玻璃陶瓷的發(fā)展歷史及特點(diǎn)

【中玻網(wǎng)】早在18世紀(jì)，法國(guó)化學(xué)家魯米汝?duì)?Reamur)[21就提出了用玻璃制備多晶材料的設(shè)想，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)將玻璃轉(zhuǎn)化成了多晶陶瓷，但他沒(méi)有對(duì)制備玻璃陶瓷所必要的晶化過(guò)程進(jìn)行控制，因而沒(méi)有真實(shí)發(fā)現(xiàn)形成玻璃陶瓷的過(guò)程。
　　
　　直到20世紀(jì)50年代，美國(guó)康寧公司經(jīng)過(guò)大量的研究，實(shí)現(xiàn)了魯米汝?duì)柕脑O(shè)想。玻璃陶瓷較初(1953年)是由感光玻璃發(fā)展而來(lái)的，經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)照射并在析晶溫度下進(jìn)行熱處理，感光玻璃就變成了光敏玻璃陶瓷。后來(lái)(1957年)，美國(guó)康寧公司發(fā)表了不經(jīng)紫外線(xiàn)照射而通過(guò)調(diào)整熱處理制度獲得玻璃陶瓷的方法，所合成的玻璃陶瓷被稱(chēng)為熱敏玻璃陶瓷。
　　
　　玻璃陶瓷自1957年作為商品問(wèn)世以來(lái)，到現(xiàn)在已有50多年的歷史。玻璃陶瓷的發(fā)展大致可以劃分為三個(gè)階段。靠前個(gè)階段為20世紀(jì)50年代末至70年代中期，主要研究的是具有低膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷，并獲得了透明材料，其中較典型的是Li2O—Al2o3-sio2系玻璃陶瓷。第二個(gè)階段是從20世紀(jì)70年代中期到80年代中期，開(kāi)發(fā)了具有與金屬類(lèi)似的可加工性好、強(qiáng)度高與韌性好的可切削玻璃陶瓷。如片狀氟金云母型玻璃陶瓷，其商品Macor已在航天飛機(jī)的部件、微波窗口、電真空等多方面獲得應(yīng)用。
　　
　　第三個(gè)階段是從20世紀(jì)80年代中期至今，多方面獲得應(yīng)用。在這一階段，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜與多相的玻璃陶瓷得到廣泛的研究——特別是在生物材料、超導(dǎo)材料及核廢料處理等方面，非常大地?cái)U(kuò)展了玻璃陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是20世紀(jì)90年代，對(duì)玻璃陶瓷制備技術(shù)的研究取得了令人矚目的成就，開(kāi)發(fā)了新的合成工藝，如溶膠一凝膠法和燒結(jié)法。玻璃陶瓷的出現(xiàn)，不論在玻璃制造工藝上或它的性能上都有了一個(gè)非常大的打破，而且使玻璃陶瓷具備了既不同于玻璃，又不同于燒結(jié)陶瓷的特點(diǎn)。
　　
　　玻璃陶瓷的特點(diǎn);
　　
　　1．玻璃陶瓷的特點(diǎn)與其他材料相比，玻璃陶瓷的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
　　
　　2．件能優(yōu)良
　　
　　熔融玻璃可以得到均勻的狀態(tài)，而且析晶過(guò)程能夠嚴(yán)格控制，因而可獲得較細(xì)晶粒、沒(méi)有孑L隙等缺點(diǎn)的均勻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得玻璃陶瓷比一般陶瓷、玻璃具有更好的強(qiáng)度、耐磨性、電絕緣性和硬度等。
　　
　　3．尺寸穩(wěn)定通常的陶瓷在干燥或燒成過(guò)程中會(huì)發(fā)生非常大的體積收縮(40％～50％)，這種尺寸的變化容易產(chǎn)生變形，而由玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ沾蓵r(shí)，發(fā)生的尺寸變化小且可控。
　　
　　4．制備工藝簡(jiǎn)單玻璃陶瓷可利用整個(gè)玻璃制造工藝，形成各種形狀復(fù)雜的制品。
　　
　　5．性能可設(shè)計(jì)玻璃陶瓷組成范圍廣泛，其熱處理過(guò)程可控制，因此，各種類(lèi)型的晶體都可按照控制的比例產(chǎn)生出來(lái)，從而使玻璃陶瓷的性能可以通過(guò)對(duì)組成和結(jié)構(gòu)的控制來(lái)設(shè)計(jì)，如玻璃陶瓷的膨脹系數(shù)可以從負(fù)值調(diào)整到正值。
　　
　　6．可與金屬焊接由于玻璃陶瓷是從玻璃熔制開(kāi)始的，它在熔融狀態(tài)下能夠“潤(rùn)濕”別的材料，因此可用較簡(jiǎn)單的方法把它和金屬結(jié)合到一起。
　　
　　7．制造成本低制造玻璃陶瓷的原料非常廣泛，特別是生產(chǎn)礦渣玻璃陶瓷時(shí)，可利用工業(yè)廢料，有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。
　　
　　玻璃陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)：
　　
　　1、顯微結(jié)構(gòu)對(duì)玻璃陶瓷物理特性的影響顯微結(jié)構(gòu)在決定玻璃陶瓷的物理特性方面與主要成分一樣重要。像強(qiáng)度和斷裂韌性這樣的力學(xué)性能對(duì)顯微結(jié)構(gòu)尤為敏感。晶粒尺寸為1～5,urn、且具有細(xì)晶互鎖織構(gòu)時(shí)通常使其具有較佳強(qiáng)度。各向異性的具有晶須補(bǔ)強(qiáng)作用的棒晶可以進(jìn)一步提高度度。另一方面，從形成玻璃的缺點(diǎn)中留下下來(lái)的收縮氣孔會(huì)使材料的強(qiáng)度大大降低。顯微結(jié)構(gòu)對(duì)光的散射有很大影響，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變顯微結(jié)構(gòu)可使外觀(guān)從完全透明變?yōu)橥耆煌该�。顯微結(jié)構(gòu)也影響微晶玻璃的抗熱震性，例如當(dāng)裂紋沿著熱膨脹系數(shù)相差很大的不同顆粒的邊界進(jìn)行擴(kuò)展時(shí)，由于可通過(guò)晶內(nèi)的解理面發(fā)生彎曲、鈍化和分支，從而使得材料的抗熱震性得到改善。無(wú)論是從物理還是化學(xué)機(jī)制考慮，可切削性都受到顯微結(jié)構(gòu)的影響。
　　
　　2、玻璃陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)
　　
　　微晶玻璃的顯微結(jié)構(gòu)主要包括納米微晶結(jié)構(gòu)、多孔薄膜結(jié)構(gòu)、海岸與島嶼結(jié)構(gòu)、枝晶結(jié)構(gòu)、殘余結(jié)構(gòu)、積木結(jié)構(gòu)、卷心菜結(jié)構(gòu)、針狀交織結(jié)構(gòu)和片狀孿晶結(jié)構(gòu)等。
　　
　　3、納米微晶結(jié)構(gòu)
　　
　　納米晶體指晶粒尺寸低于lOOnm的晶體。尖晶石和口一石英固溶體玻璃陶瓷是典型的納米微晶結(jié)構(gòu)，由于晶粒尺寸遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光波長(zhǎng)，因此，這類(lèi)玻璃陶瓷高度透明，可用來(lái)制造透明餐具和準(zhǔn)確光學(xué)儀器等。
　　
　　4、多孔薄膜結(jié)構(gòu)
　　
　　多孔薄膜顯微結(jié)構(gòu)類(lèi)似于生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)。構(gòu)成細(xì)胞的細(xì)胞膜起隔離其他細(xì)胞和保護(hù)胞內(nèi)物質(zhì)的作用，同樣，多孑L薄膜結(jié)構(gòu)是由玻璃體包裹住似細(xì)胞的晶體，玻璃基質(zhì)很薄，并圍繞著晶體，使其相互分離，并阻礙其擴(kuò)散，所以起多孔膜的作用。1992年，BeallL43j研制出具有此結(jié)構(gòu)的玻璃陶瓷，析出晶相為口一石英固溶體和p一黝輝石固溶體，由于盧一石英固溶體和p一黝輝石固溶體被硅質(zhì)的玻璃所阻隔，因此，也阻礙了高黏度殘余玻璃相的晶化。黏附于晶粒的黏稠玻璃相形成貫穿于整體的膜網(wǎng)絡(luò)，硅質(zhì)的玻璃阻礙口一黝輝石玻璃陶瓷中控制二次晶粒生長(zhǎng)的鋁離子的擴(kuò)散。