晶化熱處理的溫度測量方法
【專利摘要】本發(fā)明是提供一種晶化熱處理時可以直觀地得到核化溫度和晶化溫度的測量方法。晶化熱處理的溫度測量方法，該方法包括以下步驟：1)對材料加熱并得到差熱曲線；2)對差熱曲線進行一階微分得到差熱一階微分曲線；3)所述差熱曲線的第一吸熱峰值溫度Ts為核化開始溫度；所述差熱一階微分曲線的第二個放熱峰開始溫度Ts3*為晶化最低溫度。本發(fā)明利用差熱一階微分分析方法，可以快速準確地得到晶化熱處理時的核化溫度、最大核化速率溫度和晶化溫度；本發(fā)明的方法直觀快速、容易測量分析得到，而且還能用分析得到的數(shù)據(jù)進行模擬工藝實驗，尋找到最佳的核化和晶化時間，這對材料晶化都有極其重要的指導(dǎo)意義。
【專利說明】晶化熱處理的溫度測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對材料進行晶化熱處理的工藝，特別是涉及一種對玻璃或陶瓷材料進行晶化熱處理時的溫度測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]對玻璃或陶瓷通過控制晶化而制得微晶玻璃或陶瓷，具有突破的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)等性能，而材料的外在性能取決于其內(nèi)在結(jié)構(gòu)，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)與晶化熱處理時的核化溫度和晶化溫度息息相關(guān)。
[0003]現(xiàn)有對玻璃或陶瓷進行晶化熱處理時，其核化溫度和晶化溫度是利用差熱法或膨脹儀對玻璃轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、馳垂溫度(Ts)以及析晶放熱峰值的溫度測量來獲取的，玻璃進行晶化熱處理時的差熱曲線如圖1所示，核化溫度一般定在Ts附近，或根據(jù)核化溫度=Tg+2/3 (Ts-Tg)來確定；晶化溫度一般定在析晶峰附近，或根據(jù)晶化溫度=核化溫度+100?150°C來確定，這樣獲取的溫度不直觀也不準確，另外，最大核化速率及其溫度是不可知的，而最大核化速率溫度一直是玻璃或陶瓷進行晶化熱處理時需要得到的重要參數(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種晶化熱處理時可以直觀地得到核化溫度和晶化溫度的測量方法。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:晶化熱處理的溫度測量方法，該方法包括以下步驟:
[0006]I)對材料加熱并得到差熱曲線；
[0007]2)對差熱曲線進行一階微分得到差熱一階微分曲線；
[0008]3)所述差熱曲線的第一吸熱峰值溫度Ts為核化開始溫度；所述差熱一階微分曲線的第二個放熱峰開始溫度Ts3*為晶化最低溫度。
[0009]進一步的，所述差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*為核化的最佳溫度或核化速率最大化溫度。
[0010]進一步的，可根據(jù)晶核尺寸在所述Ts?Ts2*的溫度范圍內(nèi)進行核化溫度的選擇。
[0011]進一步的，所述差熱一階微分曲線的第二個放熱峰峰值溫度Ts4*為晶化速率最大化溫度。
[0012]進一步的，可根據(jù)晶體尺寸在所述Ts3*?Ts4 *的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇。
[0013]進一步的，如果材料具有多種晶型，差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*為核化速率最大化溫度；第二個放熱峰的開始溫度Ts3*是第一個晶型晶化最低溫度，第二個放熱峰的峰值溫度Ts4*為第一個晶型晶化速率最大化溫度；第三個放熱峰的開始溫度Ts5*是第二個晶型晶化最低溫度，第三個放熱峰的峰值溫度Ts6 *為第二個晶型晶化速率最大化溫度，依此類推。
[0014]進一步的，可根據(jù)晶體尺寸在所述Ts5*?Ts6 *的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇。
[0015]進一步的，所述第一個晶型與第二個晶型的比例可根據(jù)二個晶型晶化所恒溫的時間來確定。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:利用差熱一階微分分析方法，可以快速準確地得到晶化熱處理時的核化溫度、最大核化速率溫度和晶化溫度；通過數(shù)據(jù)分析和模擬實驗還能得到最佳核化時間和晶化時間；根據(jù)不同配方的玻璃差熱曲線和模擬實驗，能得到控制微晶大小和晶型的不同溫度和時間；本發(fā)明的方法直觀快速、容易測量分析得到，而且還能用分析得到的數(shù)據(jù)進行模擬工藝實驗，尋找到最佳的核化和晶化時間，這對材料晶化都有極其重要的指導(dǎo)意義；對于有兩種以上晶型的材料，可根據(jù)差熱一階微分曲線分析得到的數(shù)據(jù)進行準確溫度控制，從而得到所需的材料晶型與晶型配比以及所需的晶體尺寸；本發(fā)明方法不僅可以用于對玻璃和陶瓷的晶化熱處理，還可用于其它材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是玻璃樣品5°C/min的差熱曲線圖；
[0018]圖2是實施例1的玻璃樣品5°C /min的差熱曲線圖與差熱一階微分曲線圖；
[0019]圖3是實施例2的玻璃樣品5°C /min的差熱曲線圖與差熱一階微分曲線圖；
[0020]圖4是同一種玻璃樣品10°C /min與2°C /min的差熱曲線圖；
[0021]圖5利用本發(fā)明的方法所得到的核化溫度、核化速率最大化溫度和晶化溫度對3種玻璃樣品進行晶化熱處理后得到的10°C /min差熱曲線圖；
[0022]圖6是圖5中1#玻璃晶化熱處理后的圖片；
[0023]圖7是圖5中2#玻璃晶化熱處理后的圖片；
[0024]圖8是圖5中3#玻璃晶化熱處理后的圖片。

【具體實施方式】
[0025]根據(jù)熱力學(xué)第一定律:內(nèi)能的變化(Δ υ)=熱能(Q) —對外做功(W)，對該定律進行時間一階微分:dQ/dt = d( Δ υ ) /dt — dw/dt，對外做功(W)可視為熱膨脹功，而熱膨脹功與溫度幾乎是線性關(guān)系，其對時間微分基本為零，這從微分曲線也可看出。因此，上述一階微分可以得到:dQ/dt = d( Δ υ )/dt，即單位時間的熱量變化等于單位時間的內(nèi)能變化，也即為:物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變的能量=晶體形成的能量。
[0026]本發(fā)明的方法是根據(jù)在加溫測量中材料的微觀物態(tài)變化，得知在這一過程中隨物態(tài)變化而引起的熱值變化，推斷其相對應(yīng)的最佳核化溫度和最大核化速率溫度以及最佳晶化溫度。具體地，就是采用差熱曲線的一階微分分析技術(shù)來體現(xiàn)材料在加熱過程中，由于核化和晶化而引起的熱值變化，并由不同的變化來確定材料在核化或晶化以及核化或晶化最大化時的溫度值。
[0027]實施例1:
[0028]在熱分析儀器的樣品坩禍內(nèi)加入玻璃樣品，進行玻璃樣品測試，玻璃樣品要求熔化均勻無析晶，得到玻璃5°C /min的差熱曲線，然后進行曲線的一階微分分析并得到差熱一階微分曲線，如圖2所示。
[0029]I)核化溫度與核化最大速率的確定
[0030]從玻璃5°C /min的差熱曲線和一階微分曲線可以看到，當(dāng)玻璃加熱到馳垂溫度Ts時，能量達到玻璃晶核所需的活化能，即有晶核開始生成，也就是說相分離開始；當(dāng)玻璃加熱到Tsf時，一階微分曲線顯示由吸熱轉(zhuǎn)向了放熱，即玻璃微觀結(jié)構(gòu)的變化出現(xiàn)了拐點，也就是說，高于此溫度玻璃將開始有物理狀態(tài)的改變，玻璃微觀結(jié)構(gòu)的排列在此時將向能量(自由能)較低有序排列的晶體轉(zhuǎn)化(這一過程在曲線上表現(xiàn)出放熱現(xiàn)象)；第一個放熱峰溫度Ts2*可認為是玻璃微觀結(jié)構(gòu)變化最大化的溫度，也是玻璃加熱過程中放熱量最大的溫度，這是由于晶體的自由能低于玻璃體，在此轉(zhuǎn)化過程中，會有放熱現(xiàn)象，晶核生長的速率越快即數(shù)量越多，則放熱變化值也越大，當(dāng)每分鐘放熱變化值達最大的Ts2*時，應(yīng)該是晶核生成速率最大即晶核數(shù)生成最多的溫度。
[0031]因此，玻璃5°C /min的差熱曲線的第一吸熱峰值溫度Ts可作為微晶玻璃的核化開始溫度；差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*可作為核化的最佳溫度或核化速率最大化溫度。這是微晶玻璃或陶瓷在晶化之前最重要的核化溫度參數(shù)，知道了該溫度，玻璃或陶瓷才能進行很好地核化，才能得到納米級的晶核，其是玻璃或陶瓷晶體材料形成最重要的參數(shù)。
[0032]圖2的差熱曲線可看出這種玻璃配方只有一種晶型，因為晶核尺寸與溫度大小成正比，即:溫度越高晶核尺寸越大，因此可根據(jù)晶核尺寸在上述Ts?Ts2*的溫度范圍內(nèi)進行核化溫度的選擇。
[0033]2)晶化溫度的確定
[0034]從玻璃5°C /min的差熱一階微分曲線可以看到，第二個放熱峰開始溫度Ts3*是晶化最低溫度，第二個放熱峰峰值溫度Ts4*就可作為晶化速率最大化溫度。因為晶體尺寸與溫度大小成正比，即:溫度越高晶體尺寸越大，因此可根據(jù)晶體尺寸在Ts3*?Ts4*的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇，如需較大晶體尺寸也可選擇大于Ts4*。
[0035]實施例2:
[0036]在熱分析儀器的樣品坩禍內(nèi)加入玻璃樣品，進行玻璃樣品測試，得到玻璃5°C /min的差熱曲線與差熱一階微分曲線，如圖3所示，從圖3可以看出，這種玻璃材料具有三種晶型。
[0037]從圖3可以看出，差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*就可作為核化速率最大化溫度，可根據(jù)晶核尺寸在Ts?Ts2*的溫度范圍內(nèi)進行核化溫度的選擇；第二個放熱峰的開始溫度Ts3*是第一個晶型晶化最低溫度，峰值溫度Ts4 *就可作為第一個晶型晶化速率最大化溫度，可根據(jù)晶體尺寸在Ts3*?Ts4 *的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇；第三個放熱峰的開始溫度Ts5*是第二個晶型晶化最低溫度，峰值溫度Ts6 *就可作為第二個晶型晶化速率最大化溫度，可根據(jù)晶體尺寸在Ts5*?Ts6*的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇；如需較大晶體尺寸也可選擇大于Ts6*。第一個晶型與第二個晶型的比例可根據(jù)二個晶型晶化所恒溫的時間來確定。
[0038]玻璃晶化一般都是在5°C /min或2°C /min的升溫速率下晶化的，同一種玻璃在不同的加熱速率下得到的Tg、Ts是不同的，如圖4所示，并由此得到的核化與晶化溫度也不相同，因此，測量差熱曲線時，使用的差熱升溫速率與晶化升溫速率必須一致。
[0039]實施例3:
[0040]利用本發(fā)明的方法所得到的核化溫度、核化速率最大化溫度和晶化溫度，對3種玻璃樣品(1#玻璃、2#玻璃、3#玻璃)進行晶化熱處理工藝，對晶化處理后的樣品作差熱分析得到玻璃晶化后的10°C /min差熱曲線圖，如圖5所示，從圖5可以看出玻璃幾乎完全晶化，通過晶化熱處理工藝得到了想要的晶體，如圖6、7、8所示。
[0041]從以上理論和實驗測量數(shù)據(jù)分析可得出:本發(fā)明由差熱一階微分曲線分析方法得到的核化溫度、最大核化速率和晶化溫度均最佳。
【權(quán)利要求】
1.晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)對材料加熱并得到差熱曲線； 2)對差熱曲線進行一階微分得到差熱一階微分曲線； 3)所述差熱曲線的第一吸熱峰值溫度Ts為核化開始溫度；所述差熱一階微分曲線的第二個放熱峰開始溫度Ts3*為晶化最低溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，所述差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*為核化的最佳溫度或核化速率最大化溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，可根據(jù)晶核尺寸在所述Ts?Ts2*的溫度范圍內(nèi)進行核化溫度的選擇。
4.如權(quán)利要求1所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，所述差熱一階微分曲線的第二個放熱峰峰值溫度Ts4*為晶化速率最大化溫度。
5.如權(quán)利要求4所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，可根據(jù)晶體尺寸在所述Ts3*?Ts4 *的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇。
6.如權(quán)利要求1所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，如果材料具有多種晶型，差熱一階微分曲線的第一個放熱峰溫度Ts2*為核化速率最大化溫度；第二個放熱峰的開始溫度Ts3*是第一個晶型晶化最低溫度，第二個放熱峰的峰值溫度Ts4 *為第一個晶型晶化速率最大化溫度；第三個放熱峰的開始溫度Ts5*是第二個晶型晶化最低溫度，第三個放熱峰的峰值溫度Tsf為第二個晶型晶化速率最大化溫度，依此類推。
7.如權(quán)利要求6所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，可根據(jù)晶體尺寸在所述Ts5*?Ts6 *的溫度范圍內(nèi)進行晶化溫度的選擇。
8.如權(quán)利要求6所述的晶化熱處理的溫度測量方法，其特征在于，所述第一個晶型與第二個晶型的比例可根據(jù)二個晶型晶化所恒溫的時間來確定。
【文檔編號】G01N25/14GK104483343SQ201410834111
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】歐玲 申請人:成都光明光電股份有限公司