微晶玻璃

1、機(jī)械功能材料-微晶玻璃,主要內(nèi)容：,微晶玻璃的概述 微晶玻璃的分類和制備工藝 微晶玻璃的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用 微晶玻璃的研究動態(tài)和發(fā)展方向,微晶玻璃的概述,微晶玻璃： 微晶玻璃又稱微晶玉石或陶瓷玻璃，具有玻璃和陶瓷的雙重特性，是新型微晶材料的一種。它是通過基礎(chǔ)玻璃或其它材料在加熱過程中進(jìn)行控制晶化而得到的一種含有大量微晶體和玻璃體的復(fù)合固體材料。更具體說, 它是在高達(dá)1500℃高溫條件下, 從含特殊成份的玻璃液

2、中析出的特殊晶相，及硅灰石晶體和玻璃相結(jié)合的致密整體結(jié)晶材料。,微晶玻璃的概述,意外的發(fā)現(xiàn)： 50年代初，美國康寧玻璃公司化學(xué)家斯托凱受命開發(fā)新型含微量銀的感光玻璃。斯托凱用自動控制溫度的電爐進(jìn)行熱處理試驗。斯托凱出去了爐內(nèi)溫度早已升到900℃，斯托凱非常懊惱。意外的事情發(fā)生了：玻璃沒有熔融，還是直挺挺地躺在爐內(nèi)，但已面目全非，樣子有點像不透明的瓷磚，用鉗子夾起來不是軟綿綿的而是硬邦邦的，敲打起來還會發(fā)出像金屬那樣的聲音。

3、 在顯微鏡下觀察到：這塊玻璃中析出了大量的微小晶體，這就是后來大名鼎鼎的微晶玻璃。,微晶玻璃的概述,性能的改變： 當(dāng)玻璃中充滿微小晶體后（每立方厘米約十億晶粒），玻璃固有的性質(zhì)發(fā)生變化，即由非晶形變?yōu)榫哂薪饘賰?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的玻璃結(jié)晶材料。其內(nèi)微晶體的大小一般可從10 納米到幾微米, 晶體數(shù)量可高達(dá)50%～90%。 因此,微晶玻璃具有高機(jī)械強(qiáng)度、低電導(dǎo)性、良好的可加工性、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能。它近似于硬化后不脆不碎的凝膠，是一

4、種新的透明或不透明的無機(jī)材料，即所謂的結(jié)晶玻璃、玻璃陶瓷或高溫陶瓷。,微晶玻璃的分類,,微晶玻璃的分類,耐高溫、耐熱沖擊、 高硬耐磨、高強(qiáng)度等 低膨脹、低介電損失、壓電性、生物性等,微晶玻璃的制備工藝,制備工藝可分為：燒結(jié)法、壓延法、澆鑄法和溶膠－凝膠法。 溶膠－凝膠法： 首先將某些金屬有機(jī)鹽作為原料，使其均勻地溶解在乙醇中，并以醋酸作為催化劑，在規(guī)定的溫度下恒溫加熱，隨時間變化，一部分溶劑揮發(fā)后，有機(jī)金屬鹽不

5、斷水解并縮聚，溶液的濃度和黏度不斷增大，并形成一種不可流動的凝膠狀態(tài)，然后在逐步進(jìn)行熱處理，最終獲得微晶玻璃。優(yōu)點:其制備低溫遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法；同時可以避免某些組分揮發(fā)、侵蝕容器、減少污染；其組成完成可以按照原始配方和化學(xué)計量準(zhǔn)確獲得；獲得的材料較為均勻缺點：雖然低溫節(jié)能，但必要的起始物成本高；另外要得到?jīng)]有絮凝的均勻溶膠也是件困難的事；凝膠在燒結(jié)過程中有較大的收縮，制品易變形。,微晶玻璃的微結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu)：球晶結(jié)構(gòu)，枝狀結(jié)構(gòu)，細(xì)晶

6、粒結(jié)構(gòu)，交織型結(jié)構(gòu)球晶結(jié)構(gòu) 球晶體是一種常見的晶形，它是由中心輻射的纖維狀晶體構(gòu)成．在玻璃陶瓷中形成球晶體會影響其強(qiáng)度，但可通過控制晶化處理使球晶體長大到肉眼可見的尺寸，尺寸達(dá)厘米級的材料經(jīng)過拋光后具有類似于花崗石的美麗外觀，即人造花崗石。對球晶體生長機(jī)理的初步研究認(rèn)為，這類玻璃的分相為迷宮狀結(jié)構(gòu)，并含有尺寸為0.1～0.2μm的小液滴相，其化學(xué)組成的分相要低于同類傳統(tǒng)的玻璃陶瓷，而晶體生長活化能則高于傳

7、統(tǒng)玻璃陶瓷(360～ 420kJ/mo1)。 枝狀結(jié)構(gòu) 枝狀結(jié)構(gòu)是由于晶體沿某些晶面或晶格方向生長而形成，它實質(zhì)上是種骨架結(jié)構(gòu)，有種光敏玻璃陶瓷中的二硅酸鋰晶體就屬于這種結(jié)構(gòu)。二硅酸鋰晶體比玻璃基體易溶于氫氟酸中，利用這種特性可進(jìn)行酸刻蝕并制造成圖案尺寸精度高的電子器件。,微晶玻璃的性能,微晶玻璃比高炭鋼硬、比鋁輕； 機(jī)械強(qiáng)度比普通玻璃大6倍多； 耐磨性不亞于鑄石； 熱穩(wěn)定性好（加熱900℃驟然投入

8、5℃ 冷水而不炸裂）； 電絕緣性能與高頻瓷接近； 化學(xué)穩(wěn)定性與硼硅酸玻璃相同，不怕酸堿侵蝕。 可進(jìn)行車、刨、磨 、鉆、鋸切和攻絲等加工。其加工性能類似于鑄鐵，可加工成各種形狀復(fù)雜，精度要求高的產(chǎn)品,微晶玻璃的應(yīng)用,機(jī)械工業(yè) 微晶陶瓷具有良好的機(jī)械性能且能獲得極光滑的表面,適用于作軸承;利用其強(qiáng)度高、耐磨性好,可取代鋼材制造斜槽、球磨機(jī)內(nèi)襯以及研磨體;另外,還可制造特種切削工具、活塞頭、離合器、旋轉(zhuǎn)葉片等。

9、電力電子工業(yè) 微晶陶瓷的膨脹系數(shù)可在很大范圍內(nèi)變化,能與金屬很好地焊接在一起;它的電性能優(yōu)良以及在高溫下尺寸穩(wěn)定,能用于制造各種類型的電路板、絕緣體、整流罩、電容器、濾波器和混頻器等。 化學(xué)工業(yè) 微晶陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性好、耐磨,被用于制造輸送腐蝕性液體的管道、閥門,還可用作反應(yīng)器、電解池及攪拌器的內(nèi)襯。,微晶玻璃的應(yīng)用,生物醫(yī)學(xué) 具有梯度構(gòu)造的CaO-P2O5-Al2O3-B2O3系生物微晶 陶瓷與天

10、然牙齒有相近的色澤和外觀,可用于人工齒冠修復(fù);鐵鈣硅鐵磁體微晶陶瓷可將磁帶生熱所需的強(qiáng)磁性與良好的生物相容性結(jié)合,能滿足溫?zé)嶂伟┑囊?此外,微晶陶瓷在骨骼移植等方面也有應(yīng)用。建筑裝飾 微晶陶瓷強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好,可廣泛用于建筑物的裝飾上,如用作內(nèi)外墻裝飾材料、高檔地面磚、屋頂材料等。,微晶玻璃的應(yīng)用,航天工業(yè) 利用其強(qiáng)度與比重之比高,質(zhì)輕且具有優(yōu)良的熱學(xué)性能,可用作飛機(jī)、火箭和人造地球衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料。如高速飛機(jī)的

11、機(jī)翼前緣,噴氣式發(fā)動機(jī)噴嘴,主晶相為堇青石。 其它應(yīng)用 在核工業(yè)中,微晶陶瓷可用于制造反應(yīng)控制棒、反應(yīng)堆用密封劑、核廢料儲存材料;多孔微晶陶瓷可應(yīng)用于過濾器、催化載體和氣體傳感器等方面。,超過天然石材的表面光澤度 ： 天然花崗巖始終擺脫不掉拋光表面上布滿細(xì)碎裂紋的缺憾。而微晶玻璃表面可以拋光到與玻璃鏡面相媲美，達(dá)到名副其實的鏡面光澤，使建筑光澤明亮。富有現(xiàn)代氣派。不吸水、抗凍和抗?jié)B性優(yōu)異： 天然花崗巖裝修的外墻壁，經(jīng)長

12、年雨雪淋浸，會留下陰暗的色斑，原因為花崗巖有一定的吸水性。大理石即使是在室內(nèi)使用，也易出現(xiàn)水漬或色斑。而微晶玻璃因吸水率為零，表面干燥光亮，雨雪洗新表面而不易侵蝕，具有天雨自滌的特點。色調(diào)均勻： 采用天然石材裝修墻面、地面，難免色差不一，而微晶玻璃生產(chǎn)可以精確控制，易于獲得類似彩色玻璃那樣的顏色均勻性，使建筑物達(dá)到更完美的裝修效果。色澤柔和： 由于微晶玻璃中存在一定玻璃相，因此外觀晶瑩柔潤，具有玉質(zhì)般的觀感。 微晶玻璃內(nèi)部所含有

13、的微晶體對光有獨特的漫反射作用，使返回的光不但強(qiáng)度明顯加大，而且角度分布擴(kuò)寬，使建筑飾面色澤柔和典雅。此外它具有綠色、環(huán)保、無放射性污染。 其理化性能和裝飾效果遠(yuǎn)優(yōu)于天然石材，是理想的代替產(chǎn)品，被認(rèn)為是21世紀(jì)理想的高級內(nèi)、外墻及地面裝飾材料。,微晶玻璃的重要應(yīng)用 建筑飾材,微晶玻璃的研究動態(tài)和發(fā)展方向,高力學(xué)性能的材料 玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能有很大影響，可用控制結(jié)構(gòu)來改善

14、性能，如交織結(jié)構(gòu)可以提高強(qiáng)度和韌性；采用溫度梯度、熱擠壓 等方法使晶體定向生長，也能大幅度提高力學(xué)性能，如以CaO-P2O5為基的玻璃陶瓷中析出定向微晶．其抗折強(qiáng)度可達(dá)650MPa，而且斷裂韌性也顯著提高；復(fù)合材料是提高玻璃陶瓷力學(xué)性能的又一有效途徑，可將具有不同于玻璃陶瓷基體力學(xué)性能的纖維、晶須或微粒與之復(fù)合，也可用金屬等其它材料與之復(fù)合．還可以將玻璃陶瓷的纖維或小球體復(fù)合到其它基體中，如用SiC晶須增強(qiáng)MgO-Al2O3-SiO2基

15、的玻璃陶瓷，其抗折強(qiáng)度與斷裂韌性分別為490MPa及3.7MPa·m1/2 ，比未增強(qiáng)者提高兩倍左右．復(fù)合材料的力學(xué)性能可與Si3N4等結(jié)構(gòu)陶瓷媲美、甚至更優(yōu)，是一類頗有前途的新型結(jié)構(gòu)材料．,耐高溫玻璃陶瓷 耐高溫玻璃陶瓷是隨著燒結(jié)法、溶膠一凝膠法等新工藝在玻璃陶瓷制備中的應(yīng)用而發(fā)展起來的。當(dāng)玻璃陶瓷中析出如莫來石、尖晶石、銫榴石等耐高溫的晶體且含量較高時，材料可以耐很高的溫度。如銫榴石玻璃陶瓷中，不僅

16、析出了這種耐高溫微晶，還析出了一些莫來石晶體，而且其殘余玻璃相為晶體所包裹，所以這種材料在1420℃時的壓強(qiáng)為1012Pa。生物玻璃陶瓷 生物玻璃陶瓷的主要優(yōu)點是在玻璃中可引人CaO、 P2O5 ，通過熱處理可以析出磷灰石晶體，具有優(yōu)良的生物相容性與生物活化性，組成中的其它組分可析出其它類型的晶體，保證材料的化學(xué)穩(wěn)定性、可切削性等，比金屬、氧化鋁等材料更有前途．迄今已進(jìn)行許多臨床試驗，有的長達(dá)六年之久，而且都

17、取得了可喜的成果 。,新型功能玻璃陶瓷 這類材料是隨著新技術(shù)、高科技的需求而發(fā)展的。它運用了可用玻璃工藝成形及通過受控晶化析出所需晶體的特性制備具有壓電、鐵電、半導(dǎo)、電光、非線形等各種特性的材料?，F(xiàn)在研究的一些主要功能材料有透紅外玻璃陶瓷、鐵電與鐵磁性玻璃陶瓷，此外還有用于電子器件及其封接的玻璃陶瓷，用作催化劑載體與傳感器的多孔摻雜玻璃陶瓷等．但是功能晶體析出量不夠時，材料雖具有某功能特性，但

18、性能指標(biāo)差，不能賦予實用。 因此，如何提高功能晶體的晶化率和使材料盡可能為單一相或含最少雜相是該類材料研究中的重要問題。,微晶玻璃的研究動態(tài)和發(fā)展方向,改進(jìn)玻璃的組成及制品工藝。改進(jìn)組成和傳統(tǒng)工藝，降低熔制溫度，避免高溫熔制和成形所造成的困難，因為目前微晶玻璃的熔制溫度太高，最高的要達(dá)到1650℃。拓寬研究范圍。研究范圍從高硅區(qū)拓寬到中硅區(qū)，以期開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域建立成分、結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預(yù)測（專家系統(tǒng)）。因為缺