微晶玻璃的制备与应用

微晶玻璃的种类、制备及应用

摘要：微晶玻璃是一种由基础玻璃严格控制晶化行为而制成的微晶体和玻璃相均匀分布的材料。由于其机械强度高、热膨胀性可调、抗热震性好、耐化学腐蚀、介电损耗低、电绝缘性好等优越的综合性能，已在许多领域得到广泛的应用。本文分析了微晶玻璃在材料科学中的作用，并着重介绍了微晶玻璃的种类、制备方法及其应用。

关键词：微晶玻璃；种类；制备；应用

Type、preparation and application of glass ceramics

Abstract: microcrystalline glass is a kind of the base glass to strictly control the crystallization behavior and made of crystal and glass phase homogeneous distribution of materials. Because of its high mechanical strength, thermal expansion can be adjusted, good thermal shock resistance, chemical corrosion resistance, low dielectric loss, good insulation and excellent comprehensive properties, has been widely used in many fields. This paper analyses the role of microcrystalline glass in materials science, and emphatically introduces the category, glass ceramics and preparation method and application thereof.

Keywords: glass ceramics; species; preparation; application

一、引言

微晶玻璃是将加有晶核剂的特定组合的玻璃，在有控条件（一定温度）下进行晶化热处理，成为具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料。微晶玻璃由玻璃相与结晶相组成。两者的分布状况随其比例而变化：当玻璃相占的比例大时，玻璃相为连续的基体，晶相孤立地均匀地分布在其中；当玻璃相较少时，玻璃相分散在晶体网架之间，呈连续网状；当玻璃相数量很低，则玻璃相以薄膜状态分布在晶体之间。这种结构也决定了其机械强度高，绝缘性能优良，介电损耗少，介电常数稳定，热膨胀系数可在很大范围调节，耐化学腐蚀，耐磨，热稳定性好，使用温度高的良好性能。微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重优点，优于天石材和陶瓷，可用于建筑幕墙及室内高档装饰，还

可做机械上的结构材料，电子、电工上的绝缘材料，大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热列器皿、化工与防腐材料和矿山耐磨材料等等。是具有发展前途的21世纪的新型材料。

二、微晶玻璃在材料科学中的作用

微晶玻璃的出现不仅给我们提供了一种性能优越、应用广泛的新材料，而且给我们提供了玻璃晶化行为研究的新领域。不论是对玻璃晶化机理研究，还是对晶化过程控制研究都是极为重要的。对于这类基础研究来说，玻璃是一种非常适合的介质。因为液体的玻璃黏度很大，其中晶体生长的扩散过程和原子的重排都进行得很缓慢，而且温度的降低能使黏度急剧增加，因此快速冷却可以使析晶过程停止，从而实现对整个过程进行控制，便于我们制得所需性能的材料，这种性能特点对晶体材料的研究也具有价值。

微晶玻璃性能的可设计性，是其他许多材料所不可比拟的。微晶玻璃的性能是由晶相与玻璃相的化学组成以及它们的结构、分布和所占比例多少决定的。调整上述各种因素就可生产出各种预定性能的材料，其中晶相是最主要的影响因素。微晶玻璃能以极广的玻璃组成制成玻璃态，而且还能掺入多种物质，从而形成不同的主晶相，得到所需的性能。在几种主要系统微晶玻璃中，硅酸盐系统微晶玻璃可通过改变组分得到强介电性或强磁性材料；铝硅酸盐系统微晶玻璃中随着主晶相的改变可制得耐高温、低膨胀、高强度、耐磨的材料；硼酸盐和硼硅酸盐微晶玻璃可制备强磁性、耐腐蚀、膨胀系数可调、封接性好的材料。

具有可设计性能的微晶玻璃为功能材料的研制和发展提供了一个新的方向，而且研究微晶玻璃的晶相所取得的成果，对新型无机材料的研究也有很大的借鉴作用，如对研究高性能的压电陶瓷、接点陶瓷、介电陶瓷等新型材料、新型的非线性光学材料等就很有帮助。因为可使材料含有已知晶体的组合体，并且还有可能发展出全新的晶相，这对矿物学的研究具有十分重要的意义。

随着社会的发展和进步，新材料和高科技的发展都迫切需要研制与开发一系列新型材料。而随着微晶玻璃研究水平的发展，人们对微晶玻璃的性能和质量提出了更高的要求，于是具有一项或几项功能的新型功能微晶玻璃应运而生，正日益成为高新技术领域的生力军，成为材料科学研究的一个热点。

目前微晶玻璃正向着扩展材料的组成、调节微观结构和开拓新工艺等方向发展。目的是开发出具有更多优异性能与功能的新材料。在这一方面，过去的研究较多集中于传统的氧化物微晶玻璃，目前已开始研究开发新的氧化物系统，如含稀土元素氧化物、氧化物与非氧化物的混合型材料及非氧化物材料等，除通过改变组分外，也可采用控制微观结构的方法来获得所需要的性能。

微晶玻璃研究的另一个重要方面是对各种工业废渣和尾矿的利用，这对于保护生态

环境，降低产品成本意义重大。同时满足了材料科学的发展更注重生态和环保的要求，体现了以人为本的观念。因此，微晶玻璃对材料科学的发展具有极大的促进作用。

三、微晶玻璃的种类

微晶玻璃的组成在很大程度上决定着其结构和性能。按照其组成，微晶玻璃主要分为四类：硅酸盐微晶玻璃、铝硅酸盐微晶玻璃、氟硅酸盐微晶玻璃和磷酸盐微晶玻璃。

(一)硅酸盐微晶玻璃

简单硅酸盐微晶玻璃主要由碱金属和碱土金属的硅酸盐晶相组成，这些晶相的性能也决定了微晶玻璃的性能。研究最早的光敏微晶玻璃和矿渣微晶玻璃即属于这类微晶玻璃。光敏微晶玻璃中析出的主要晶相为二硅酸锂(Li2Si205)，这种晶体具有沿某些晶面或晶格方向生长而成的树枝状形貌，实质上是一种骨架结构。二硅酸钾晶体比玻璃基体更容易被氢氟酸腐蚀，基于这种独特的性能，光敏微晶玻璃可以进行酸刻蚀加工成图案尺寸精度高的电子器件，如磁头基板、射流元件等。矿渣微晶玻璃中析出的晶体主要为硅灰石(CaSiO3)和透辉石(CaMg(SiO3)2)。据研究，透辉石具有交织型结构，比硅灰石具有更高的强度、耐磨耐腐蚀性。采用工业废渣为原料制造的矿渣微晶玻璃不仅具有性能优异、成本低廉、用途广泛等优点，而且对于“三废”利用，综合治理环境污染等各方面都极为重要，因而引起了广大研究者的普遍重视。

(二)铝硅酸盐微晶破璃

铝硅酸盐微晶玻璃包括Li20-Al203-Si02系统、MgO-Al203-Si02系统Na20-Al203-Si02系统、ZnO-Al203-Si02系统

1.Li20-Al203-Si02系统

Li20-Al203-Si02系统是一个重要的系统，因为从这个系统可以得到低膨胀系数的微晶玻璃。当引入4％(TiO2+Zr02)作晶核剂时，玻璃中能够析出大量的钛酸锆晶核。在850 ℃左右热处理时，这些晶核上能够析出直径小于可见光(λ＜0.4 μm)的β-石英固熔体，这种超细晶粒结构使材料透明。由于这种微晶玻璃的膨胀系数低于7×10-7(0-500 ℃)，因此具有优良的抗热震性。β-石英是介稳的晶体，当晶化温度为1000-1200 ℃时就可转变为β-锂辉石。由于析出的晶粒尺寸为12 μm，材料不透明。β-锂辉石晶体本身有显著的热膨胀各向异性，必须在转变过程中控制晶粒的尺寸。

2.MgO-Al203-Si02系统