微晶陶瓷

微晶陶瓷
微晶陶瓷一种导热高、不膨胀的新颖陶瓷材料.微晶陶瓷种类繁多主要有七类。

微晶陶瓷具有机械强度高、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、电学性质优良、膨胀系数可调、热稳定性好等优良性能。

一种导热高、不膨胀的新颖陶瓷材料.该陶瓷材料具有热导率高和热膨胀系数接近于零，不吸水，绝缘性能好，产品结构致密均匀，抗冲击、耐磨与耐腐蚀等优良性能，外观平滑光亮，有较高的远红外发射率等特征。

1.前言
十八世纪法国化学家鲁米汝尔曾设想用玻璃制备多晶材料,直到二十世纪五十年代才由美国康宁公司实现。

由于微晶陶瓷材料具有优良的力学、电学、磁学、光学等性能,且简单的制备工艺技术、廉价的原材料和低的制造成本，以及能工业化大规模生产的优势，不失为一种高性能低价位、应用市场广阔的新型陶瓷材料，已成为新型陶瓷材料开发应用的热点之一。

2.微晶陶瓷及其类型
微晶陶瓷的种类繁多，如按照功能相不同进行分类，主要有以下七类。

2.1金属单质微晶陶瓷传统的该类微晶陶瓷的典型是光敏微晶陶瓷，如用溶胶-凝胶法将金属单质Au、Ag等在SiO2玻璃中均匀析出形成的具有复相结构的材料，却具有独特的光学性能和半导体特性，其在压敏、气敏、湿敏等领域具有广泛的潜在应用。

2.2氧化物半导体微晶陶瓷以氧化物半导体如FeO、CdO、ZnO等过渡金属氧化物与玻璃形成的复相结构，通常具有良好的电性能，这类材料在电压敏等方面有着广阔的应用前景。

2.3 化合物半导体微晶陶瓷以PbS，CdS，CdTe，Zn（1-x）Cd xS等II-IV族化合物，以及AlP等III-V族化合物半导体与玻璃复合形成的一类新型精细复合功能材料，在非线性光学、光致发光等领域具有优良的性能和良好的应用前景。

2.4铁电微晶陶瓷早在上世纪六十年代，人们就采用熔融工艺研究铁电微晶陶瓷，主要包括PbTiO3、BaTiO3、NaNbO3等体系。

这些材料具有良好的介电频率和介电温度特性，它对研究铁电体尺寸效应，对制备高性能电介质材料和微电子厚膜浆料等方面具有重要的理论和实用价值。

2.5 铁磁微晶陶瓷该类由BiFeO3、MnFe2O4、ZnFe2O4等铁磁相和玻璃相复合制备而成。

对铁磁性微晶陶瓷传统工艺已有广泛的研究，铁磁微晶陶瓷材料在磁光控制、吸波材料、微波器件等具有重要的应用价值。

2.6生物微晶陶瓷将有生物活性的功能晶相(如羟基磷灰石等)与玻璃相复合;或将生物酶与玻璃相复合形成生物复相微晶陶瓷，使无机界与生物界联系起来，开辟了一个全新的新材料领域。

2.7光学微晶陶瓷将光变色晶相与玻璃复合形成的光致变色微晶陶瓷，甚至将光变色染料、激光染料等有机功能相与玻璃相复合，形成性能优良的非线性光学材料。

3.微晶陶瓷的制备技术
3.1熔融法最早的微晶陶瓷是用熔融法制备的，至今熔融法仍然是制备微晶陶瓷的主要方法。

其工艺流程为：在原料中加入一定量的晶核剂(如ZrO2，CuO，Cr2O3等)并混合均匀，于1300～1500℃高温下熔制，均化后将玻璃熔体成型，经退火后在一定温度下进行核化和晶化，以获得晶粒细小且结构均匀的微晶陶瓷制品。

熔融法的最大特点是可沿用任何一种玻璃的成型方法，如压延、压制、吹制拉制、浇注等;与通常的陶瓷成型工艺相比，适合自动化操作和制备形状复杂、尺寸精确的制品。

3.2烧结法烧结法制备微晶陶瓷的工艺流程如下为：配料→熔制→水淬→粉碎→过筛→成型→烧结→加工。

烧结法制备微晶陶瓷不需要通过玻璃形成阶段，因此适于高温熔制的玻璃以及难以形成玻璃的微晶陶瓷的制备，如高温微晶陶瓷材料等。

用该法制备的微晶陶瓷中可存在含量较高的氧化锆、莫来石、尖晶石等耐高温晶相。

如将MgO-Al2O3-SiO2系统玻璃粉碎后与方镁石混合烧结，形成莫来石质微晶陶瓷，耐温高达 1250℃。

此外，烧结法还有一个显著的特点，即玻璃经过水淬后，颗粒细小，比表面积增加，比熔融法制得的玻璃更易于晶化，因而有时可以不使用晶核剂，也可以制备出性能良好的微晶陶瓷材料。

烧结法制备的微晶陶瓷主要集中在CaO-Al2O3-SiO2，Li2O-Al2O3-SiO2，MgO- Al2O3-SiO2，等系统。

3.3溶胶-凝胶法最早是用来制备玻璃的，但近十多年来，一直是玻璃与陶瓷等先进材料制备技术的研究热点。

溶胶-凝胶法的主要优点是：(1)可以得到均质高纯材料;(2)可防止某些组分挥发并减少污染;(3)其制备温度比传统方法低得多，(4)可扩展组成范围，制备传统方法无法制备的材料，如不能形成玻璃的系统和具有高液相组成的微晶陶瓷。

用溶胶-凝胶法制备的微晶陶瓷主要为具有高温、高强、高韧性以及其它特殊性能的高新技术材料。

3.4强韧化技术为了获得力学性能优良的材料，可在微晶陶瓷制备过程中采用一些特珠工艺，如表面涂层和离子交换法等工艺方法。

其中表面涂层适用于高膨胀系数的微晶陶瓷，强化后的材料强度可提高3～5倍，对于低膨胀的微晶陶瓷，一般采用离子交换法。

微晶陶瓷的微观结构对材料的力学性能有很大影响，采用热挤压、温度梯度等方法使晶体定向生长，可大幅度提高力学性能。

此外，还可以在微晶陶瓷中加入高强度的纤维或晶须制成高强度的复合材料。

4.微晶陶瓷的性能与用途
微晶陶瓷集中了多种优良性能，如机械强度高、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、电学性质优良、膨胀系数可调、热稳定性好等，不仅适于代替传统材料以获得更好的经济效益和改善工作条件，而且开辟了一个没有替代材料可以满足其技术要求的全新领域，从而在许多领域获得了广泛的应用。

4.1航天工业利用其强度高，质轻及优良的热学性能，可用作飞机、人造地球卫星等的结构材料，如高速飞机的机翼前缘、喷气式发动机喷嘴、主晶相为堇青石，通过浇注法制造的雷达天线罩已被广泛应用。

4.2建筑装饰微晶陶瓷强度高、化学稳定性好，已经广泛用于建筑物的装饰领域。

如微晶陶瓷玻化砖是在玻化瓷的表面复合一层微晶陶瓷的新型复合建筑材料，在机械强度、不吸污(吸水率为零，不会被茶、颜料和油污所污染)、白度、光泽度、耐化学试剂侵蚀、耐磨、耐腐蚀、放射性、热膨胀系数和热稳定性等方面远远优于普通陶瓷玻化砖，从而得到广泛的应用。

4.3机械工业微晶陶瓷具有良好的机械性能且能获得极光滑的表面，适用于作轴承;利用其强度高、耐磨性好的特点，可取代钢材制造斜槽、球磨机内衬以及研磨体;另外，还可制造特种切削工具、离合器、旋转叶片、活塞头等。

4.4电力电子工业微晶陶瓷的膨胀系数可在很大范围内变化，能与金属很好地焊接在一起;它的电性能优良以及在高温下尺寸稳定，能用于制造各种类型的绝缘体、电路板、整流罩、电容器、滤波器和混频器等。

4.5化工领域微晶陶瓷的化学稳定性好，耐磨，被用于制造输送腐蚀性液体的管道、阀门、泵等，还可用作反应器、电解池及搅拌器的内衬。

另外，在核工业中，微晶陶瓷可用于制造反应控制棒、反应堆用密封剂、核废料储存材料，多孔复相微晶陶瓷可应用于过滤器、催化载体和气体传感器等;复相微晶陶瓷可应用于制备热交换器等。

4.6 生物医学具有梯度构造的CaO-P2O5-Al2O3-B2O3系生物微晶陶瓷与天然牙齿有相近的外观，可用于人工齿冠修复;铁钙硅铁磁体微晶陶瓷可将磁带生热所需的强磁性与良好的生物相容性结合，能满足温热治癌的要求;此外，微晶陶瓷在骨骼移植等方面已得到了应用。

5.玻璃陶瓷的发展前景
5.1耐高温玻璃陶瓷
耐高温玻璃陶瓷是随着烧结法、溶胶-凝胶法等新工艺在玻璃陶瓷制备中的应用而发展起来的新材料。

当玻璃陶瓷中析出如莫来石、尖晶石、铯榴石等耐高温的晶体且含量较高时，材料可以耐很高的温度。

如铯榴石玻璃陶瓷中，不仅析出了这种耐高温微晶，还析出了一些莫来石晶体，而且其残余玻璃相为晶体所包裹，这种材料可在1400℃左右的高温下使用。

5.2高力学性能的材料
玻璃陶瓷的微观结构对其力学性能有很大影响，可用控制结构来改善性能，如交织结构可以提高强度和韧性；采用温度梯度、热挤压等方法使晶体定向生长、也能大幅度提高力学性能，如以CaO-P2O5为基的玻璃陶瓷中析出定向微晶，其抗折强度可达700MPa,而且断裂韧性也显着提高；
复合材料是提高玻璃陶瓷力学性能的又一有效途径，可将具有不同于玻璃陶瓷基体力学性能的纤维、晶须或微粒与之复合，也可用金属等其它材料与之复合，还可以将玻璃陶瓷的纤维或小球体复合到其它基体中，如用SiC晶须增强MgO-Al2O3-SiO2基的玻璃陶瓷，基抗折强度与断裂韧性分别为500MPa及4.0MPa.m1/2,比未增强者提高两倍以上。

复合材料的力学性能可与Si3N,等结构陶瓷媲美，是一类有前景的新型结构材料。

5.3生物玻璃陶瓷
生物玻璃陶瓷的主要优点是在玻璃中可引入CaO、P2O5,通过热处理可以析出羟基磷灰石晶体，具有优良的生物相容性与生物活化性，组成中的其它组分可析出其它类型的晶体，保证材料的化学稳定性、可切削性等，比金属、氧化铝等材料更有前途。

迄今已进行许多临床试验，有的长达六年之久，而且都取得了可喜的成果。

5.4新型功能玻璃陶瓷
这类材料随着新技术、高科技的需求而发展，它运用玻璃工艺成形及通过受控晶化析出所需晶体的特性制备具有压电、半导、铁电、电光、非线形等各种特性的材料。

现在研究的一些主要功能材料有透红外玻璃陶瓷、铁电与铁磁性玻璃陶瓷、掺Cr3+等离子的透明玻璃陶瓷，此外还有用于电子器件及其封接的玻璃陶瓷，用作催化剂载体与传感器的多孔掺杂玻璃陶瓷等。

但是功能晶体析出量不够时，性能会导致"稀释"效应，材料虽具有某些功能特性，但性能指标差，不能满足应用要求。

因此，如何提高功能晶体的晶化率和使材料尽可能为单一相或含最少异相是该类材料研究中的重点。

微晶玻璃陶瓷
微晶玻璃陶瓷又称可加工陶瓷，是以合成云母为主晶相的云母微晶玻璃，是一种可以机加工的陶瓷材料，该材料具备了良好的加工性能、真空性能、电绝缘特性及耐高温、耐化学腐蚀等优良性能。

一．加工性
微晶玻璃陶瓷最突出的特性是可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨、钻、锯切和攻丝等加工。

是一般95瓷、氮化硅瓷等绝缘材料无法比拟的。

微晶玻璃陶瓷加工
性能类似于铸铁，它能加工成各种形状复杂，精度要求高的产品。

微晶玻璃陶瓷虽系脆硬材料，但只要合理地确定加工工艺路线及装夹方式，注意加工方法，准确地选择切削用量，在一般设备上公差等级可控制在IT7级，光洁度达到0.5μm,加工精度控制在0.005mm是完全可行的。

如加工设备优良，操作技术熟练，则精度可达μ级。

二．电性能
微晶玻璃陶瓷是一种优良的高温电绝缘材料，在许多电器设备中都可以应用，它有很高的电绝缘强度，高体积电阻及低介质损耗。

三. 热性能
微晶玻璃陶瓷是一种耐高温绝缘材料，同时又是能在超低温领域广泛使用的耐腐蚀电绝缘材料。

它的使用范围在-270℃~+800℃。

由于微晶玻璃陶瓷中的云母晶体具有一定的弹性，能制止微裂纹的延伸，因此它又具有较好的抗热冲击性能。

它的低热膨胀系数保证了工件的尺寸稳定，可进行气密封结。

四．其它性能
微晶玻璃陶瓷经过180℃烘烤，160℃保温1小时，真空老练8小时，放气率为8.8×10-9 ml/s. cm2它不导磁，比重是普通钢材的1/3，比铝还轻，吸水率极低。

由于它完全由无机材料组成，因此还有不老化不变形，对各种有机溶剂十分稳定及良好的耐酸碱腐蚀性能等.
应用微晶玻璃陶瓷由于它具有各种优良综合性能，能满足高精度技术要求，无须模具设计及制作大大缩短研制周期，可以加速工程进展，节省研制费用，因此深受广大科研、教学和设计部门的欢迎。

它特别适合汽车、军工、航空航天、精密仪器、医疗设备、电真空器件、电子束暴光机、纺织机械、传感器、质谱仪和能谱仪等仪器中广泛使用。

对于一些薄壁的线圈骨架，精密仪器的绝缘支架，形状复杂等精度要求高的器件，微晶玻璃陶瓷更为适用，它可加工成任意形状。

它比氮化硼强度高，放气率低，比聚四氟乙烯耐温度，不变形，不变质，经久耐用，比氧化铝瓷更好加工性好，生产周期短，合格率高，设计人员可任意制作所需尺寸的产品。