新型玻璃材料的制备.

新型玻璃材料的制备

马飞龙

(南开大学材料物理0910250

摘要:概述了玻璃材料的定义、分类及性质特点,简述了玻璃的常用的制备方法,对各种新型玻璃材料进行了简介,并对电功能玻璃材料PDP用基板玻璃进行详述。

关键词:玻璃;新型玻璃;制备;电功能玻璃。

引言:玻璃一般是以石英砂、纯碱、长石和石灰石等为主要原料,经熔融、成型、冷却固化而成的非结晶无机材料。它具有一般材料难于具备的透明性,具有优良的机械力学性能和热工性质。而且,随着现代建筑发展的需要,不断向多功能方向发展i。玻璃可以分为传统玻璃和新型玻璃两大类,是无机非金属材料科学和工程领域中的重要组成部分,也是非晶态固体中最重要的一族。在各种材料中,玻璃材料具有很多优点,它不仅成分可以在广泛的范围内变动,性质千差万别,而且可以制成各种形状和规格,同时在外场下具有良好的光学、电学、机械、化学和生物功能特性。因而,无论在科学研究或实际应用上,与单晶体或多晶体相比玻璃都有其独特之处,玻璃科学已经发展成为一门新兴的应用型科学,玻璃制品的生产已然形成庞大的工业体系。而且随着科学与生产的发展,玻璃的种类、功能及特性越来越广,新型玻璃材料越来越多,其应用领域也越来越广,其研究价值越来越大。概述:1、玻璃的定义:玻璃是一种较为透明的固体物质,在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸

盐类非金属材料。从实用的角度上,玻璃也可定义为一种透明的无定形固体材料;所谓无定形指的是玻璃结构中质点排列是无规则的,在X射线光谱上呈现出宽幅的散射峰。

2、玻璃的分类:一般玻璃简单分类主要分为平板玻璃和特种玻璃。平板玻璃主要分为三种:即引上法平板玻璃(分有槽/无槽两种、平拉法平板玻璃和浮法玻璃;特种玻璃则种类很多,用途也很广泛。也可分为传统玻璃和新型玻璃,前者主要有硅酸

盐玻璃、硼酸玻璃及磷酸盐玻璃等;后者主要有重金属氧化物玻璃、卤化物玻璃及硫化物玻璃等。新型玻璃按功能可进行分类:光功能玻璃、电磁功能玻璃、热和机械功能玻璃、生物化学功能玻璃等。

3、玻璃的性质:通常玻璃有透明、强度及硬度颇高,不透气的特点,并呈现化学惰性:一般不溶于酸(例外:氢氟酸与玻璃反应生成SiF4,从而导致玻璃的腐蚀;但溶于强碱。玻璃的通性有:(1各向同性,均质玻璃在各方向上的性能(如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都是相同的,此源于其内部质点排列的无规则性,是统计均匀分布的结果;(2介稳性,玻璃态物质比相应的结晶态物质含有较大的内能,它不是处于能量最低的稳定状态,而是介于熔融态和晶态之间,属于介稳态;(3无固定熔点,构成玻璃的质点所处的环境各不相同,从化学键角度来说,质点的结合力不同,故结合键断开所需的能量也不同;(4物化性质的渐变性,玻璃态物质从熔融状态冷却或加热过程中,其物理化学性质产生逐渐的和连续的变化,而且是可逆的。ii

4、新型玻璃:前面已经谈到一些新型的玻璃材料,从形成原料、制造工艺、物化性质及应用功能等各方面都对玻璃进行了发展,从而使玻璃被赋予多种新的特性和应用。表1给出了各种新型玻璃的各种特性及其应用:iii

表1,新型玻璃的特性及应用

玻璃材料的制备:由于高科技的发展和新材料制备的需要,除了古典的高温熔融法外,已研究出很多玻璃制备新方法,如急冷法、溶胶一凝胶法、气相蒸镀法、相沉积法、分相析晶法等。下面进行一一简介:

1、急冷法:通常氧化物玻璃熔融浇注时冷却速度为10~100K/s,对易析晶的玻璃要求更高的冷却速度,采用高转速双辊法冷却速度可达

10e7K/s。

2、溶胶凝胶法:玻璃网路结构是通过低温下适当化合物的液相化学聚合反应而形成的。首先通过液体原料的混合反应而形成溶胶,然后通过凝胶化使溶胶转变为凝胶,最后除去凝胶中的水分及有机物等液相并通过烧结除去固相残留物而制得玻璃。与其它方法相比,溶胶凝胶法具有突出的优点是:由于从溶液中制备,可保证玻璃成分高纯度且高度均匀;低温制备、可节能;可制备高温易析晶的具有特殊性质的玻璃;可制纤维、薄膜和块。

3、气相蒸镀法:气相蒸镀法是将样品放在蒸镀设备内,在高压下Ar+轰击蒸镀靶材,在样品表面上形成膜层。这种方法可用来制备玻璃态薄膜或薄壁制品。

4、气相沉积法:高纯气体SiC14经氢氧焰水解,生成石英玻璃坯体,再经切割研磨、拉管或热压制成拉光导纤维用石英基材。

5、分相析晶法:微晶玻璃及定向生长微晶玻璃通常采用分相析晶或梯温定向析晶的方法。在组成中加入核化剂热处理分相后晶化的方法,广泛应用于超低膨胀微晶玻璃研究及可切削微晶玻璃开发中。定向生长微晶玻璃采用梯温结晶法。用这种方法可制备具有介电、压电、热电特性的Sr2TiSiO8等定向生长微晶玻璃。

电功能玻璃PDP基板玻璃:等离子体显示器PDP(Plasma Display Paneliv是继CRT、LCD之后的新一代显示器,它问世于20世纪60年代,随着对其发光机理研究的不断深入和制备工艺的日臻完善,该器件具有一系列优点,如视角广、薄型、图像无畸变、响应

速度快、寿命长,具有较高的发光效率和亮度、有存贮功能、不易受电磁干扰、宜制作大尺寸等,且属于主动发光型器件,使之与CRT 一样色彩丰富,比CRT更适用于大屏幕显示,使在显示效果方面又大大优于液晶显示LCD(Liquid Crystal Display,成为实现高清晰度大屏幕显示的佼佼者。故PDP相关的研究越来越受到重视,而相应的PDP用基板玻璃的相关研究也变得很重要。

彩色PDP常用基板玻璃是钠钙玻璃,这种玻璃价格便宜,且与已开发出的彩色PDP其它材料相匹配,故仍有多家PDP制造公司在沿用这种玻璃基板材料。但随着PDP面积的增大,基板玻璃变形和热收缩造成了严重的图形错位。尽管有一些热处理的方法来减少这种错位,但仍严重地影响了PDP产业化的进程。因此,新型彩色PDP专用玻璃基板必将取代钠钙玻璃基板,如PD200和CS25v。以下依次述及了基板玻璃的性能要求,基板玻璃的制造方法。

1、基板玻璃的性能要求vi:1.1热学性能的要求:PDP用基板玻璃的热稳定性对PDP的性能质量起着非常重要的作用,应用于PDP的基板玻璃的应变温度和转变温度应高于PDP制造工艺中的最高热处理温度,即转变温度应为635℃以上,另外因大部分PDP研发单位所用基板玻璃为普通钠钙硅玻璃,而基板玻璃须与已开发应用的PDP 的其它材料相匹配,即PDP基板玻璃的热膨胀系数应与钠钙硅玻璃的热膨胀系数相当,为(75~95x10e7/℃(0~300℃。要使热膨胀系数和转变温度均满足要求是开发新型PDP基板玻璃的难点。

为了保证PDP基板玻璃大规模生产的经济性和足够的平面度和

平整度质量,采用浮法工艺制造是最佳的选择,浮法工艺制造需满足:玻璃熔制澄清(粘度为10Pa·S时温度为1300~1600℃;玻璃液流入锡槽(粘度为103Pa·S时的温度为1120~1150℃。

1.2、机械性能的要求:随着PDP电视尺寸不断增大,PDP基板玻璃质量的增加会带来不利影响,其密度应小于3.0g/cm3。基板玻璃在等离子电视的生产和运送的过程中受到轻微碰撞,不应发生形变或破裂,其弹性模量须大于67GPa,三点抗弯强度须大于71MPa。