微晶玻璃的制备

微晶玻璃的制备

一、文献综述

1、微晶玻璃的概念

微晶玻璃又叫微晶玉石或瓷玻璃，是综合玻璃，学名叫做玻璃水晶。

微晶玻璃和我们常见的玻璃看起来大不相同。它具有玻璃和瓷的双重特性，普通玻璃部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃象瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。

所以，微晶玻璃比瓷的亮度高，比玻璃韧性强。但微晶玻璃不同于瓷和玻璃。

微晶玻璃与瓷的不同之处是：玻璃微晶化过程中的晶相是从单一均匀玻璃相或已产生相分离的区域，通过成核和晶体生长而产生的致密材料；

而瓷材料中的晶相，除了通过固相反应出现的重结晶或新晶相以外，大部分是在制备瓷时通过组分直接引入的。微晶玻璃与玻璃的不同之处在于微晶玻璃是微晶体（尺寸为0.1～0.5μm）和残余玻璃组成的复相材料；而玻璃则是非晶态或无定形体。

另外微晶玻璃可以是透明的或呈各种花纹和颜色的非透明体，而玻璃一般是各种颜色、透光率各异的透明体。

2、微晶玻璃的分类

（1）通常按微晶化原理分为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃；

（2）按基础玻璃的组成分为硅酸盐系统、铝硅酸盐系统、硼硅酸盐系统、硼酸盐和磷酸盐系统；

（3）按所用原料分为技术微晶玻璃（用一般的玻璃原料）和矿渣微晶玻璃（用工矿业废渣等为原料）；

（4）按外观分为透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃；

（5）按性能又可分为耐高温、耐腐蚀、耐热冲击、高强度、低膨胀、零膨胀、低介电损耗、易机械加工以及易化学蚀刻等微晶玻璃以及压电微晶玻璃、生物微晶玻璃等

（6）晶玻璃的组成在很大程度上决定其结构和性能。按照化学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，磷酸盐微晶玻璃。

3、微晶玻璃的制备方法

微晶玻璃的制备方法根据其所用原材料的种类、特性、对材料的性能要求而变化，主要的有熔融法、烧结法、溶胶—凝胶法、二次成型工艺、强韧化技术等。

3.1、熔融法（整体析晶法）

熔融后急冷，退火后在经一定的热处理制度进行成核和晶化以获得晶粒细小、含量多、结构均匀的微晶玻璃制品。热处理制度的确定是微晶玻璃生产的关

键技术。作为初步的近似估计，最佳成核温度介于Tg和比它高50℃的温度之间。晶化温度上限应低于主晶相在一个适当的时间重熔的温度。

通常是25℃～50℃。微晶玻璃的理想热处理制度见图1。

常用的晶核剂有TiO

2，P

2

O

5

，ZrO

2

，CaO，CaF

2

，Cr

2

O

3

、硫化物、氟化物。晶

核剂的选择与基础玻璃化学组成有关，也与期望析出的晶相种类有关。Stooky 指出，良好的晶核剂应具备如下性能：

(1)在玻璃熔融成形温度下，应具有良好的溶解性，在热处理时应具有较小的溶解性，并能降低成核的活化能。

(2) 晶核剂质点扩散的活化能要尽量小，使之在玻璃中易与扩散。

(3) 晶核剂组分和初晶相之间的界面力愈小，它们之间的晶格参数之差愈小(σ<±15%)，成核愈容易。复合晶核剂可以起到比单一晶核剂更好核化效果，它主要是起到双碱效应。

熔融法制备微晶玻璃可采用任何一种玻璃的成形方法，如：压制、浇注、吹制、拉制，便于生产形状复杂的制品和机械化生产，但也存在一些问题有待于解决：

(1)熔制温度过高，通常都在1400～1600℃，能耗大。

(2)热处理制度在现实生产中难于控制操纵。

(3)晶化温度高，时间长，现实生产中难于实现。

3.2、烧结法

烧结法是使玻璃粉末产生颗粒粘结，然后经过物质迁移使粉末产生强度并导致致密化和再结晶的过程，烧结的推动力是粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能。烧结法制备微晶玻璃的工艺流程如下：

配料→熔制→水淬→粉碎→过筛→成形→烧结→加工

优点是：

(1)烧结玻璃的熔融温度与熔融法相比较，熔融时间短，温度低，这易于使需要高温才能熔融的玻璃制备微晶玻璃，如用ZrO2增韧的堇青石型微晶玻璃熔

制温度高达1650℃。

(2)玻璃粉末淬后，具有较高的比表面，比熔融法更易晶化，即使基础玻璃整体析晶能力很差也可以通过表面析晶，制得晶相含量较高的微晶玻璃。

(3)烧结法一般不用晶核剂。

(4)生产过程易于控制，很容易实现机械化、自动化生产，便于目前建筑瓷厂的转型。

(5)产品质量好，成品率高，厚度及规格可变，能够生产大尺寸制品。烧结

法制备的微晶玻璃主要集中在CaO—P

2O

5

—SiO2—F，CaO—Al

2

O

3

—SiO

2

—R

2

O—

ZnO，Li

2O—Al

2

O

3

，MgO—Al

2

O

3

—SiO

2

—PbO—B

2

O

3

—ZnO等。

3.3、溶胶—凝胶法

溶胶—凝胶法是低温合成材料的一种新工艺，其原理是将金属有机或无机化合物作为先驱体，经过水解形成凝胶，再在较低温度下烧结，得到微晶玻璃。与熔融法和烧结法不同，溶胶—凝胶法在材料制备的初期就进行控制，材料的均匀性可以达到纳米甚至分子级水平。

4、微晶玻璃的应用

（1）机械工程技术领域

a、机械轴承：表面光洁度高.

b、用于强腐蚀性气体、液体的轴承、阀门及管道.

c、用作热交换器的孔圆盘

（2）电力工程及电子技术领域

a、用作高频绝缘及高压绝缘套管材料

b、在电子技术领域中制作预制电路，包括“多层电路板”

c、在电子计算机中制作高精密的硅片元件(扩散性)

d、高频介电材料

e、光电材料

（3）、光学领域

a、用作激器元件

b、用作巨型天文望远镜的镜坯

（4）、其它：航天飞机天线外罩

１、机械力学材料上的应用

利用微晶玻璃耐高温、抗热震、热膨胀性可调等力学和热学性能，制造出各种满足机械力学要求的材料。据Ｂ．Ｐｏｒｈｅｒ，Ａｍｕｃｈａ报道，用ＰＶＤ法把Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系微晶玻璃涂层蒸镀到汽车金属轴承上，可提高轴承的耐磨性、表面光滑性和散热性。利用云母的可切削性和定向取向性制备出高强和可切削加工的微晶玻璃。作为机械力学材料的微晶玻璃广泛应用于活塞、旋转叶片、吹具的制造上，同时也用在飞机、火箭、人造地球卫星的结构材料上。