供一种玻璃陶瓷器件，该玻璃陶瓷器件使用上述的方法制备得到。该制备方法的增强原理是制备得到玻璃陶瓷块体后，通过机械加工，加工成所需的任一形状，然后再采用超声波空化作用下实现预应力，使得表面部分氧化锆发生四方相向立方相转变，氧化锆体积膨胀，对制品内部形成压应力，提升强度。该陶瓷制品适用于汽车、军工、航空航天、精密仪器、医疗设备、电真空器件、电子束曝光机、纺织机械、传感器、质谱仪和能谱仪等领域。
14.本发明的有益效果：一种可机械加工玻璃陶瓷的制备方法和玻璃陶瓷器件，该玻璃陶瓷的制备方法，包括以下步骤：a）制备云母玻璃粉体；b）将稳定相稳定的氧化锆粉体和云母玻璃粉体混合均匀；c）将混合粉体成型并烧结得到玻璃陶瓷块体；d）将经步骤c）得到玻璃陶瓷块体加工完成后表面磨削抛光处理实现预应力。另一方面使用的云母玻璃为sio2-b2o3-al2o3-mgo-na2o-cao-f系玻璃、sio2-b2o3-al2o3-mgo-k2o-cao-f系玻璃中的一种或两种组合，实现钙替代部分的钾或者钠的位置，利用钙元素作为碱土金属的二价态特性部分填充解离层，提升了解离层与解离层之间的结合强度，在不显著降低加工性能的基础之上，提升玻璃陶瓷的强度。特别适用于即需要满足可加工性能，又具备较高强度的领域，例如军工、航空航天、精密仪器、医疗设备、电真空器件、电子束曝光机等领域的应用。
附图说明
15.图1为可机械加工玻璃陶瓷的实施例制备方法示意图。
具体实施方式
16.下面对本发明作进一步详细描述，其中所用到稳定相稳定的氧化锆粉体及其它氧化物和设备均为市售，没有特别要求。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。
17.本发明提供一种可机械加工玻璃陶瓷的制备方法，该制备方法包括以下步骤：制备云母玻璃粉体；在本实施例中，是将将云母玻璃组分的氧化物、氟化物混合均匀后在1450~1550℃融化水淬后制备得到粉体。在本实施例中采用的原料纯度优选的大于99%，且氟元素的原料按照摩尔比过量10~20%，以减少在融制过程挥发导致的氟元素成分不足。在本实施例中云母玻璃的为sio2-b2o3-al2o3-mgo-na2o-cao-f系玻璃、sio2-b2o3-al2o3-mgo-k2o-cao-f系玻璃中的一种或两种组合。在本实施例中优选的，sio2-b2o3-al2o3-mgo-na2o-cao-f系玻璃的各组分摩尔份数为0.05~0.1摩尔份na2o、0.3~0.4摩尔份cao、2.2~2.8摩尔份mgo、1~1.7摩尔份sio2、0.5~0.8摩尔份b2o3、0.4~1摩尔份al2o3、2~2.2摩尔份f。sio2-b2o3-al2o3-mgo-k2o-cao-f系玻璃的各组分摩尔份数为0.05~0.1摩尔份k2o、0.3~0.4摩尔份cao、2.2~2.8摩尔份mgo、1~1.7摩尔份sio2、0.5~0.8摩尔份b2o3、0.4~1
摩尔份al2o3、2~2.2摩尔份f。在本实施例中选用钙替代部分的钾或者钠的位置，利用钙元素作为碱土金属的二价态特性，从而提升了解离层与解离层之间的结合强度，在不显著降低加工性能的基础之上，提升玻璃陶瓷的强度。
18.将稳定相稳定的氧化锆粉体和云母玻璃粉体混合均匀。在本实例中稳定相稳定的氧化锆粉体的使用量为3~15%稳定相稳定氧化锆，进一步的是5~10%稳定相稳定氧化锆，85~90%的云母玻璃。在本实施例中采用5~10%稳定相稳定氧化锆与云母玻璃复合，能够进一步的利用云母玻璃解理层的弱连接作用的柔韧性，四方氧化锆向单斜转变膨胀不会导致开裂，翻到表面的膨胀对内部形成压应力，实现增强的的效果。稳定相稳定的氧化锆粉体为氧化钇稳定氧化锆粉体、氧化镁稳定氧化锆粉体或者氧化铈稳定氧化锆粉体中的一种。在本实施例中稳定相稳定氧化锆中的四方相氧化锆含量＞80%，进一步的稳定相稳定的氧化锆粉体中的四方相氧化锆含量＞95%。在本实例中稳定相稳定氧化锆粉体d50小于25um，大于0.5um，进一步的稳定相稳定的氧化锆粉体的d50为2.5~15μm。通过控制四方相的含量及粒径尺寸，从而实现了可控的实现经过预应力处理，氧化锆中四方相与单斜相的相对含量，从而实现精确的控制膨胀量，且限制稳定相稳定氧化锆含量在5~10%之间，保证不会因为体积过度膨胀开裂。
19.c）将混合粉体成型并烧结得到玻璃陶瓷块体；在本实施例中高抗弯强度氧化锆微晶玻璃的制备方法：将云母玻璃粉体与稳定相稳定的氧化锆按照比例混合，为了提升混合效果，在本实施例中优选的采用湿法球磨混合，球磨时间为12~36h，混合均匀后加入2.5%pva溶液并喷雾造粒成型得到造粒粉体，将造粒粉体采用800~1200kfg/cm2的压强成型后在450℃附近排除pva后烧结得到微晶玻璃。在本实施例中烧结温度在750℃~1050℃，烧结时间1min~4h。具体可以按照微晶玻璃与氧化锆组分的不同而调整。在本实施例中烧结温度大于750℃是保证微晶玻璃充分完成晶化，从而实现良好的力学性能；另一方面选用的烧结温度低于1050℃，保证在烧结过程中稳定性相的氧化锆不会出现马氏体相变，从而降低出现玻璃陶瓷开裂的问题。
20.d）将经步骤c）得到玻璃陶瓷块体加工完成后表面磨削抛光处理实现预应力。在本实例中研磨抛光采用800~2000目的金刚石砂轮，砂轮给进线速率为9.5m/s~40m/s，砂磨的压力为0.03~0.08mpa，研磨时间为10min~2h。
21.以下是本发明的实施例：实施例1称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、155g纯度99%大于的na2o、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
22.称取该云母玻璃粉体2kg，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
23.将样品按照gb/t6569标准采用三点弯曲测试抗弯强度，按照gb/t23806测试单缺口断裂韧性。以下实施例也按此方法测试。样品的三点弯曲抗弯强度53mpa，单缺口断裂韧性1.66mpa
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m1/2。
24.实施例2称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、31g纯度99%大于的na2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
25.称取该云母玻璃粉体2kg，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
26.烧结毛坯机械加工后测试，样品的三点弯曲抗弯强度65mpa，单缺口断裂韧性1.78mpa
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m1/2。与实施例1比较，实现钙替代部分的钾或者钠的位置，利用钙元素作为碱土金属的二价态特性部分填充解离层，提升了解离层与解离层之间的结合强度。
27.实施例3称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
28.称取该云母玻璃粉体2kg，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
29.烧结毛坯机械加工后测试，样品的三点弯曲抗弯强度71mpa，单缺口断裂韧性1.77mpa
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m1/2。
30.实施例4称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
31.称取该云母玻璃粉体2kg和220g的d50为15um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化钇稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅
拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
32.烧结毛坯机械加工后测试，样品的三点弯曲抗弯强度99mpa，单缺口断裂韧性2.71mpa
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m1/2。与实施例2比较，添加氧化锆能够显著提升云母材料的抗弯和断裂性能。
33.实施例5称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
34.称取该云母玻璃粉体2kg和220g的d50为15um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化钇稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
35.烧结毛坯机械加工后采用800目的金刚石砂轮研磨抛光，砂轮给进线速率为9.5m/s，砂磨的压力为0.03mpa，研磨时间为2h。然后测试，样品的三点弯曲抗弯强度192mpa，单缺口断裂韧性3.27mpa
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m1/2。与实施例3比较，使用稳定性相氧化锆并且表明抛光实现压应力使得氧化锆发生马氏体相变，可以显著提升材料的抗弯强度和断裂韧性。
36.实施例6称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
37.称取该云母玻璃粉体2kg和220g的d50为15um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化钇稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至750℃烧结1h晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
38.烧结毛坯机械加工后采用2000目的金刚石砂轮研磨抛光，砂轮给进线速率为40m/s，砂磨的压力为0.08mpa，研磨时间为10min。然后测试，样品的三点弯曲抗弯强度178mpa，单缺口断裂韧性3.11mpa
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m1/2。
39.实施例7称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得
到该云母玻璃粉体。
40.称取该云母玻璃粉体2kg和220g的d50为2.5um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化钇稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后800kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至1050℃烧结1min晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
41.烧结毛坯机械加工后采用2000目的金刚石砂轮研磨抛光，砂轮给进线速率为40m/s，砂磨的压力为0.08mpa，研磨时间为10min。然后测试，样品的三点弯曲抗弯强度169mpa，单缺口断裂韧性3.03mpa
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m1/2。与实施例1比较，实现钙替代部分的钾或者钠的位置，利用钙元素作为碱土金属的二价态特性部分填充解离层，提升了解离层与解离层之间的结合强度。
42.实施例8称取753.8g纯度大于99%的mgf2、720g纯度大于99%的mgo、47g纯度99%大于的k2o、400g纯度99%大于的caco3、1020g纯度大于99%的sio2、700g纯度99%大于的b2o3和407.6g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
43.称取该云母玻璃粉体2kg和105g的d50为2.5um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化钇稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后1000kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至850℃烧结30min晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
44.烧结毛坯机械加工后采用2000目的金刚石砂轮研磨抛光，砂轮给进线速率为30m/s，砂磨的压力为0.04mpa，研磨时间为1h。然后测试，样品的三点弯曲抗弯强度277mpa，单缺口断裂韧性4.34mpa
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m1/2。
45.实施例9称取685.3g纯度大于99%的mgf2、680g纯度大于99%的mgo、94g纯度99%大于的k2o、300g纯度99%大于的caco3、600g纯度大于99%的sio2、1120g纯度99%大于的b2o3和713.3g纯度99%大于的al2o3，将以上原料采用v型混料混合30min~1h之后放入方形坩埚在110~120℃烘干12h后升温至450℃保温4~6h预反应后降至室温备用。然后将熔块炉升温至1500℃采用滴漏法水淬熔制玻璃，将熔制的玻璃采用湿法球磨工艺研磨24~36h，研磨至d50小于1um得到该云母玻璃粉体。
46.称取该云母玻璃粉体2kg和105g的d50为2.5um的四方相氧化锆含量＞90%的氧化铈稳定的氧化锆，按照质量比2.5%加入pva溶液及纯净水配置成质量浓度40%的浆料，研磨搅拌分散均匀后通过220℃喷雾造粒后1000kgf/cm2模压成型得到云母玻璃测试样条毛坯。将毛坯在350~500℃排除pva后升温至850℃烧结30min晶化处理后随炉冷却烧结毛坯。
47.烧结毛坯机械加工后采用2000目的金刚石砂轮研磨抛光，砂轮给进线速率为30m/s，砂磨的压力为0.04mpa，研磨时间为1h。然后测试，样品的三点弯曲抗弯强度282mpa，单缺口断裂韧性4.31mpa
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48.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人
员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。