玻璃陶瓷是由适当组成的玻璃控制晶化制得的多晶固体.在玻璃陶瓷

1、玻璃陶瓷是由适当组成的玻璃控制晶化制得的多晶固体.在玻璃陶瓷中,晶相是从一个均匀玻璃相中通过晶体生长而产生的,这一点与传统陶瓷材料明显不同;在陶瓷材料中,虽然由于固相反应可能出现某些重结晶或新的晶体,但大部分结晶物质是在制备陶瓷组分时引入的;可见玻璃陶瓷兼有玻璃和陶瓷两者所具备的性能1.它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,经过近几十年的发展,玻璃陶瓷在微观结构、工艺途径等方面都得到了扩展,制备出的材料性能越来越好,功能也越来越多.1.2 玻璃陶瓷组成硅酸盐类玻璃陶瓷2这类玻璃析出碱金属或碱土金属的硅酸盐晶体,主要有光

2、敏玻璃陶瓷和炉渣玻璃陶瓷.前者析出的稳定相主要是二硅酸锂(225),而后者为硅灰石(3)和透辉石(26).光敏玻璃陶瓷可以加工成高精度、复杂图案的元件,主要用于电子技术,如磁头基板、射流元件等.矿渣玻璃陶瓷主要用于建筑材料与结构材料.铝硅酸盐类玻璃陶瓷这类材料中主要析出碱金属或碱土金属的铝硅酸盐晶体.它们具有优良的热稳定性、抗冲击性及化学稳定性.其中主要有2 23 2系统3,这种材料最主要的特性是热膨胀系数在很大范围内可调,达到零膨胀甚至负膨胀值,这主要是由于析出的晶体具有各相异性的热膨胀特性. 23 2系统4的晶化情况十分复杂,在晶化过程中可以析出多种介稳与稳定相晶体,其中最重要的是堇青石型

3、(2·223·52)玻璃陶瓷,它具有优良的介电性、热稳定性和热震性,可用于制造雷达天线保护罩. 23 2系统5的玻璃陶瓷可分为以硅锌矿(2·2)、锌尖晶石(·23)和以 石英固溶体或透锌长石为基础的三类.基于不同晶体具有差异很大的热膨胀系数,故与上述锂铝硅系统一样,可以通过组成调节热膨胀系数.这类材料可兼有低膨胀系数、高电阻和优良的化学稳定性,可用于电气元件和电灶板.2 23 2系统6的晶体具有高的膨胀系数,但若在其表面涂一层较低膨胀系数的釉,则在表面形成的压应力可使釉的抗弯强度增加两个数量级.用这种复合方式可以制造经久耐用的茶杯、餐具.1.3 氟硅酸盐

4、类玻璃陶瓷7这类玻璃陶瓷中析出一维或二维各相异性的晶体,类似于天然云母,具有与金属类似的可加工性和较高的强度与韧性.主要有片状氟金云母晶体型(33102),晶体中层与层之间的连接薄弱,极易解理,当晶体含量达到一定程度、细小晶粒彼此相连时,玻璃陶瓷就具有可切削性.该材料已在电绝缘、场离子显微镜的试样架、微波窗口、电真空、航天飞船的部件等获得应用;链状氟硅酸盐晶体中析出的针状晶体形成交织链状结构,使材料具有好的韧性,类似于天然玉石.目前研制成功的有氟钾钠钙镁闪石(58222)及氟硅碱钙石5421230(,)4二种.这类材料具有与上述2 23 2相似的性能,即高的膨胀系数(115×10-7

5、-1),也可施以低膨胀面釉,制备成高强、美观的餐具.除此之外,还有许多具有特殊性能的玻璃陶瓷正受到越来越多研究人员的重视.如西北工业大学凝固技术国家重点试验室已制备出一种 23 2玻璃陶瓷,它在11001250的小液滴相,其化学组成的分相倾向要低于同类传统的玻璃陶瓷,而晶体生长活化能则高于后者(360420/).细晶粒结构6一般微晶的尺寸为几个微米,因此材料不透明;但当析出的晶体尺寸小于可见光波长时玻璃陶瓷则变为透明.已制备出透明的玻璃陶瓷是在2 23 2系统玻璃中引入适量的晶核剂(2+2),由于在整体内析出大量的钛酸锆晶核,再经热处理后便会在这些核上析出直径小于400的 石英固溶体晶粒.这种

6、玻璃陶瓷不仅透明,而且膨胀系数很低(0 500约为7×10-7/),故具有优良的热震性.莫来石型透明玻璃陶瓷的形成基于材料分相后形成粘度较低的富铝相和粘度较高的富硅相,晶体的生长受到了高粘度富硅相的局限而形成超细晶体,这种晶体往往接近单相,因此显示出晶体的一些光性特点,如含3+的莫来石玻璃陶瓷中可显示3+的荧光特性.交织型结构10交织型微观结构的形成有几种不同的机理:一类是通过消耗介稳相而形成稳定相,如堇青石型玻璃陶瓷中堇青石晶体是因消耗·1/2,挠曲强度约为150;板状结构的性能分别可达5·1/2和300.著名的可切削玻璃陶瓷则是柔性的片状金云母晶体形成的交织结

7、构.云母晶体的平面解理特性及晶体在材料整体内的紊乱分布使裂纹得以挠曲或分枝而不致扩散,因此材料具有优良的可加工性;云母晶体的相互交织将玻璃晶体分隔成许多封闭或半封闭的多面体,增加了碱金属离子的迁移阻力,提高了材料的介电性能.枝状结构11枝状结构是由于晶体沿某些晶面或晶格方向生长而形成,它实质上是一种骨架结构,有种光敏玻璃陶瓷中的二硅酸锂晶体就属于这种结构.二硅酸锂晶体比玻璃基体易溶于氢氟酸中,利用这种特性可进行酸刻蚀并制造成图案尺寸精度高的电子器件.2 玻璃陶瓷的制备熔融法玻璃陶瓷的制备最早使用的就是熔融法,现在仍然广泛使用.其工艺过程是:在原料中加入一定量的晶核剂并混合均匀,于1400150

8、0高温下熔制,均匀化后将玻璃熔体成型,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玻璃陶瓷制品.熔融法的最大特点是可沿用任何一种玻璃的成型方法;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;由玻璃坯体制备的玻璃陶瓷在尺寸上变化不大,组成均匀,不存在气孔等陶瓷中常见的缺陷.如以钢铁工业废渣为主要原料,加入晶核剂(2+23),用熔融法已制备出弯曲强度为366,显微硬度为12.35的耐磨玻璃陶瓷12.烧结法传统的熔融法制备玻璃陶瓷存在一定的局限性,如玻璃熔制温度有限、热处理时间长.而烧结法则能克服以上缺点,烧结法制备玻璃陶瓷的工艺流程如下:配料熔制淬冷粉碎成

9、型烧结.烧结法制备玻璃陶瓷的一个显著特点是玻璃经过淬冷后颗粒细小、表面积增加,比熔融法制得的玻璃更易于晶化,不必使用核化剂.另外,烧结法制备玻璃陶瓷不需要通过玻璃形成阶段,因此适于极高温熔制的玻璃以及难以形成玻璃的玻璃陶瓷的制备,如高温玻璃陶瓷.因此这种方法为玻璃陶瓷新材料的制备开辟了新天地.目前研究较多的是堇青石、顽辉石和锂铝硅系统的烧结玻璃陶瓷,如将 23 2系统玻璃粉碎后与方镁石混合烧结形成莫来石质玻璃陶瓷,耐高温达120013;还有多孔玻璃陶瓷,主晶相为堇青石的低温烧结玻璃陶瓷基板14以及作者正在研究的将2 2系统玻璃粉碎后压实烧结形成以锂锌硅酸盐为主晶相的高膨胀系数玻璃陶瓷.溶胶 凝

10、胶法溶胶 凝胶法最早是用来制备玻璃的,近十多年来成为玻璃与陶瓷等先进材料制备技术的研究热点.最近也有用于制备玻璃陶瓷的报道15.溶胶 凝胶法制备玻璃陶瓷的主要优点有:制备温度比传统方法低得多;可防止挥发性组分的挥发;可获得均质高纯材料;可扩展组成范围,制备传统方法无法制备的材料、不能形成玻璃的系统和具有高液相组成的玻璃陶瓷以及具有高温、高强、高韧性以及其它特殊性能的高新技术材料,如铁氧体 玻璃陶瓷中铁氧体与堇青石晶体共存,介电常数小于6,截止频率高于2,起始磁导率高于3;在2 23 2玻璃陶瓷中可析出2及莫来石晶体,材料的断裂韧性达9·1/215.4玻璃陶瓷的应用现状玻璃陶瓷集中了多

11、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,现已在许多领域获得了广泛应用.机械工程领域玻璃陶瓷因具有良好的机械性能而在机械工程领域获得应用.利用其强度高、耐磨性好可用作球磨机内衬、研磨体等;利用其可切削性可以使用普通刀具进行精加工,极大地扩展了其使用范围;玻璃陶瓷的热膨胀系数也是作为结构材料使用时的重要参数,低的膨胀系数对于构件的尺寸稳定性及抗热震性有利,而作为封接材料则要求具有较高的膨胀系数.·1/2,比未增强者提高两倍左右.复合材料的力学性能可与34等结构陶瓷媲美、甚至更优,是一类颇有前途的新型结构材料.耐高温玻璃陶瓷耐高温玻璃陶瓷

12、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.当玻璃陶瓷中析出如莫来石、尖晶石、2、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,所以这种材料在1420时的粘度达1012.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、25,通过热处理可以析出磷灰石晶体,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22.但作为人体功能材料还需改善性能和经过长期的临床试验.新型功能玻璃陶瓷这类材料是随着新技术、高科技的需求而发展的.它运用了可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、铁电、半导、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3+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