本发明涉及玻璃材料领域，具体涉及一种绿色高硬度耐热玻璃器皿及其制备方法。
背景技术：
1、在现代科学研究、实验室操作和工业生产等领域中，高硬度耐热玻璃器皿是不可或缺的实验工具。这些器皿具有出色的耐热性能和高硬度，可以承受高温、高压和强酸碱等极端条件下的使用，确保实验的准确性和安全性。在科学研究领域，高硬度耐热玻璃器皿被广泛应用于化学合成、物质分析、生物医学实验等实验过程中。在实验室操作中，高硬度耐热玻璃器皿对于承受高温和强酸碱溶液的要求尤为重要。在工业生产中，高硬度耐热玻璃器皿被广泛应用于化工、医药、食品等行业的生产过程中。综上所述，高硬度耐热玻璃器皿在科学研究、实验室操作和工业生产中扮演着重要的角色，其优异的耐热性能和高硬度可以满足各种极端条件下的使用需求，促进科学研究和工业生产的进展。
2、目前，高硬度和耐热玻璃器皿的发展已取得显著成果，但仍存在一些不足之处，主要体现在以下几个方面。(1)玻璃器皿的硬度仍然有待进一步提升，以满足更为苛刻的使用环境要求，如公开号为cn108083635a的中国专利公开了一种二氧化硅为基础的钢化玻璃，但由于玻璃中全部为非晶基体，这限制了其硬度的进一步提高。(2)耐热性能仍然有待提高，如公开号为cn110563331a的中国专利公开了一种高硼硅玻璃，主要利用硼氧化物提高其耐热性能，但仍然是基于玻璃本身的非晶基体，不存在其他增强耐热的微结构。因此，目前玻璃器皿在硬度和耐热性能等方面仍面临许多挑战。为了填补这一技术空白，有必要开发一种新型的玻璃器皿，同时具有高硬度和耐热性能，以满足高性能玻璃器皿的需求。
技术实现思路
1、（1）解决的技术问题
2、本发明的目的是提供一种绿色高硬度耐热玻璃器皿及其制备方法，解决目前玻璃器皿在硬度和耐热性能不足的问题。
3、（2）技术方案
4、为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
5、一种绿色高硬度耐热玻璃器皿，由以下原料按重量份数制成：二氧化硅55.0~72.0份、氧化钠8.0~18.0份、氧化铝 6.0~15.0份、氧化钾2.0~4.0份、氧化硼3.0~10.0份、氧化镁0.2~2.0份、氧化钙0.2~1.5份、氧化锌0.3~1.2份、氟硅酸钠7.0~15.0份、氧化铁0.6~2.0份、氧化铬0.2~1.0份、氧化钒0.1~0.4份、氧化锂0.2~0.4份和硅粉0.6~1.6份；
6、所述的绿色高硬度耐热玻璃器皿中含有体积分数为5~10%原位生长的fesi2纳米晶；
7、所述的fesi2纳米晶的平均直径为4~8nm；
8、所述的fesi2纳米晶中含有层错结构；
9、所述的绿色高硬度耐热玻璃器皿中含有体积分数为2~8%原位生长的al4b2o9纳米纤维；
10、所述的al4b2o9纳米纤维平均直径为200~550nm，长度为800~1500nm；
11、所述的绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法包括以下步骤：
12、s1：混料融化：按照上述比例称量原料，混合均匀后加入高温熔炼炉，高温融化原料；
13、s2：成型处理：将s1融化的原料通过离心或压制成型，获得成型制品；
14、s3：退火处理：将s2得到的成型制品进行退火处理；
15、s4：钢化处理：将s3退火后的成型制品冷却到室温，然后再进行钢化处理，最终得到一种绿色高硬度耐热玻璃器皿。
16、本发明旨在通过在玻璃器皿中设计并原位生长fesi2纳米晶，以显著提升其硬度和耐热性能。首先，fesi2由硅粉和氧化铁在高温下原位自生而成，fesi2纳米晶以其4~8nm的晶粒尺寸，增强了晶界面间的相互作用，从而大幅提高了材料的硬度。其原位生长的特性相较于外加纳米晶，带来了更强的界面相容性和结合强度，从而显著提升了玻璃器皿的硬度。此外，纳米晶内部含有的层错结构进一步提升了其硬度，对玻璃器皿的硬度增强起到了至关重要的作用。在耐热性能方面，原位生长的fesi2纳米晶同样表现出色。纳米晶与玻璃基体之间形成的牢固界面结合，不仅增强了器皿的整体强度和稳定性，还使其在高温环境下能够更好地应对热膨胀和冷却产生的应力，大大降低了破裂的风险。更值得一提的是，纳米晶内部的层错结构不仅增加了晶界的数量，增强了材料的强度和韧性，还在高温环境下较好的热稳定性。这使得玻璃器皿在高温环境中更加稳定，不易变形或破裂。综上所述，原位生长的fesi2纳米晶凭借其强大的界面结合力和独特的层错结构，显著提升了玻璃器皿的硬度和耐热性能。这一创新技术使得玻璃器皿在高温环境下的稳定性、耐久性和可靠性得到了显著提升，适用于各种高温应用场景。
17、本发明采用原位生长技术引入al4b2o9纳米纤维，旨在利用其独特的高长径比特性来显著优化和增强玻璃器皿的硬度和耐热性能，以下是纳米纤维高长径比对玻璃器皿性能的具体影响解析：在硬度增强方面，原位生长的al4b2o9纳米纤维凭借其高长径比，显著增强了与玻璃基体之间的结合强度。这种增强的结合力不仅有效抵御了外部力的作用，还能均匀分散应力，避免局部应力集中。同时，纳米纤维的小直径和高比表面积进一步促进了晶界之间的相互作用，从而大幅度提升了玻璃器皿的硬度。这使得玻璃器皿在抵抗划伤和磨损方面表现出色，极大地提高了其耐久性。在耐热性提升方面，al4b2o9纳米纤维的高长径比同样发挥了关键作用。其小直径和高比表面积有效减缓了热传导速度，使得玻璃器皿在高温环境下的热膨胀和热应力得到有效控制。这种减缓的热传导同时也减少了热量的快速损失，有助于维持玻璃器皿的形状稳定性。在高温环境中，纳米纤维显著降低了玻璃器皿的变形和破裂风险，极大地提升了其耐热性能。综上所述，al4b2o9纳米纤维的高长径比对玻璃器皿的硬度和耐热性能产生了深远影响。其增强的结合强度、分散应力和减缓热传导的能力使得玻璃器皿在硬度和耐热性方面表现出色，适用于各种高温、高压和机械磨损的严苛应用场景。因此，采用原位生长技术引入al4b2o9纳米纤维在提升玻璃器皿性能方面展现出了巨大的潜力和广阔的应用前景。
18、进一步，所述步骤s1高温融化温度为1450~1550℃ 。
19、进一步，所述步骤s3的退火温度为520~600℃ ，退火时间为40~90min。
20、进一步，所述步骤s4钢化处理过程中成型制品缓慢升温至590~630℃ ，升温速率为0.4~2℃ /min，保温时间为30~60min，然后强风快速冷却至室温，冷却速率为20~50℃/s。
21、进一步，所述步骤s4钢化处理后的玻璃器皿外观为绿色，表面莫氏硬度6.5~7.5级，耐热急变性≥150℃ 。
22、本发明对玻璃器皿先退火再钢化处理的目的在于增强玻璃器皿的强度、耐热性和安全性。退火处理的机理是通过加热玻璃器皿到一定温度，然后缓慢冷却，使内部应力得到释放和调整。在制造过程中，玻璃器皿经历了快速冷却的过程，导致内部分子结构不均匀，产生应力。这些内部应力会削弱玻璃的强度和耐热性。通过退火，玻璃器皿的分子结构重新排列，内部应力得到释放，从而提高了器皿的稳定性和耐热性。而钢化处理的机理是通过加热玻璃器皿到高温，然后迅速冷却，使表面形成压缩应力，而内部形成拉伸应力。这种应力分布使得玻璃器皿的强度得到增强。当有外力作用于玻璃器皿时，表面的压缩应力会对抗外力，使玻璃更难破碎。即使玻璃器皿破裂，内部的拉伸应力会使得玻璃碎片成小颗粒，减少了对使用者的伤害风险。综上所述，通过先进行退火处理来消除内部应力，再进行钢化处理来增强玻璃器皿的强度和耐热性，可以提高玻璃器皿的性能和安全性。这种处理方法不仅使玻璃器皿更耐用，能够承受更大的压力和温度变化，还能减少玻璃破碎时对使用者的伤害风险，提高其使用的可靠性和安全性。
23、(3)有益的技术效果
24、本发明针对玻璃器皿的硬度和耐热性能的提高提出了三种创新技术。首先，通过玻璃器皿中原位生长的fesi2纳米晶，显著提高了其硬度和耐热性能。纳米晶的4~8nm晶粒尺寸和原位生长特性增强了界面相容性和结合强度，层错结构进一步提升了硬度，使玻璃器皿在高温环境中表现稳定、耐久且可靠。其次，利用原位生长技术将al4b2o9纳米纤维引入玻璃器皿，其高长径比特性增强了与玻璃基体的结合强度，有效分散应力并提高硬度，同时减缓了热传导速度，控制热膨胀和热应力，使玻璃器皿在严苛环境下仍能保持卓越性能。最后，本发明采用先退火再钢化处理技术，通过退火释放和调整内部应力，提高稳定性与耐热性，而钢化处理则增强了器皿强度，并减少破碎时的伤害风险。这种处理方法显著提升了玻璃器皿的性能、可靠性和安全性，使其更耐用且能承受更大压力和温度变化。最后得到的玻璃器皿外观呈绿色，表面莫氏硬度达到6.5~7.5级，耐热急变性≥150℃ ，进一步证实了其优异的性能。
1.一种绿色高硬度耐热玻璃器皿，其特征在于，由以下原料按重量份数制成：二氧化硅55.0~72.0份、氧化钠8.0~18.0份、氧化铝 6.0~15.0份、氧化钾2.0~4.0份、氧化硼3.0~10.0份、氧化镁0.2~2.0份、氧化钙0.2~1.5份、氧化锌0.3~1.2份、氟硅酸钠7.0~15.0份、氧化铁0.6~2.0份、氧化铬0.2~1.0份、氧化钒0.1~0.4份、氧化锂0.2~0.4份和硅粉0.6~1.6份；
2.如权利要求1所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿，其特征在于，所述fesi2纳米晶的平均直径为4~8nm。
3.如权利要求1所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿，其特征在于，所述al4b2o9纳米纤维平均直径为200~550nm，长度为800~1500nm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法，其特征在于，所述s1高温融化温度为1450~1550℃ 。
6.如权利要求4所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法，其特征在于，所述s3的退火温度为520~600℃ ，退火时间为40~90min。
7.如权利要求4所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法，其特征在于，所述s4钢化处理过程中成型制品缓慢升温至590~630℃ ，升温速率为0.4~2℃ /min，保温时间为30~60min，然后快速冷却至室温，冷却速率为20~50℃/s。
8.如权利要求4所述的一种绿色高硬度耐热玻璃器皿的制备方法，其特征在于，所述s4钢化处理后的玻璃器皿表面莫氏硬度6.5~7.5级，耐热急变性≥150℃ 。
