玻璃陶瓷的制备与应用

玻璃陶瓷的制备与应用

摘要：陶瓷玻璃又称微晶玻璃，其作为21世纪的新型建筑材料具有优异的性能，广泛应用于各个行业。本文介绍了玻璃陶瓷的发展史、制备方法和应用。

关键词：玻璃陶瓷制备性能应用

Preparation And Application Of Glass Ceramics

Abstract: Ceramic glass and glass ceramics, as a new building material in twenty-first Century with excellent performance, widely used in various industries. This paper introduces the history of the development of glass ceramics, preparation method and application.

Keyword s: glass ceramic preparation properties application

一、前言

玻璃陶瓷,又名微晶玻璃,是将加有成核剂(个别也可不加) 的特定组成的基础玻璃,经热处理工艺后所得的微晶体和玻璃体均匀分布的复合材料。玻璃陶瓷兼有玻璃和陶瓷的优点,具有许多常规材料难以达到的优异性能[1]。

玻璃陶瓷是材料科学上的一项新的研究发现,可以作为结构材料、技术材料、光学电学材料、装饰材料等广泛应用于国防尖端技术工业、建筑业及生活等各个领域。因此,微晶玻璃被科学家们称为21世纪的新型建筑材料。

二、玻璃陶瓷的发展史

由玻璃制备多晶材料的思想可追溯到十八世纪，法国学者家Rene De Reaumur于1739年进行了初步探索。但微晶玻璃材料的研制成功并实现工业化则始于本世纪五十年代末，由美国康宁公司的Stookey发明了光敏微晶玻璃。

微晶玻璃的性能即决定于组成相的固有属性，又决定于形成的微观组织形态。能够形成微晶玻璃的硅酸盐从结构上大致分为三类：架状硅酸盐、片状硅酸盐、片状硅酸盐及链状硅酸盐，每种均有其特定的组成及结构和性能特点。微晶玻璃从五十年代末诞生

到目前四十多年的发展历程，大致可分为三个阶段：

（一）五十年代末到七十年代中期：研究重点是架状硅酸盐微晶玻璃，这种结构具有较高的热稳定性及聚合度，热膨胀系数低是这类材料的突出特点。这一时期广泛研究了多种有效的成核剂，获得了高度结晶化且具有细小晶粒(<100 nm) 的透明材料，其中最为典型的是Li2O-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃。

（二）七十年代中期到八十年代中期：具有较低聚合度和稳定性的片状和链状硅酸盐微晶玻璃得到了广泛研究，开发了具有较高强度和韧性，具有易切削性的多种微晶玻璃材料。如片状氟金云母型微晶玻璃，其商品Macor己在航天飞机的部件、微波窗口、电真空等多方面获得应用。

（三）八十年代中期至今：复杂结构及多相微晶玻璃得到了广泛的研究，并且在有针对性的材料开发研究、系统的性能研究方面也更为深入。特别在生物材料、电磁材料、超导材料、核废料处理等方面，极大地扩展了微晶玻璃的应用领域。在这一阶段，特别是九十年代，对微晶玻璃制备技术的研究取得了瞩目的成就，开发了新的工艺，如溶胶一凝胶法、烧结法等[2]。

微晶玻璃具有许多宝贵的性能：膨胀系数可调（例如可制成零膨胀系数玻璃）、机械强度高、电绝缘性优良、介电损耗小、介电常数低、耐磨、耐腐蚀、热稳定性好及使用温度高等[3]，因而它作为结构材料、技术材料、光学和电学材料、建筑装饰材料等广泛用于国防尖端技术、工业建筑及生活等各个领域。作为建筑材料，其性能集玻璃、陶瓷、石材的优点于一身；作为功能祠料和结构材料，在光、电、生、化、磁等微电子技术、生物技术、国防尖端技术、机械制造等领域得到了广泛的应用，并且具有巨大的发展前景。

玻璃陶瓷是20世纪70年代发展起来的新型陶瓷材料，它是通过控制玻璃体析晶而获得的多晶陶瓷材料，它兼有玻璃、陶瓷的优点，有常规材料难以达到的物理性能。与玻璃比较，玻璃陶瓷的力学、耐腐蚀性能大大提高；与传统陶瓷相比，玻璃陶瓷的结构、性能容易控制，可以运用成熟的玻璃生产工艺来提高生产效率。因此，玻璃陶瓷越来越受到人们的重视，获得广泛应用，被专家誉为21世纪的新型陶瓷材料。

玻璃陶瓷比其原始玻璃和传统的陶瓷材料具有更优异的性能,特别是可切削玻璃陶瓷(glass- ceramic)能使用通常的金属加工方法进行切削,成为材料工艺上一个突出的进展,在机械、生物医学和电子等领域有较广的应用前景[4]。本文研究的是CaO - MgO - Al2O3 - SiO2 - F系中以钙云母为主晶相的可切削氟玻璃陶瓷的显微结构对性能的影响。本研究对此类材料理想显微结构和性能的获得,有重要的指导意义。

三、玻璃陶瓷的制备

玻璃陶瓷制备的一个最基本的步聚是玻璃的制备，即混合配料经高温精炼和均化，获得高质量的玻璃，然后，在低温下核化和晶化。根据成型方法的不同分为压延法(浇注法、拉制法)和烧结法。

（一）压延法(浇注法、拉制法也叫整体析晶法)

此法主要用于面积比较大的制品。它包括两个基本步骤：

第一步，采用普通玻璃的成型工艺制备玻璃制品。

第二步，制品经过热处理，使其核化、晶化转变成玻璃陶瓷。

后一步决定其性能的优劣。晶化的趋向和能力取决于核化和晶化的温度及二者的重叠程度。一般核化温度小于晶体的生长温度并在一定程度上是重叠的。为了生成大量的微晶，晶度晶体生长前应有大量的晶核存在，另外要求玻璃陶瓷致密度高、光滑表面、无裂纹和其他缺陷，通常在玻璃中加入晶核剂，常用的晶核剂有光敏金属、氧化物、氟化物及其复合物，一般复合晶核剂效果优于任何一个单晶核剂[5]。

玻璃陶瓷的制备需经过热处理阶段，设计的热处理过程目的是最终材料的微结构是一种晶相或多种晶相与玻璃相共存。主晶相有铿辉石、锉霞石、硅锌矿、镁橄榄石、荃青石、氟云母等物质。

（二）烧结法(粉末法)

所谓烧结法是通过玻璃粉的烧结制备玻璃陶瓷。这种方法最早是在1962年由H.schonbom首先提出的。烧结法利用玻璃粉末粒子表面的成核作用，把玻璃研磨成粉末再成型，最后热处理使粉末结晶、烧结固化。该法玻璃的熔制时间短、温度低、热处理工艺简单，可利用陶瓷厂的普通设备、不需使用晶核剂、附加成本低、投资少。近年来，烧结法已成为玻璃陶瓷最热门的话题，其中较为成功的产品有铝硅酸盐的MgO- A12O3- Si02系统、BaO-A12O3- SiO2系统、ZnO- A12O3- Si02系统、CaO-A1203- SiO2系统的封接材料、齿科材料、蜂窝状热交换器等。

（三）溶胶-凝胶工艺[6]

溶胶一凝胶工艺能制备高均匀度与高纯度的材料，与传统玻璃工艺相比其制备温度要低得多，并可扩展其组成范围，制造不能用传统工艺制备的式样，现在的研究主要集中在高温、高强和高韧性等特种材料的制备，其研究系统主要集中在CaO-A1203- SiO2、CaO- SiO2-ZrO2、MgO- A1203- SiO2-TiO2等系统玻璃陶瓷。