一种制备翡翠微晶玻璃的方法与流程

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种制备翡翠微晶玻璃的方法。

背景技术：

微晶玻璃也称微晶玉石或陶瓷玻璃，与普通玻璃内部的原子排列没有规则不同，微晶玻璃是特定组成的基础玻璃，在一定温度下进行晶化热处理，玻璃内均匀地析出大量的微小晶体，形成致密的微晶相和玻璃相的多相复合体，它具有玻璃和陶瓷的双重特性。这使得微晶玻璃集中了多种优良性能，如：1）强度高，机械强度好；2）具有优良的电学性能，介电损耗率低，电绝缘性优良；3）具有良好的热学性能，热膨胀系数低，热振稳定性能好，变形温度高；4）具有更加稳定的化学性能，抗水合，抗水化能力，抗阳离子交换能力；5）加工性能好，可与众多材料匹配等。目前已经在许多领域获得了广泛应用。微晶玻璃根据基础玻璃的组成进行分类，主要分为硅酸盐类[camgsi2o6和casio3]、铝硅酸盐类[lio2-al2o3-sio2系、al2o3-mgo-sio2系、na2o-al2o3-sio2系、zno-al2o3-sio2系]、磷酸盐类和氟硅酸盐类[kmg3alsi3o10f2]四大类，随着科技的进步和人们对功能材料的要求不断提高，需要组分更复杂、结构更精细、性能更优异的微晶玻璃材料。

翡翠微晶玻璃是na2o-al2o3-sio2系微晶玻璃的一种，其na2o-al2o3-sio2玻璃基体的微晶相是翡翠微晶（naal(sio3)2）。天然翡翠是链状变晶结构的硅酸盐，出自于变质岩层中，隶属于辉石类，它是单斜晶系，属于c2/c空间群，其中a=9.418å，b=8.562å，c=5.219å，β=107.58°，原子间距为：si-o键距离（si-o=1.623å）、al-o键距离（al-o=1.928å）和na-o键距离（na-o=2.469å）。翡翠的典型链状硅酸盐，用一条延伸的链将硅氧四面体的两个顶角与其相邻的两个硅氧四面体进行连接，在交替排列的不同链之间，经过金属离子（na⁺、al³⁺）连接。目前报道的翡翠微晶玻璃还在实验室的研制阶段，尚未商业化生产。

微晶玻璃的制备技术主要有熔融法、烧结法、溶胶-凝胶法等，甚至还有近年来发展起来的氢氧焰喷涂技术，化学催化等方法。微晶玻璃综合性能受控于三要素：基础玻璃的组成、晶粒尺寸及其数量、残余玻璃相的性质及其体积分数。微晶玻璃的晶相种类由基础玻璃的组成决定，热处理温度决定后两种因素。通过设计不同的基础玻璃组成，制定不同的热处理温度，可以得到不同晶相种类、特定性能的微晶玻璃。翡翠微晶玻璃制备的主要问题是热处理工艺，其玻璃基体中晶化形成翡翠微晶困难。

研制有商业价值的翡翠微晶玻璃，探索翡翠非晶质玻璃体向晶体结构转化的条件和处理工艺，不仅有装饰价值、文化价值，也有商业价值和科研价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种工艺简单且成本低廉的制备翡翠微晶玻璃的方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种制备翡翠微晶玻璃的方法，其特征在于具体步骤为：

步骤s1：反应初始料的制备

以硅酸铝纤维（al2o3+sio2，成分质量比al2o3：sio2=48：50）、硅酸h2sio3、碳酸钠na2co3为原料，按翡翠naalsi2o6的分子式中各元素的理论质量分数配比分别称量，将称量的硅酸铝纤维和硅酸进行粉碎、混合，之后与用去离子水溶解的碳酸钠溶液进行混合，搅拌使其混合充分均匀，再将混合物置于马弗炉中于160℃保温2h后取出，将块料进行粉碎、研磨、压块，完成制备初始料；

步骤s2：第一次烧结

将压块后的初始料放入坩埚中在高温炉中进行烧结处理，烧结条件为：升温速率5℃/min，在1080℃保温300min后冷却至常温，待冷却后取出；

步骤s3：第二次烧结

将第一次烧结产物取出，再进行粉碎、研磨、压块后放入高温炉中进行烧结处理，烧结条件为：升温速率5℃/min，在1080℃保温300min后冷却至室温，待冷却后取出样品，完成翡翠微晶玻璃的制备。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明为采用高温常压制备翡翠微晶玻璃开发出一种全新的工艺；原料使用硅酸铝纤维除了提供al、si、o元素源外，还作为形成结晶物的骨架，硅酸和碳酸钠围绕其反应，致使形成球状枝晶，实现了常压下的naalsi2o6晶化；常压条件制备有效解决了传统的需要高温高压实现翡翠结晶制备的方法，降低了制备条件要求和制备成本。

附图说明

图1是本发明实施例制备样品的光学照片；

图2是本发明实施例制备样品显微镜下的光学照片(a)10倍、(b)40倍；

图3是本发明实施例制备样品的xrd图；

图4是本发明实施例制备样品的sem图；

图5是本发明实施例制备样品的tem图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

以硅酸铝纤维(型号：sygx-311，成分质量比al2o3：sio2=48：50)，硅酸(h2sio3)，碳酸钠(na2co3)为原料，按翡翠(naalsi2o6)的分子式中各元素的理论质量分数配比进行称量，高温常压固相烧结法合成翡翠样品采用如下技术和具体步骤为：

（1）反应初始料的制备

首先把硅酸铝纤维和硅酸进行粉碎、混合，之后与用去离子水溶解的碳酸钠溶液进行混合，搅拌使其混合充分均匀，再将混合物置于马弗炉中于160℃保温2h后取出，将块料进行粉碎、研磨、压块，完成制备初始料；

（2）第一次烧结

将压块后的初始料放入坩埚中在高温炉中进行烧结制备，烧结条件为：升温速率5℃/min，在1080℃保温300min后冷却至常温，待冷却后取出；

（3）第二次烧结

将第一次烧结产物取出，再进行粉碎、研磨、压块后再放入高温炉中进行烧结，烧结条件为：升温速率5℃/min，在1080℃保温300min后冷却至室温，待冷却后取出样品，完成制备。

对制备产物的测试，图1是本发明实施例制备样品的光学照片，可见样品整体均匀，半透明，有玻璃光泽，葱绿色（颜色可能是原料中含有杂质fe、cr、pb等元素引起）。图2是制备样品在显微镜下的光学照片(a)10倍、(b)40倍，从显微镜下观看样品形成如雪花状的枝晶结构。图3是本发明实施例制备样品的xrd谱，图3中的（1）是初始料第一次烧结所得产物的xrd图谱，可以看出样品有大量的非晶态，也有naalsi2o6的衍射峰，图3中的（2）是第二次烧结样品的表面层的xrd图谱，可见本专利制备样品仍有大量非晶态玻璃体的存在，图3中的（3）是第二次烧结样品的芯部xrd图谱，可以看到仍有较多的非晶态，但是naalsi2o6晶态衍射峰更强。对制备样品的其他物理性能进行测量，测得折射率约为1.61、密度为2.86g/cm³、莫氏硬度约为5.9。结合以上分析制备样品含有大量非晶态，原料使用硅酸铝纤维除了提供al、si、o元素源外，还作为形成结晶物的骨架，硅酸和碳酸钠围绕其反应，致使形成球状枝晶，这一点也可由图4本发明实施例制备样品的sem图佐证，从图4微观上可见枝晶结构特性，材料上存在大量孔洞这是制备样品密度和硬度较低的原因。图5是本发明实施例制备样品的tem图，可以看到有不规则的杂乱晶粒存在，也证明了xrd图谱分析结果，说明制备产物是翡翠晶体与玻璃体的混合物。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。