結合中國專利申請分析微晶玻璃制造技術的發展和應用

吳宗璠

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京，100160）

微晶玻璃，又稱玻璃陶瓷，通過向玻璃組分中添加晶核劑，并經過成核及晶化工藝，得到的含有微小晶體并且晶體之間緊密互聯起來的一種多晶玻璃[1]。由于具有機械強度高、熱膨脹系數可調、熱穩定性好、化學穩定性好、低介電損耗、電絕緣性好的特點，微晶玻璃已經廣泛應用于建筑材料、電子工業、化學工業、機械工業以及生物醫學領域等領域[2-4]。

截止到2019 年，國內外申請人在中國提交的專利申請超過了3700 件。文對微晶玻璃制造技術在各相關領域的應用情況進行了分析和研究，以此了解目前微晶玻璃專利技術的研究熱點以及布局情況。

1 微晶玻璃專利技術概況

通過分析微晶玻璃相關中國專利申請的申請人類型，申請量前五名的申請人中僅有一個是國內申請人，肖特、康寧、圣戈班等大型跨國企業排名靠前。國內申請人中，寧波大學申請量最多，其專利技術以稀土離子摻雜微晶玻璃為主。

2 微晶玻璃專利技術應用分析

2.1 微晶玻璃在建筑材料中的應用

通過調整熱處理工藝，以及對微晶玻璃微觀結構進行控制，微晶玻璃的彎曲強度可以達到350MPa，另外，微晶玻璃具有良好的耐磨性以及耐腐蝕性，使微晶玻璃可以用于制備建筑材料。2007 年秦皇島玻璃工業研究設計院申請了一種薄型微晶玻璃墻面裝飾板材（專利申請公開號：CN101412576 A），通過調整玻璃組成、晶核劑和微晶化工藝、選擇超細納米態高效晶核劑，在浮法錫槽內完成微晶化過程，從而在形成高強度微晶玻璃材料的同時，避免了板材的變形。2017 年康寧公司申請了一種屏蔽近紅外的透明玻璃陶瓷（專利申請公開號：CN109311730 A），該玻璃陶瓷具有低的熱膨脹系數，對于小于約360nm 波長的紫外輻射和約700nm 至約3000nm 波長的近紅外輻射具有強烈的衰減或阻擋，可用于建筑元件。

2.2 微晶玻璃在電子工業中的應用

微晶玻璃的熱膨脹系數可在較大范圍中進行調整，其熱膨脹系數范圍為-38.7~160×10-7℃-1，即微晶玻璃可以實現負膨脹以及零熱膨脹，使其可以用于需要對熱膨脹系數進行控制的場景。另外，微晶玻璃具有低介電損耗、電絕緣性好的電學特性，使其能夠應用于制備電子元器件。2008年南京工業大學申請了一種低溫快速燒成高頻低損耗玻璃陶（專利申請公開號：CN101298368 A），該在25MHz，介電常數低，介電損耗穩定在10-4數量級上；抗熱沖擊性好，經保溫后，可直接室溫快速冷卻。2018 年河北省沙河玻璃技術研究院申請一種應用于5G 通信移動終端的微晶玻璃（專利申請公開號：CN108516681 A），該微晶玻璃可經化學強化后其具有優異的光學性能和力學性能，成形后的玻璃板經過磨拋后1mm 可見光透過率可達91%，晶化及化學強化后表面應力達850MPa 以上，維氏硬度可達7.3GPa 以上，可用于電子終端顯示保護屏和后蓋保護殼。

2.3 微晶玻璃在化學工業中的應用

微晶玻璃具有很好的化學穩定性，能夠較好地抵抗化學侵蝕，使其能夠應用于化工產業中的反應容器或者管道等領域。2000 年清華大學申請了一種耐蝕、耐磨微晶玻璃內襯復合鋼管（專利申請公開號：CN1288978 A），該復合鋼管具有鋼管+金屬中間層+微晶玻璃的三層結構，由于內襯微晶玻璃層中無明顯裂紋，氣孔均為分散的封閉小孔，因而其耐蝕性優良。2012 年中國科學院過程工程研究所申請了一種利用花崗石廢料制備的高強耐磨工程微晶玻璃（專利申請公開號：CN102942303 A），該微晶玻璃由花崗石廢料、輔助原料及助熔澄清劑制備而成，抗折強度最大能夠達到103.5MPa，抗壓強度最大能夠達到903.0MPa，莫氏硬度最高能夠達8 級，耐磨性能夠達0.063g/cm2，可用于化工冶金行業耐酸堿腐蝕容器的內襯。

2.4 微晶玻璃在機械工業中的應用

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，這使得微晶玻璃可以用于需要高硬度以及耐磨性的機械零件制造領域。2007 年山東建筑大學材料科學研究所申請了一種異形可加工玻璃陶瓷（專利申請公開號：CN101209892 A），通過特定的熱處理工藝，析晶完成后玻璃陶瓷材料不僅形狀和性能的穩定，而且也能保證其具有可加工性，可用于制備形狀復雜的構件。2018 年遼寧紅山玉科技有限公司申請了一種耐腐蝕微晶玻璃托輥結構（專利申請公告號：CN208775860U），通過在軸承座上設置微晶玻璃層，使其覆蓋在輥筒和軸承座之間的配合界面上，從而防止了被其覆蓋的部位發生銹蝕，使軸承座和滾筒配合界面緊密貼合，保證了位于滾筒兩端的軸承座的同軸狀。

2.5 微晶玻璃在生物醫學中的應用

含有磷灰石的微晶玻璃同時具備可切削性和生物活性，使其可以用于生物醫療領域。1988 年中國科學院上海硅酸鹽研究所申請了一種生物微晶玻璃（專利申請公開號：CN1035999 A），該生物微晶玻璃材料由SiO2-Al2O3-MgO-MgF2-CaOP2O5-F-TiO2組成，既具有很好的機械加工性能，又具有優良的生物相容性和生物活性、較高的強度，可用于口腔外頜骨、種植牙，腦外科部位補缺以及各種人工骨。2011 年華南理工大學申請了一種高生物活性的可切削微晶玻璃材料（專利申請公開號：CN102432182 A），該微晶玻璃的晶體部分，一種是晶化產生的氟金云母晶體，提供材料有效的可切削性能，另一種是提前晶化好的羥基磷灰石晶體，相比現有可切削生物活性微晶玻璃中析出的氟磷灰石，羥基磷灰石更接近人體骨骼的無機成分，生物活性更好，可以應用于生物醫用材料領域。

3 結語

從以上列舉出的微晶玻璃制造技術相關專利看出，微晶玻璃在建筑材料、化學工業、機械工業、電子工業以及生物醫學領域等領域有著廣泛的應用。其中，以建筑材料與電子工業相關的專利申請占比最大。國外申請人以大型跨國公司為主，國內申請人以高校、科研院所為主。可以看出，國外微晶玻璃相關技術均處于較為成熟的工業化階段，而國內微晶玻璃技術則主要處于技術研發階段，距離實現大規模工業生產還有一段距離。

在專利技術研發以及布局方面，國內微晶玻璃生產企業除了提高自身在相關技術的研發投入以外，也可以與國內在微晶玻璃方面已經取得較多技術成果的高校以及科研院所合作，在較短時間內實現將微晶玻璃技術進行工業化，縮短與國外大型跨國公司的差距，并爭取在個別領域有所突破，實現技術上的超越。