[發(fā)明專利]納米微晶玻璃－陶瓷及其制造方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580019898.6
• 申請日: 2005-06-13
• 公開（公告）號: CN101065814A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: M·J·德內(nèi)卡;C·L·鮑威爾
• 申請（專利權(quán)）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: H01F1/37
• 分類號: H01F1/37
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司
• 代理人: 顧敏

相關(guān)申請

本申請根據(jù)35U.S.C119(e)要求在2004年6月16日提交的美國臨時(shí)申請60/580,062的利益或優(yōu)先權(quán)。

發(fā)明的背景

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明大體上涉及玻璃-陶瓷組合物的制造，尤其是涉及注入鐵氧體(ferrite)的磁性和/或透明的玻璃-陶瓷材料。

技術(shù)背景

鐵氧體或含有鐵氧體的材料在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，例如作為電子和電磁組分、催化劑和吸附劑以及理療。透光的磁性材料對于無源和有源的電光和磁光器件如絕緣體、磁光存儲(chǔ)介質(zhì)和電光開關(guān)應(yīng)用是特別有意義的。

在大約四十年前就發(fā)現(xiàn)并表征了第一磁性玻璃-陶瓷，其例子例如有六邊形的六鐵氧體和后來報(bào)道的立方尖晶石鐵氧體玻璃-陶瓷。

電光和磁光應(yīng)用(尤其是在許多光通訊應(yīng)用中使用的近紅外波譜)需要透明度，常規(guī)的鐵氧體材料由于兼有大晶粒散射和Fe²⁺吸收而缺少所需的透明度。為控制玻璃-陶瓷中晶粒尺寸所作的工作包括使用成核劑、改變組成以及熱處理。然而，玻璃必須在高于液相線溫度時(shí)熔化，F(xiàn)e含量越高，則液相線溫度就越高(對于大多數(shù)含有鐵氧體的硅酸鹽來說其高于1000℃)。同樣，由于Fe²⁺/Fe³⁺之比隨溫度呈指數(shù)增加，在溶解氧化鐵所需的高溫下部分Fe²⁺通常會(huì)留在玻璃中。由于玻璃-陶瓷必須驟冷以避免自發(fā)的反玻璃化，因此大部分的Fe²⁺將留存，導(dǎo)致強(qiáng)的紅外吸收。這樣，工業(yè)上有意義的光學(xué)應(yīng)用通常就被局限于使用單晶的器件，所述單晶本身是昂貴的并且在組成上受到限制。

常規(guī)的結(jié)晶鐵氧體材料還具有較低的有用表面積，這就顯著地限制了其作為催化劑使用時(shí)的功能性。

從以上內(nèi)容可以看出，希望制造這樣一種玻璃-陶瓷材料，其具有大體上均勻的納米結(jié)晶鐵氧體分布或受控晶粒尺寸的含F(xiàn)e摻雜劑的分布。還希望使用顯示出磁性和/或?qū)t外光譜呈透明性的堿金屬、堿土金屬或過渡金屬鐵氧體來形成這樣的玻璃-陶瓷組合物。

發(fā)明的概述

本發(fā)明涉及具有磁性并且在800至2600納米波長的消光性(extinction)小于20dB/mm的玻璃-陶瓷材料，本發(fā)明還涉及這種材料的制造方法。在一種制造這種材料的較好方法中，在納米多孔玻璃基體中注入或滲入用于最終玻璃-陶瓷組合物結(jié)晶相的摻雜劑前體。然后較好使摻雜劑前體干燥，使所述前體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并燒制成固結(jié)的(consolidated)玻璃-陶瓷材料，該材料是磁性的并且對于近紅外光譜波長的光是光學(xué)透明的。玻璃基體的孔大小限制了晶粒結(jié)構(gòu)在玻璃-陶瓷中的生長。所述晶粒摻雜劑以流體形式，例如水溶液、有機(jī)溶劑溶液或熔融鹽，滲入多孔玻璃基體。所述干燥步驟在較低的溫度下進(jìn)行，所述化學(xué)反應(yīng)步驟在中等或中間的溫度下進(jìn)行，而固結(jié)則在相對于該方法的各步驟溫度而言更高的溫度下進(jìn)行。化學(xué)反應(yīng)步驟可以包括鹽的分解、還原或氧化反應(yīng)和其它用于將前體轉(zhuǎn)變成所需結(jié)晶相的反應(yīng)。

使用含F(xiàn)e摻雜劑制得的玻璃-陶瓷可以包括尖晶石鐵氧體納米晶體(nanocrystal)，所述納米晶體顯示出鐵磁性和超順磁性的特性，視初始組成和燒制溫度而異。通過防止形成Fe²⁺的氧化條件獲得在近紅外光譜處的光學(xué)透明性，而玻璃基體的孔大小確保了納米大小的晶粒以進(jìn)一步限制散射損失。

與現(xiàn)有技術(shù)報(bào)道的方法相比，使用硝酸鹽前體可以獲得高兩個(gè)數(shù)量級(即100倍)或更高的磁性，所述現(xiàn)有技術(shù)方法將Fe(CO)₅載入多孔玻璃中并在熱處理后在玻璃中光解以獲得超順磁性和亞鐵磁性的顆粒，或使用溶膠-凝膠法獲得鐵氧體納米復(fù)合物。

附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明制造玻璃-陶瓷材料的方法各步驟的流程圖；

圖2是本發(fā)明制得的玻璃-陶瓷材料經(jīng)選擇的MnFe₂O₄摻雜樣品的磁滯回線圖；

圖3是本發(fā)明制得的玻璃-陶瓷材料的1.5摩爾BaFe₁₂O₁₉摻雜樣品的磁滯回線圖；

圖4是本發(fā)明制得的玻璃-陶瓷材料的1.5摩爾CoFe₂O₄摻雜樣品的磁滯回線圖；

圖5是本發(fā)明制得的玻璃-陶瓷材料的1.5摩爾CuFe₂O₄摻雜樣品的磁滯回線圖；