结合中国专利申请分析微晶玻璃制造技术的发展和应用

吴宗璠

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京，100160）

微晶玻璃，又称玻璃陶瓷，通过向玻璃组分中添加晶核剂，并经过成核及晶化工艺，得到的含有微小晶体并且晶体之间紧密互联起来的一种多晶玻璃[1]。由于具有机械强度高、热膨胀系数可调、热稳定性好、化学稳定性好、低介电损耗、电绝缘性好的特点，微晶玻璃已经广泛应用于建筑材料、电子工业、化学工业、机械工业以及生物医学领域等领域[2-4]。

截止到2019 年，国内外申请人在中国提交的专利申请超过了3700 件。文对微晶玻璃制造技术在各相关领域的应用情况进行了分析和研究，以此了解目前微晶玻璃专利技术的研究热点以及布局情况。

1 微晶玻璃专利技术概况

通过分析微晶玻璃相关中国专利申请的申请人类型，申请量前五名的申请人中仅有一个是国内申请人，肖特、康宁、圣戈班等大型跨国企业排名靠前。国内申请人中，宁波大学申请量最多，其专利技术以稀土离子掺杂微晶玻璃为主。

2 微晶玻璃专利技术应用分析

2.1 微晶玻璃在建筑材料中的应用

通过调整热处理工艺，以及对微晶玻璃微观结构进行控制，微晶玻璃的弯曲强度可以达到350MPa，另外，微晶玻璃具有良好的耐磨性以及耐腐蚀性，使微晶玻璃可以用于制备建筑材料。2007 年秦皇岛玻璃工业研究设计院申请了一种薄型微晶玻璃墙面装饰板材（专利申请公开号：CN101412576 A），通过调整玻璃组成、晶核剂和微晶化工艺、选择超细纳米态高效晶核剂，在浮法锡槽内完成微晶化过程，从而在形成高强度微晶玻璃材料的同时，避免了板材的变形。2017 年康宁公司申请了一种屏蔽近红外的透明玻璃陶瓷（专利申请公开号：CN109311730 A），该玻璃陶瓷具有低的热膨胀系数，对于小于约360nm 波长的紫外辐射和约700nm 至约3000nm 波长的近红外辐射具有强烈的衰减或阻挡，可用于建筑元件。

2.2 微晶玻璃在电子工业中的应用

微晶玻璃的热膨胀系数可在较大范围中进行调整，其热膨胀系数范围为-38.7~160×10-7℃-1，即微晶玻璃可以实现负膨胀以及零热膨胀，使其可以用于需要对热膨胀系数进行控制的场景。另外，微晶玻璃具有低介电损耗、电绝缘性好的电学特性，使其能够应用于制备电子元器件。2008年南京工业大学申请了一种低温快速烧成高频低损耗玻璃陶（专利申请公开号：CN101298368 A），该在25MHz，介电常数低，介电损耗稳定在10-4数量级上；抗热冲击性好，经保温后，可直接室温快速冷却。2018 年河北省沙河玻璃技术研究院申请一种应用于5G 通信移动终端的微晶玻璃（专利申请公开号：CN108516681 A），该微晶玻璃可经化学强化后其具有优异的光学性能和力学性能，成形后的玻璃板经过磨抛后1mm 可见光透过率可达91%，晶化及化学强化后表面应力达850MPa 以上，维氏硬度可达7.3GPa 以上，可用于电子终端显示保护屏和后盖保护壳。

2.3 微晶玻璃在化学工业中的应用

微晶玻璃具有很好的化学稳定性，能够较好地抵抗化学侵蚀，使其能够应用于化工产业中的反应容器或者管道等领域。2000 年清华大学申请了一种耐蚀、耐磨微晶玻璃内衬复合钢管（专利申请公开号：CN1288978 A），该复合钢管具有钢管+金属中间层+微晶玻璃的三层结构，由于内衬微晶玻璃层中无明显裂纹，气孔均为分散的封闭小孔，因而其耐蚀性优良。2012 年中国科学院过程工程研究所申请了一种利用花岗石废料制备的高强耐磨工程微晶玻璃（专利申请公开号：CN102942303 A），该微晶玻璃由花岗石废料、辅助原料及助熔澄清剂制备而成，抗折强度最大能够达到103.5MPa，抗压强度最大能够达到903.0MPa，莫氏硬度最高能够达8 级，耐磨性能够达0.063g/cm2，可用于化工冶金行业耐酸碱腐蚀容器的内衬。

2.4 微晶玻璃在机械工业中的应用

微晶玻璃具有比普通玻璃高得多的硬度，以及良好的耐磨性，这使得微晶玻璃可以用于需要高硬度以及耐磨性的机械零件制造领域。2007 年山东建筑大学材料科学研究所申请了一种异形可加工玻璃陶瓷（专利申请公开号：CN101209892 A），通过特定的热处理工艺，析晶完成后玻璃陶瓷材料不仅形状和性能的稳定，而且也能保证其具有可加工性，可用于制备形状复杂的构件。2018 年辽宁红山玉科技有限公司申请了一种耐腐蚀微晶玻璃托辊结构（专利申请公告号：CN208775860U），通过在轴承座上设置微晶玻璃层，使其覆盖在辊筒和轴承座之间的配合界面上，从而防止了被其覆盖的部位发生锈蚀，使轴承座和滚筒配合界面紧密贴合，保证了位于滚筒两端的轴承座的同轴状。

2.5 微晶玻璃在生物医学中的应用

含有磷灰石的微晶玻璃同时具备可切削性和生物活性，使其可以用于生物医疗领域。1988 年中国科学院上海硅酸盐研究所申请了一种生物微晶玻璃（专利申请公开号：CN1035999 A），该生物微晶玻璃材料由SiO2-Al2O3-MgO-MgF2-CaOP2O5-F-TiO2组成，既具有很好的机械加工性能，又具有优良的生物相容性和生物活性、较高的强度，可用于口腔外颌骨、种植牙，脑外科部位补缺以及各种人工骨。2011 年华南理工大学申请了一种高生物活性的可切削微晶玻璃材料（专利申请公开号：CN102432182 A），该微晶玻璃的晶体部分，一种是晶化产生的氟金云母晶体，提供材料有效的可切削性能，另一种是提前晶化好的羟基磷灰石晶体，相比现有可切削生物活性微晶玻璃中析出的氟磷灰石，羟基磷灰石更接近人体骨骼的无机成分，生物活性更好，可以应用于生物医用材料领域。

3 结语

从以上列举出的微晶玻璃制造技术相关专利看出，微晶玻璃在建筑材料、化学工业、机械工业、电子工业以及生物医学领域等领域有着广泛的应用。其中，以建筑材料与电子工业相关的专利申请占比最大。国外申请人以大型跨国公司为主，国内申请人以高校、科研院所为主。可以看出，国外微晶玻璃相关技术均处于较为成熟的工业化阶段，而国内微晶玻璃技术则主要处于技术研发阶段，距离实现大规模工业生产还有一段距离。

在专利技术研发以及布局方面，国内微晶玻璃生产企业除了提高自身在相关技术的研发投入以外，也可以与国内在微晶玻璃方面已经取得较多技术成果的高校以及科研院所合作，在较短时间内实现将微晶玻璃技术进行工业化，缩短与国外大型跨国公司的差距，并争取在个别领域有所突破，实现技术上的超越。