用于成型块体的烧结锆石材料的制作方法

文档序号:9437935阅读:344来源:国知局
用于成型块体的烧结锆石材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常涉及锆石部件以及形成和使用锆石部件的方法。
【背景技术】
[0002] 已设计不含碱金属的硅铝酸盐玻璃(如用于使用非晶硅或氧化物薄膜晶体管 (TFT)的液晶显示(LCD)基材的玻璃,或用于使用低温多晶硅(LTPS)TFT沉积的有机发光二 极管(OLED)基材的玻璃),以允许高温加工(至多700°C ),同时不遭受变形。这些玻璃可 使用熔化拉制过程形成,其中液体玻璃在由锆石(ZrSiO4)材料制得的玻璃溢流成型块体的 唇缘上流动,并在玻璃溢流成型块体的底部熔化以形成片材。与不含碱金属的硼铝硅玻璃 接触的锆石成型块体在玻璃的形成温度下提供了良好的耐腐蚀性和机械性质。然而,已观 察到在使用锆石成型块体所形成的玻璃中可能发生气泡夹杂。玻璃中的气泡夹杂对于TFT 基材应用是不可接受的。

【发明内容】

[0003] 根据一方面,一种部件包括包含锆石(ZrSiO4)晶粒的本体,所述本体具有外部部 分和内部部分。所述本体可具有存在于锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相。自由二氧化 硅晶界相可基本上均匀分布于所述本体中。自由二氧化硅可包括未化学结合至本体中的 ZrSiO4晶粒的任何二氧化娃(SiO2)。所述本体可包括相对于本体总重量不大于约2wt. % 的自由二氧化硅含量。
[0004] 根据另一方面,一种部件包括包含锆石晶粒的本体,所述本体具有外部部分和内 部部分。所述本体可具有存在于锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相。自由二氧化硅可 包括未化学结合至本体中的ZrSiO4晶粒的任何二氧化娃(SiO2)。所述本体可包括相对于 本体总重量不大于约2wt. %的自由二氧化硅含量。此外,所述本体的外部部分可具有以体 积百分比测得的显气孔率(Pcip),所述本体的内部部分可具有以体积百分比测得的显气孔率 (Pip)。所述本体可具有不大于约2. 0的显气孔率比PciivPipt3
[0005] 根据又一方面,一种部件包括包含锆石晶粒的本体,所述本体具有外部部分和内 部部分。所述本体可具有存在于锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相。自由二氧化硅可包 括未化学结合至本体中的ZrSiO4晶粒的任何二氧化硅(SiO2)。所述本体可包括相对于本 体总重量不大于约2wt. %的自由二氧化硅含量。此外,所述本体可具有选自如下的至少一 种特性:1)大于约I. 55MPa. m α5的断裂韧性(Klc),2)大于约60MPa的断裂模量(MoR),3) 大于约4. Og/cm3的密度,4)大于约175GPa的弹性模量(MoE),5)大于约6. OGPA的维氏硬 度,和6)它们的任意组合。
[0006] 根据另一方面,一种部件包括包含锆石晶粒的本体,所述本体具有外部部分和内 部部分。所述本体可具有存在于锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相。自由二氧化硅可 包括未化学结合至本体中的ZrSiO4晶粒的任何二氧化娃(SiO2)。所述本体可包括相对于 本体总重量不大于约2wt. %的自由二氧化硅含量。此外,所述本体的表面可具有不大于约 100 μ m/天的动态腐蚀速率。
[0007] 根据又一方面,一种部件包括包含锆石晶粒的本体,所述本体具有外部部分和内 部部分。所述本体可具有存在于锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相。自由二氧化硅可包 括未化学结合至本体中的ZrSiO4晶粒的任何二氧化硅(SiO2)。所述本体可包括相对于本 体总重量不大于约2wt. %的自由二氧化硅含量。此外,在所述本体的外部部分中的自由二 氧化硅晶界相的互连度可大于约10%。
[0008] 在另一方面,一种形成部件的方法可包括提供包含锆石晶粒的原料粉末,所述锆 石晶粒具有在约Iym至约20 μπι之间的范围内的中值(D50)粒度。所述原料粉末可具有 相对于原料粉末总重量不大于约2. Owt. %的自由二氧化硅含量。可烧结所述原料粉末,以 产生包括锆石晶粒和存在于所述锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶界相的本体,所述自由二 氧化硅晶界相基本上均匀分布于所述本体中。自由二氧化硅可包括未化学结合至本体中的 ZrSiOz^eI1粒的任何二氧化娃(SiO2)。
【附图说明】
[0009] 通过参照附图,本公开可更好地得以理解,且本公开的许多特征和优点对于本领 域技术人员而言是显而易见的。实施例以示例的方式显示,且不限于附图。
[0010] 图1包括示出了玻璃溢流成型块体的一个特定实施例的图示。
[0011] 图2包括示出了玻璃溢流成型块体的各种横截面透视图的特定组的图示。
[0012] 图3包括比较对应于根据实施例形成的部件和根据常规过程形成的部件的数据 点的开孔气孔率相对于密度的散点图。
[0013] 图4包括根据一个实施例的包含锆石的部件的微结构的图像。
[0014] 图5包括经受氟化氢(HF)处理的包含锆石的常规部件的微结构的图像。
[0015] 图6包括用氟化氢(HF)处理的包含锆石的常规部件的一部分的图像。
[0016] 图7包括包含锆石的常规部件的表面的图像。
[0017] 图8包括根据一个实施例的包含锆石的部件的表面的图像。
[0018] 本领域技术人员了解,图中的元件为了简单和清晰而显示,且不必按比例绘制。例 如,图中的一些元件的尺寸可相对于其他元件增大,以协助增进对本发明的实施例的理解。
【具体实施方式】
[0019] 如下通常涉及一种具有包含锆石材料的本体的部件,以及形成具有包含锆石材料 的本体的部件的方法,其中所述锆石材料具有相对于本体总重量不大于约2wt. %,优选不 大于约Iwt. %,最优选不大于约0. 5wt. %的自由二氧化娃含量。特别地,在本说明书中对 自由二氧化娃的任何指代对应于未化学结合至错石材料中的ZrO2的在本体中的全部SiO 2相。
[0020] 在某些实施例中,本体可包含存在于锆石材料的锆石晶粒之间的自由二氧化硅晶 界相。自由二氧化硅晶界相可基本上均匀分布于本体中。本体可包括相对于本体总重量不 大于约2wt. %的自由二氧化硅含量。自由二氧化硅晶界相可基本上由自由二氧化硅组成, 且位于锆石晶粒的晶界中的基本上全部的SiO2可被认为是自由二氧化硅。
[0021 ] 用于形成本体的原料粉末可最初包含未经加工的原料,例如未经加工的锆石原 料。可通过从未经加工的原料中分离组分(例如杂质)而最初加工未经加工的原料。未经 加工的原料可使用分类技术加工,例如粒度分离、振动或重力台分离、静电分离、电磁分离 或它们的任意组合。粒度分离允许基于粒子的尺寸而分离粉末内的粒子,这降低了杂质含 量。振动或重力台分离可基于密度而分离粉末内的粒子,这可从原料粉末中降低富含氧化 铝的硅酸盐以及二氧化硅晶粒的量。静电分离可基于电导率分离粉末内的粒子,这可允许 分离含钛矿物质粒子、钛铁矿和金红石。电磁分离可基于粒子的磁性质而分离粉末内的粒 子。应了解未经加工的原料的最初加工可包括上述分离方法的任意组合,并可包括上述分 离方法中的任意者的多次应用。还应了解未经加工的原料的最初加工可包括连续的或并行 的如上分离方法的应用。
[0022] 可碾磨未经加工的原料和任何另外的材料,以产生可促进形成根据一个实施例的 部件的具有特定粒度和粒子分布的原料粉末。碾磨未经加工的原料以形成原料粉末可使用 不同的碾磨技术完成,例如干法球磨、湿法球磨、振动球磨、砂磨(搅拌球磨)或喷射碾磨。
[0023] 在最初加工和碾磨之后,由未经加工的原料形成的原料粉末可具有不大于约 15 μ m,如不大于约14 μ m,不大于约12 μ m,不大于约10 μ m,不大于约9,μ m,不大于约 8 μ m,不大于约7 μ m,不大于约6 μ m,不大于约5 μ m,不大于约4 μ m,不大于约3 μ m或甚至 不大于约2 μπι的中值(D50)粒度。此外,原料粉末可具有大于约1 μπι,如大于约2 μπι,大 于约3 μ m,大于约4 μ m,大于约5 μ m,大于约6 μ m,大于约7 μ m,大于约8 μ m,大于约9 μ m, 大于约10 μ m,大于约12 μ m或甚至大于约14 μ m的中值(D50)粒度。应了解,原料粉末可 具有在上述最大值和最小值中的任意者之间的范围内的任意值的中值(D50)粒度。还应了 解,原料粉末可具有在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的范围内的任意值的中值 (D50)粒度。
[0024] 在其他实施例中,可控制包含锆石的原料粉末的粒度分布,使得原料粉末可具 有不大于约40 μ m,如不大于约30 μ m,不大于约20 μ m,不大于约15 μ m或甚至不大于约 10 μπι的D90粒度。在其他情况中,原料粉末可具有大于约5 μπι,如大于约10 μπι,大于约 15 μ m,大于约20 μ m或甚至大于约30 μ m的D90粒度。应了解,原料粉末可具有在上述最 大值和最小值中的任意者之间的范围内的任意值的D90粒度。还应了解,原料粉末可具有 在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的范围内的任意值的D90粒度。
[0025] 在其他实施例中,可控制包含锆石的原料粉末的粒度分布,使得原料粉末可具有 大于约〇· 2 μ m,如大于约0· 5 μ m,大于约0· 8 μ m或甚至大于约L 0 μ m的DlO粒度。在其 他情况中,原料粉末可具有不大于约I. I ym,如大不于约L 0 μπι,不大于约0· 8 μπι或甚至 不大于约〇. 5 μπι的DlO粒度。应了解,原料粉末可具有在上述最大值和最小值中的任意者 之间的范围内的任意值的DlO粒度。还应了解,原料粉末可具有在上述最大值和最小值之 间的任意数值之间的范围内的任意值的DlO粒度。
[0026] 原料粉末和任何另外的材料(即烧结助剂、粘结剂、其他添加剂等)可通过任何合 适的方法组合或混合。可进行干法或湿法混合或批料制备。混合可包括另外的造粒步骤。 可加入造粒步骤以改进批料的可流动性,并因此增加生坯的表观密度。在一个示例性实施 例中,可使用喷雾干燥来进行造粒。可捋原料粉末混合至掺水拌罐中,然后喷雾干燥。
[0027] 然后使用等静压制捋经喷雾干燥的粉末或批料成形,以形成具有特定形状的生 坯。经喷雾干燥的粉末形成高度流动的粉末,所述高度流动的粉末可用于填充大的等压模 制罐,以使填充缺陷(如生坯密度的非均匀压实、空隙或裂纹)达到最少。捋原料粉末填充 至保持于固体金属罐中的橡胶模具中。然后捋袋密封,捋真空施加至原料粉末。然后捋罐 浸入填充有流体的压力容器中,然后压制。在压制之后,从压力容器中移出模具,移出生坯。
[0028] 成形可例如通过在如下压力下的等静压制而在特定压力下进行:大于约50MPa, 如大于约60MPa,大于约70MPa,大于约80MPa,大于约90MPa,大于约lOOMPa,大于约 I lOMPa,大于约120MPa,大于约130MPa,大于约HOMPa或甚至大于约150MPa。可使用持续 约10分钟至约120分钟的等静压制循环而捋压力逐步施加至生坯。这些压制循环可限制 压制阶段过程中缺陷的形成。也可使用可选择的技术(如注浆成型或单向压制)来进行成 形。
[0029] 生坯的形状可为矩形、圆柱体、球形、椭圆形或几乎任何其他形状。在一个特定 实施例中,生坯可为称为坯料的矩形块体的形状,所述坯料可随后被机械加工以形成玻璃 溢流槽、流槽唇砖或套筒块体(busing block)。在另一特定实施例中,生还可具有大于约 100mm,如大于约200mm,大于约300mm,大于约400mm,大于约500mm,大于约600mm,大于约 700mm或甚至大于约800mm的至少一个维度。在另一实施例中,生还可以以更紧密匹配最终 部件(例如成型块体)的方式结构化,以限制后成型过程。
[0030] 图1示出了成型块体200。成型块体200可包括溢流槽部分202和锥形部分204。 溢流槽部分202可包括槽,所述槽具有沿着成型块体200的长度减小的深度。图2包括锥 形部分204的示例性形状的横截面图。更特别地,锥形部分可包括楔形形状2042、凹形形状 2044或凸形形状2046。可使用其他形状以满足特定应用的需要或要求。
[0031] 在形成生坯之后,生坯可在烘箱、加热器、炉子等中加热,以形成包含锆石材料的 本体。加热过程可包括初始加热,在初始加热中,水分、溶剂或另一挥发性组分蒸发、有机材 料汽化或它们的任意组合。初始加热可在大约100°C至大约300°C的范围内的温度下进行 在大约10小时至大约200小时范围内的时间。在一个实施例中,在初始加热之后,生坯可 在大于约1400°C,如大于约1450°C,大于约1500°C,大于约1550°C,大于约1600°C或甚至大 于约1650°C的温度下烧结。在另一实施例中,在初始加热之后,生坯可在不大于约1700°C, 如不大于约1650°C,不大于约1600°C,不大于约1600°C,不大于约1550°C,不大于约1500°C 或甚至不大于约1450°C的温度下烧结。生坯可烧结在大约10小时至大约100小时范围内 的时间,以形成本体。
[0032] 烧结可包括加热生坯达设定持续时间的烧结循环中的多个时间。烧结循环的持续 时间可大于约30天,如大于约35天,大于约40天,大于约45天,大于约50天,大于约55 天,大于约60天,大于约65天,大于约70天,大于约75天,大于约80天或甚至大于约85 天。此外,烧结循环的持续时间可不大于约90天,如不大于约85天,不大于约80天,不大 于约75天,不大于约70天,不大于约65天,不大于约60天,不大于约55天,不大于约50 天,不大于约45天或甚至不大于约40天。
[0033] 在烧结之后本体的形状通常对应于烧结之前生坯的形状。因此,本体可具有相对 于生坯如前所述的形状中的任意者。在烧结过程中,可能发生一定收缩,本体可小于生坯。
[0034] 经烧结的物体(如本体)可不同于通过熔融浇铸而形成的物体。特别地,通过熔 融浇铸而形成的物体常常包含非常丰富的填充物体的结晶晶粒的网络的晶界玻璃相。相比 之下,经烧结的固体可包含在具有另一相的晶界处形成的相。由于微结构的差异,经烧结的 物体和熔融浇铸的物体在它们相应的应用中所遇到的问题以及解决所述问题所采用的技 术方案通常是不同的。此外,由于通过烧结制造物体与通过熔融浇铸制造物体之间的差异, 开发用于熔融浇铸产品的组合物可能不先验地用于制造经烧结的产品。
[0035] 提供包含锆石晶粒的原料可包括提供相对于原料粉末总重量自由二氧化硅 含量不大于约2. Owt. %的原料粉末。在实施例的另一方面,原料粉末中的自由二氧 化娃含量可例如相对于原料粉末总重量不大于约1.9wt. %,如不大于约1.8wt. %,不 大于约I. 7wt. %,不大于约I. 6wt. %,不大于约I. 5wt. %,不大于约I. 4wt. %,不大 于约I. 3wt. %,不大于约I. 2wt. %,不大于约I. Iwt. %,不大于约1.0 wt. %,不大于 约0. 9wt. %,不大于约0. 8wt. %,不大于约0. 7wt. %,不大于约0. 6wt. %,不大于约 0. 5wt. %,不大于约0. 4wt. %,不大于约0. 3wt. %或甚至不大于约0. 2wt. %。在其他情况 中,原料粉末中的自由二氧化硅含量可相对于原料粉末总重量大于约〇. Iwt. %,如大于约 0. 2wt. %,大于约0. 3wt. %,大于约0. 4wt. %,大于约0. 5wt. %,大于约0. 6wt. %,大于约 0· 7wt. %,大于约0· 8wt. %,大于约0· 9wt. %,大于约1.0 wt. %,大于约I. Iwt. %,大于约 1. 2wt. %,大于约I. 3wt. %,大于约I. 4wt. %,大于约I. 5wt. %,大于约I. 6wt. %,大于约 I. 7wt. %,大于约I. 8wt. %或甚至大于约I. 9wt. %。应了解,以相对于原料粉末总重量的 wt. %计的原料中的自由二氧化硅含量可为在上述最大值和最小值中的任意者之间的范围 内的任意值。还应了解,以相对于原料粉末总重量的wt. %计的原料中的自由二氧化硅含量 可为在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的范围内的任意值。
[0036] 原料粉末可主要由锆石(ZrSiO4)组成,例如,原料粉末可包括相对于原料粉末总 重量大于约95wt. %,如大于约96wt. %,大于约97wt. %,大于约98wt. %,大于约99wt. % 或甚至99. 5wt. %的ZrSiO4含量。在其他情况中,原料粉末可包括相对于原料粉末总重量 不大于约99. 9wt. %,不大于约99. 5wt. %,不大于约99wt. %,不大于约98wt. %,不大于约 97wt. %,不大于约96wt. %或甚至不大于约95wt. %的ZrSiO4含量。应了解,以相对于原料 粉末总重量的wt. %计的原料中的ZrSiO4含量可为在上述最大值和最小值中的任意者之间 的范围内的任意值。还应了解,以相对于原料粉末总重量的wt. %计的原料中的ZrSiO4^ 量可为在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的范围内的任意值。
[0037] 原料粉末可基本上不含Al2O3。原料粉末可包括相对于原料粉末总重量不大于 0. 5wt. %,如不大于 0. 45wt. %,不大于 0. 4wt. %,不大于 0. 35wt. %,不大于 0. 3wt. %, 不大于0. 25wt. %,不大于0. 2wt. %,不大于0. 15wt. %,不大于0.1 wt. %或甚至不大于 0. 05wt. %的Al2O3含量。在其他情况中,原料粉末可包括相对于原料粉末总重量大于约 CL Olwt. %,如大于约 CL 05wt. %,大于约 CL Iwt. %,大于约 CL 15wt. %,大于约 CL 2wt. %, 大于约0. 25wt. %,大于约0. 3wt. %,大于约0. 35wt. %,大于约0. 4wt. %或甚至大于约 0. 45wt. %的Al2O3含量。应了解,以相对于原料粉末总重量的wt. %计的原料中的Al 203含 量可为在上述最大值和最小值中的任意者之间的范围内的任意值。还应了解,以相对于原 料粉末总重量的wt. %计的原料中的Al2O3含量可为在上述最大值和最小值之间的任意数 值之间的范围内的任意值。
[0038] 特别地,原料粉末可具有原料粉末中的Al2O3含量(CP ai2i33)与原料粉末中的自由二 氧化硅含量(CPfs)的特定比例。所述比例可数学表示为CPA12(]3/CPFS。CP ai2i33可表示测定为 原料粉末总重量的wt. %的原料粉末中的Al2O3含量。CP ^可表示测定为原料粉末总重量 的wt. %的原料粉末中的自由二氧化硅含量。原料粉末可具有不大于约5,如不大于约3,不 大于约1,不大于约0. 5,不大于约0. 4,不大于约0. 3,不大于约0. 2,不大于约0. 1,不大于 约0. 01或甚至不大于约0. 005的比例CPA12(]3/CPFS。在其他情况中,原料粉末可具有大于约 0. 0025,如大于约0. 005,大于约0. 01,大于约0. 1,大于约0. 2,大于约0. 3,大于约0. 4,大 于约0. 5,大于约0. 6,大于约0. 7,大于约0. 8或甚至大于约0. 9的比例CPA12(]3/CPFS。应了 解,比例CPA12(]3/CPFS可为在上述最大值和最小值中的任意者之间的范围内的任意值。应了 解,比例CPai2JCPfs可为在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的范围内的任意值。
[0039] 或者,原料粉末可具有原料粉末中的Al2O3含量(CP ai2q3)与原料粉末中的ZrSiOj 量(CPmim)的特定比例。所述比例可数学表示为CPA12(]3/CPMl(]4。CP ai2i33可表示测定为原料 粉末总重量的wt. %的原料粉末中的Al2O3含量。CP &Sl(]4可表示测定为原料粉末总重量的 wt. %的原料粉末中的ZrSiO4含量。原料粉末可具有不大于约0. 007,如不大于约0. 006, 不大于约0. 005,不大于约0. 004,不大于约0. 003,不大于约0. 002或甚至不大于约0. 001 的比例CPA12(]3/CPMl(]4。在其他情况中,原料粉末可具有大于约0. 0005,如大于约0. 001,大 于约0. 002,大于约0. 003,大于约0. 004,大于约0. 005或甚至大于约0. 006的比例CPai2i33/ CP&SlM。应了解,比例CPA12(]3/CPZrSl(]4可为在上述最大值和最小值中的任意者之间的范围内 的任意值。应了解,比例〇?^2。3/0?&51。4可为在上述最大值和最小值之间的任意数值之间的 范围内的任意值。
[0040] 原料粉末中的错石晶粒可包括相对于原料粉末中错石晶粒总重量不大于 约2. Owt. %,如不大于约I. 9wt. %,不大于约I. 8wt. %,不大于约I. 7wt. %,不大于 约I. 6wt. %,不大于约I. 5wt. %,不大于约I. 4wt. %,不大于约I. 3wt. %,不大于 约I. 2wt. %,不大于约I. Iwt. %,不大于约1.0 wt. %,不大于约0. 9wt. %,不大于 约0. 8wt. %,不大于约0. 7wt. %,不大于约0. 6wt. %,不大于约0. 5wt. %,不大于约 0. 4wt. %,不大于约0. 3wt. %或甚至不大于约0. 2wt. %的自由二氧化娃含量。在其他情况 中,原料粉末中的锆石晶粒可包括相对于原料粉末中锆石晶粒总重量大于约〇. Iwt. %,如 大于约
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