混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料及其方法
【專利摘要】一種混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料及其方法，該材料原料由偏硅酸鋰晶體粉末M、石英砂玻璃粉末S和二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末D組成，其中M：S：D的摩爾比為1：（1～2）：（0～8）；其制備方法包括偏硅酸鋰玻璃和二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃的熔制，水淬，球磨制取玻璃粉，并且對偏硅酸鋰玻璃粉晶化處理成晶體，加入石英砂玻璃粉以及二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉，三種粉末混合均勻后在真空熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，制成二硅酸鋰微晶玻璃；利用本發(fā)明生產(chǎn)的二硅酸鋰微晶玻璃，抗彎強度255～420MPa，斷裂韌性2.6MPa·m1/2～3.5MPa·m1/2；與現(xiàn)有技術(shù)相比，降低了生產(chǎn)成本即可在燒結(jié)前將所需色料加入到混合粉末中解決熔融法配色困難等問題，制備出長達單一玻璃粉燒結(jié)5倍尺寸的長棒狀晶粒，為增韌二硅酸鋰微晶玻璃開辟了一條新的途徑。
【專利說明】混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工程陶瓷制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料及其方法 。
【背景技術(shù)】
[0002]二硅酸鋰微晶玻璃是一系列析出以二硅酸鋰(Li2Si2O5)為主晶相的微晶玻璃的總稱。其主要成分為 Li2O 和 SiO2，此外會添加 P205、B2O3> ZrO2, K2O, A1203、CaO, CeO2, La2O3 等組分，以起到助熔劑、形核劑等作用。近幾十年來，研究人員對基礎(chǔ)玻璃的組成設(shè)計技術(shù)、微晶玻璃的核化與晶化機理、微晶玻璃的制備技術(shù)及組成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系進行了大量的探索研究，但是斷裂韌性、強度和透光率很難達到完美匹配。
[0003]1998年，Ivoclar公司和蘇黎世大學共同研制開發(fā)，推出IPS Empress2微晶玻璃體系。即采用熱壓鑄入的制備工藝生產(chǎn)出二硅酸鋰牙科用玻璃陶瓷材料。它具有完美的自然光澤、較好的力學性能和耐化學腐蝕性，能夠滿足牙冠和鏈接橋的應用要求。但是還不能滿足對力學性能要求較高的牙根材料的使用要求。
[0004]中國專利200710072597.0報導了以ZrO2為增強相的二硅酸鋰微晶玻璃復合材料及其制備方法。其在二硅酸鋰微晶玻璃中引入5~30% (wt%) ZrO2,真空熱壓燒結(jié)而制成含ZrO2增強相的二硅酸鋰微晶玻璃復合材料，其最大抗彎強度330MPa，斷裂韌性
3.54MPa.m1/2。盡管這種方法制得的微晶玻璃復合材料具有高的強度和斷裂韌性，但是由于ZrO2相的加入使得整個玻璃在燒結(jié)過程中粘度增加，影響致密，難于獲得半透明的材料。
[0005]二硅酸鋰微晶玻璃的制備方法主要有熔融法、燒結(jié)法和溶膠-凝膠法三大類。IPSEmpress2和上述的以ZrO2為增強相的二硅酸鋰微晶玻璃復合材料的制備分別采用了熔融法和燒結(jié)法；這兩種工藝存在以下缺點:1、玻璃熔化溫度高，能耗大；2、添加的成分受到玻璃溶解度的限制；3、熔融法制得的微晶玻璃整體析晶能力差；4、采用燒結(jié)法，雖然可以在粉料成型過程中添加第二增強相，但燒結(jié)法中粘度的提高會阻礙玻璃和增強相的燒結(jié)導致材料的致密度下降。與上述三種工藝不同的是，混合燒結(jié)法是將晶體直接加入到玻璃粉中，再燒結(jié)成玻璃陶瓷(也稱玻璃基復合材料)。雖然從形式上看也是采用燒結(jié)工藝，但這種工藝和燒結(jié)法有著本質(zhì)的不同，因為晶體不是從母相玻璃中析出而是由外部直接加入。該工藝的優(yōu)點是對母相玻璃的組分不像傳統(tǒng)工藝那樣嚴格，因為晶體并不是從母相玻璃中直接析出，所以可以直接使用沒有析晶能力的玻璃粉末，具有很大的靈活性，為用同一組分的母相玻璃加入不同的晶體來制備不同類型的玻璃陶瓷提供了可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料及其方法，降低了生產(chǎn)成本即可在燒結(jié)前將所需色料加入到混合粉末中解決熔融法配色困難等問題，可制備出長達單一玻璃粉燒結(jié)5倍尺寸的長棒狀晶粒，為增韌二硅酸鋰微晶玻璃開辟了一條新的途徑。[0007]為達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其原料由偏硅酸鋰晶體粉末、石英砂玻璃粉末和二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末組成，所述偏硅酸鋰晶體粉末記為M，石英砂玻璃粉末記為S，二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末記為D，其中M:S:D的摩爾比為1: (I~2): (O~8)。
[0009]所述偏硅酸鋰晶體粉末的原料由Li2O和SiO2按摩爾比為1:1組成。
[0010]所述二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末的原料由以下組分按重量百分比組成，SiO2為65~80wt%、Li2O 為 13 ~18wt%、P2O5 為 O ~4wt%、ZrO2 為 O ~4wt%、Al2O3 為 O ~4wt%、K2O 為
2~5wt%> CeO2 為 O ~3wt% 和 La2O3 為 O ~5wt%。
[0011]所述M:S:D的摩爾比為1:2:0。
[0012]所述M:S:D的摩爾比為1:2:4。
[0013]所述M:S:D的摩爾比為1:2:8。
[0014]所述M:S:D的摩爾比為1:1:0.5。
[0015]所述M:S:D的摩爾比為1:1.5:0.5。
[0016]所述M:S:D 的摩爾比為 1:1.75:0.5。
[0017]上述所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料的制備方法，包括如下步驟:
[0018]步驟1:按照原始偏娃酸鋰玻璃的原料成分配比，Li20:Si02=l:1 (摩爾比)稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅`鑰棒電阻爐中以2°C /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1200~1400°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末，其粒度為5~30 μ m ；
[0019]步驟2:將步驟I得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末進行差熱分析，然后在析晶峰溫度450°C~650°C下熱處理I~3h得到偏硅酸鋰晶體粉末；
[0020]步驟3:按照二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末的原料成分配比，SiO2為65~80wt%、Li20為13 ~18wt%、P2O5 為 O ~4wt%、ZrO2 為 O ~4wt%、Al2O3 為 O ~4wt%、K2O 為 2 ~5wt%、CeO2為O~3wt%和La2O3為O~5wt%，稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅鑰棒電阻爐中以2V /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1350~1500°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，其粒度為2~40 μ m ;
[0021]步驟4:取步驟2得到的偏硅酸鋰晶體粉末和步驟3得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，與石英砂玻璃粉末，所述偏硅酸鋰晶體粉末記為M，石英砂玻璃粉末記為S，二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末記為D，按M:S:D的摩爾比為1: (I~2): (O~8)混合，再以100~300ml無水乙醇為介質(zhì)放在剛玉罐中濕混2小時，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將其烘干；
[0022]步驟5:將烘干的混合粉末裝入石墨模具中，放在真空熱壓燒結(jié)爐中進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為820~960°C，真空度為2 X IO3Pa,燒結(jié)30分鐘~2小時，并采用10~40MPa進行單軸施壓，然后隨爐冷卻，室溫脫模，即通過混合反應燒結(jié)法制備出二硅酸鋰微晶玻璃材料。[0023]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0024]1、偏硅酸鋰晶體粉末和石英砂玻璃粉末混合反應燒結(jié)過程中，二硅酸鋰沿偏硅酸鋰外延生長成長棒狀晶粒；二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末部分析晶成小尺寸二硅酸鋰晶體，剩余部分以玻璃相形式存在，起到粘結(jié)劑的作用，與熱壓過程中抽真空、施加壓力共同作用保證二硅酸鋰微晶玻璃材料的致密化；本發(fā)明方法制備的二硅酸鋰微晶玻璃性能優(yōu)良，抗彎強度為255~420MPa，斷裂韌性為2.6MPa.m1/2~3.5MPa.m1/2，力學性能尤其是斷裂韌性的指標均大幅度提高。該材料廣泛適用于牙冠、牙齒貼面、連接橋和牙根用料。
[0025]2、降低了生產(chǎn)成本即可在燒結(jié)前將所需色料加入到混合粉末中解決熔融法配色困難等問題，制備出長達單一玻璃粉燒結(jié)5倍尺寸的長棒狀晶粒，為增韌二硅酸鋰微晶玻璃開辟了一條新的途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]附圖是本發(fā)明實施例八制得的二硅酸鋰微晶玻璃材料掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0028]本發(fā)明混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料的制備方法，包括如下步驟:
[0029]步驟1:按照 原始偏硅酸鋰玻璃的原料成分配比，Li2O: SiO2=1:1 (摩爾比)稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅鑰棒電阻爐中以2°C /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1200~1400°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末，其粒度為5~30 μ m ;具體實施例的工藝參數(shù)如表1所示。
[0030]步驟2:將步驟I得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末進行差熱分析，然后在析晶峰溫度450°C~650°C下熱處理I~3h得到偏硅酸鋰晶體粉末；具體實施例的晶化溫度與晶化時間如表1所示。
[0031]步驟3:按照二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末的原料成分配比，SiO2為65~80wt%、Li20為13 ~18wt%、P2O5 為 O ~4wt%、ZrO2 為 O ~4wt%、Al2O3 為 O ~4wt%、K2O 為 2 ~5wt%、CeO2為O~3wt%和La2O3為O~5wt%，稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅鑰棒電阻爐中以2V /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1350~1500°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，其粒度為2~40 μ m ;具體實施例的原料配比和工藝參數(shù)如表2所
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[0032]步驟4:取步驟2得到的偏硅酸鋰晶體粉末和步驟3得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，與石英砂玻璃粉末，所述偏硅酸鋰晶體粉末記為M，石英砂玻璃粉末記為S，二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末記為D，按M:S:D的摩爾比為1: (I~2): (O~8)混合，再以100~300ml無水乙醇為介質(zhì)放在剛玉罐中濕混2小時，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將其烘干；具體實施例的工藝參數(shù)如表2所示。
[0033]步驟5:將烘干的混合粉末裝入石墨模具中，放在真空熱壓燒結(jié)爐中進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為820~960°C，真空度為2 X IO3Pa,燒結(jié)30分鐘~2小時，并采用10~40MPa進行單軸施壓，然后隨爐冷卻，室溫脫模，即通過混合反應燒結(jié)法制備出二硅酸鋰微晶玻璃材料。具體實施例的工藝參數(shù)如表2所示，制備出的二硅酸鋰微晶玻璃材料的抗彎強度和斷裂韌性如表3所示。
[0034]表1本發(fā)明偏硅酸鋰晶體粉末(M)晶體制備工藝參數(shù)
[0035]
【權(quán)利要求】
1.混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:其原料由偏硅酸鋰晶體粉末、石英砂玻璃粉末和二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末組成，所述偏硅酸鋰晶體粉末記為M，石英砂玻璃粉末記為S，二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末記為D，其中M:S:D的摩爾比為1: (I~2):(O ~8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述偏硅酸鋰晶體粉末的原料由Li2O和SiO2按摩爾比為1:1組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末的原料由以下組分按重量百分比組成，SiO2為65~80wt%、Li2O 為 13 ~18wt%、P205 為 O ~4wt%、Zr02 為 O ~4wt%、Al203 為 O ~4wt%、K20 為 2 ~5wt%、CeO2 為 O ~3wt% 和 La2O3 為 O ~5wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:2:0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:2:4。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:2:8。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:1:0.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:1.5:0.5。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料，其特征在于:所述M:S:D的摩爾比為1:1.75:0.5。
10.權(quán)利要求1至9任一項所述的混合反應燒結(jié)法制備的二硅酸鋰微晶玻璃材料的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:按照原始偏娃酸鋰玻璃的原料成分配比，Li2O: SiO2=1: 1(摩爾比)稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅鑰棒電阻爐中以2°C /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1200~1400°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末，其粒度為5~30 μ m ; 步驟2:將步驟I得到的原始偏硅酸鋰玻璃粉末進行差熱分析，然后在析晶峰溫度450°C~650°C下熱處理I~3h得到偏硅酸鋰晶體粉末； 步驟3:按照二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末的原料成分配比，SiO2為65~80wt%、Li20為13~18wt%、P205 為 O ~4wt%、Zr02 為 O ~4wt%、Al203 為 O ~4wt%、K20 為 2 ~5wt%、Ce02 為 O ~3wt%和La2O3為O~5wt%，稱量氧化物原料，將氧化物原料放在剛玉罐中濕混2h，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將混合均勻的漿料烘干，再將其放入石英坩堝中在硅鑰棒電阻爐中以2°C /min~10°C /min的升溫速率，升溫至1350~1500°C并保溫I~3小時后水淬成粒狀原始玻璃，最后放回剛玉球磨罐中以150~300轉(zhuǎn)/分鐘的速度球磨I~15小時后得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，其粒度為2~40 μ m ; 步驟4:取步驟2得到的偏硅酸鋰晶體粉末和步驟3得到的二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末，與石英砂玻璃粉末， 所述偏硅酸鋰晶體粉末記為M，石英砂玻璃粉末記為S，二硅酸鋰基礎(chǔ)玻璃粉末記為D，按M:S:D的摩爾比為1: (I~2): (O~8)混合，再以100~300ml無水乙醇為介質(zhì)放在剛玉罐中濕混2小時，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器將其烘干； 步驟5:將烘干的混合粉末裝入石墨模具中，放在真空熱壓燒結(jié)爐中進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為820~960°C，真空度為2 X IO3Pa,燒結(jié)30分鐘~2小時，并采用10~40MPa進行單軸施壓，然后隨爐冷卻，室溫脫模，即通過混合反應燒結(jié)法制備出二硅酸鋰微晶玻璃材料。
【文檔編號】C03C10/04GK103553339SQ201310468746
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】楊建鋒, 趙婷, 秦毅, 張佩, 王波, 李春芳 申請人:西安交通大學