一种Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃系统低熔点玻璃的制作方法

专利名称：一种Na₂O-Al₂O₃-B₂O₃系统低熔点玻璃的制作方法
一种Na20-A 1203-B203系统低熔点玻璃本发明涉及一种Na20-Al203-B203系统低熔点玻璃。硼酸盐玻璃既有着科学研究的意义又有工业价值，因为它有独特的分子结构，并 提供某些独特的物理性质如低的玻璃转变温度和软化温度，较高的膨胀系数等。硼酸盐系 统的低熔点玻璃作为一种焊料应用于真空和电子技术、激光和红外技术、高能物理、宇航工 业和化学工业等领域；它作为热敏电阻、晶体三极管和微型电路的防护层而应用于微电子 学中。此外，无机玻璃有比有机介质能够耐更高的温度，玻璃的线膨胀系数比有机漆和树脂 的膨胀系数小，这样就提高了在温度急剧变化的条件下对半导体仪器仪表保护的可靠性。硼酸盐低熔点玻璃是一类很有市场潜力的新型环保材料。在封接领域可以逐渐代 替目前传统的焊铅封接玻璃。在集成电路、液晶显示器、CRT、PDP等电子产品河装饰材料的 封接中得到应用。在汽车所应用的领域硼酸盐低温玻璃作为高温涂料的填料，既能使玻璃 涂层的化学稳定性变好，强度变高又经济适用、环保。铝搪瓷、景泰蓝中硼酸盐是不可缺少 的组分，对于降低釉的温度、加强网络都有着重要的作用。目前很多领域所采用的低熔点玻璃大多是Pb0-B203、Pb0-Si02、Pb0-B203-Si02、 Pb0-Zn0-B203等系统添加其它氧化物来制备，这些玻璃中含铅量均在70%左右，而铅对人 体具有强烈的毒性，会引起一系列神经和消化方面的不良症状，而且含铅玻璃的生产和使 用后的废弃物，仍然可以给人体和自然界带来严重的伤害和污染，这一点在发达国家已经 引起了足够的认识，法国、美国及日本等国家已经研制出了不含PbO的低熔点玻璃。除此之 外，这些低熔点封接玻璃的封接温度仍保持在400 500°C之间，不利于应用在要求更低封 接温度的场合。Na20-Al203-B203系统的低熔点玻璃是一种很有前途的环保型无铅低熔点玻 璃，可以改善以前诸多系统的不足之处，达到我们所期望的目标。在当今极力推崇绿色产品 的中国，其生产与发展必将受到国家有关产业政策的积极支持。由图lNa20-Al203-B203系统低熔点玻璃相图可知Na20-Al203和A1203_B203都不能 形成玻璃，只有在靠近Na20-B203的区域才能形成玻璃，并且通过添加A1203来改善玻璃的 结构及性能。玻璃主要组成为Na20含量0 70mol %，A1203含量0 37mol %，B203含量 26 100mol%，其它 R20(R20 为 Li20、K20)和 R0 (R0 为 MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO)含量 2 20mol%，其中B203是网络形成体，R20禾P R0为网络外体，A1203是网络中间体。所制玻璃样 品的组成基本相同，主要改变R20和R0的含量来改变玻璃的性能，最终确定最好的玻璃组 成。Na20-Al203-B203系统玻璃的制备过程和普通钠钙硅系统玻璃基本相似。首先参考 相关系统的玻璃形成区设计组成配方，选用相应系统的化学纯级试剂，准确称量后混合均 勻。然后放入置于电炉中的刚玉坩埚中进行熔制，然后浇铸成型、退火从而获得均勻、透明 的玻璃样品。a.图2为实验的工艺流程图b.实验注意事项(1)配合料均勻度> 95%(2)熔制温度1100 1280°C
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(3)加料次数2 4次(4)熔制时间10 40minNa20-Al203-B203系统玻璃一方面选定的系统无铅无镉，无毒不会污染环境，属于环 保型低熔点玻璃；另一方面此系统所采用的原料都是普通化工原料，原料的价格较低，适合 于工业化生产，而且玻璃熔制与普通钠钙硅系统玻璃基本相似。实施例低熔点玻璃应具有低的软化温度。物质熔化温度的降低和电子或阴离子对正电荷 的屏蔽程度有关。阴离子对阳离子的屏蔽在很大程度上决定了物质的结构及其性质，增大 阴离子与阳离子的比例也能改善阳离子的屏蔽程度，从而也降低物质的熔化温度。由此可 以得出决定玻璃易熔性的组分可以是某些重金属离子、含有18个或者更多电子的最外电 子层的离子、易形变的大离子和带小电荷的离子。在Na20-A1203_B203三元系统的玻璃中，Na20_Al203和A1203_B203都不能形成玻璃， 只有在靠近Na20-B203的区域才能形成玻璃，成玻范围是在Na20含量0 70mol %，A1203含 量0 37mol %，B203含量26 lOOmol %，并且通过添加A1203来改善玻璃的结构及性能。玻璃组成(wt%) :Na2019. 0，B20345. 4，A120327. 6，Li208. 0(添加 2wt% 3 -锂霞石 粉)通过上述工艺流程得出合格样品，并进行性能测定(1)测定Na20-Al203-B203系统玻璃在水溶液中的失重，评价Na20-Al203-B203系统玻 璃的化学稳定性。结果表明Na20-Al203-B203系统玻璃的化学稳定性较好，与传统含铅低熔 点玻璃较为接近。(2) Na20-Al203-B203系统玻璃的Tg范围均在300 430 °C之间，利用混合碱效 应可以明显降低玻璃的Tg点。通过“纽扣实验”测定了玻璃软化温度；测定了玻璃的热 膨胀系数，添加锂霞石的玻璃的膨胀系数降低的较为明显，膨胀系数由(90 115) X 10—7°C 降低至(76 100) X1(T7,C。(3)Na20-Al203-B203系统玻璃的成玻璃性能良好，并且在所研究的范围内，玻璃中 的硼主要以四面体的形式存在，铝是网络中间体，部分参与网络的形成，碱金属和碱土金属 以网络外体存在。(4)改变 R20/ (R20+Li20) (R = Na、K)或 R0/ (R0+Li20) (R = Ca、Mg、Zn、Ba、Sr)的 大小，即利用混合碱可实现对Na20-Al203-B203系统玻璃的化学稳定性、热膨胀系数以及玻璃 转变点(Tg)的调节。
权利要求
一种Na2O Al2O3 B2O3系统低熔点玻璃，其特征在于它的组成及摩尔百分比含量为Na2O含量0～70％，Al2O3含量0～37％，B2O3含量26～100％，R2O和RO含量2～20％，外加剂加2％β 锂霞石(质量百分比)。
2.根据权利要求1所述低熔点玻璃，其特征在于碱金属氧化物R2O为Li20、K20，二价金 属氧化物 RO 为 MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO。
3.根据权利要求1-2所述Na2O-Al2O3-B2O3系统低熔点玻璃的制备方法，其特征在于工 艺流程如下配料、研磨、熔制、急冷、浇铸、条状、测试或配料、研磨、熔制、急冷、压片、研磨、 过筛、粉状、测试。1)以纯碱，硼酸，氢氧化铝和碱金属碳酸盐和二价金属氧化物为原料，根据低熔点玻璃 氧化物配方摩尔百分数Na2O 0 70%,Al2O3O 37%,B20326 100%,R2O禾口 R02 ~ 20%, 外加剂锂霞石2% (质量百分比)，计算出原料的质量百分数，称量原料，混合均勻；2)将混合后的原料放入刚玉坩埚中，在1100 1280°C的温度下熔制，保温10 40min ；3)将熔制好的玻璃液浇注成型条状或压片后研磨呈粉状，进行性能测定。
4.根据权利要求1-3所述，得出Na2O-Al2O3-B2O3系统玻璃的化学稳定性较好，与传统含 铅低熔点玻璃较为接近。Tg范围均在300 430°C之间，利用混合碱效应可以明显降低玻 璃的Tg点。通过“纽扣实验”测定了玻璃软化温度；测定了玻璃的热膨胀系数，添加β-锂霞石的玻璃的膨胀系数降低的较为明显，膨胀系数由(90 115)X10_7°C降低至 (76 100) X1(T7/°C。
全文摘要
一种Na2O-Al2O3-B2O3系统低熔点玻璃。低熔点玻璃是作为一种焊料应用于真空技术和电子技术中，也应用于微电子学和半导体仪器仪表的无壳密封中。目前很多领域所采用的低熔点玻璃大多是含铅量均在70％左右的玻璃，而铅对人体具有强烈的毒性，且含铅玻璃的生产和使用后的废弃物，仍然可以给人体和自然界带来严重的伤害和污染。本发明Na2O-Al2O3-B2O3系统的低熔点玻璃主要组成为Na2O含量0～70mol％，Al2O3含量0～37mol％，B2O3含量26～100mol％，其它R2O(R2O为Li2O、K2O)和RO(RO为MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO)含量2～20mol％。
文档编号C03C3/14GK101993197SQ20091016235
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者周美茹, 张丽霞, 武丽华, 王宙, 郭志敏 申请人:河北建材职业技术学院