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玻璃陶瓷的發(fā)展歷史及特點

來源:好玻璃網(wǎng) 2014/9/29 8:31:46

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中玻網(wǎng)】早在18世紀,法國化學(xué)家魯米汝爾(Reamur)[21就提出了用玻璃制備多晶材料的設(shè)想,并通過實驗將玻璃轉(zhuǎn)化成了多晶陶瓷,但他沒有對制備玻璃陶瓷所必要的晶化過程進行控制,因而沒有真實發(fā)現(xiàn)形成玻璃陶瓷的過程。
  
  直到20世紀50年代,美國康寧公司經(jīng)過大量的研究,實現(xiàn)了魯米汝爾的設(shè)想。玻璃陶瓷較初(1953年)是由感光玻璃發(fā)展而來的,經(jīng)過紫外線照射并在析晶溫度下進行熱處理,感光玻璃就變成了光敏玻璃陶瓷。后來(1957年),美國康寧公司發(fā)表了不經(jīng)紫外線照射而通過調(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為熱敏玻璃陶瓷。
  
  玻璃陶瓷自1957年作為商品問世以來,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階段?壳皞階段為20世紀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。第二個階段是從20世紀70年代中期到80年代中期,開發(fā)了具有與金屬類似的可加工性好、強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已在航天飛機的部件、微波窗口、電真空等多方面獲得應(yīng)用。
  
  第三個階段是從20世紀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,非常大地擴展了玻璃陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是20世紀90年代,對玻璃陶瓷制備技術(shù)的研究取得了令人矚目的成就,開發(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。
  
  玻璃陶瓷的特點;
  
  1.玻璃陶瓷的特點與其他材料相比,玻璃陶瓷的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面。
  
  2.件能優(yōu)良
  
  熔融玻璃可以得到均勻的狀態(tài),而且析晶過程能夠嚴格控制,因而可獲得較細晶粒、沒有孑L隙等缺點的均勻結(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程中會發(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,發(fā)生的尺寸變化小且可控。
  
  4.制備工藝簡單玻璃陶瓷可利用整個玻璃制造工藝,形成各種形狀復(fù)雜的制品。
  
  5.性能可設(shè)計玻璃陶瓷組成范圍廣泛,其熱處理過程可控制,因此,各種類型的晶體都可按照控制的比例產(chǎn)生出來,從而使玻璃陶瓷的性能可以通過對組成和結(jié)構(gòu)的控制來設(shè)計,如玻璃陶瓷的膨脹系數(shù)可以從負值調(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始的,它在熔融狀態(tài)下能夠“潤濕”別的材料,因此可用較簡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,可利用工業(yè)廢料,有利于環(huán)境保護和可持續(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。像強度和斷裂韌性這樣的力學(xué)性能對顯微結(jié)構(gòu)尤為敏感。晶粒尺寸為1~5,urn、且具有細晶互鎖織構(gòu)時通常使其具有較佳強度。各向異性的具有晶須補強作用的棒晶可以進一步提高度度。另一方面,從形成玻璃的缺點中留下下來的收縮氣孔會使材料的強度大大降低。顯微結(jié)構(gòu)對光的散射有很大影響,通過簡單地改變顯微結(jié)構(gòu)可使外觀從完全透明變?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行擴展時,由于可通過晶內(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。無論是從物理還是化學(xué)機制考慮,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),由于晶粒尺寸遠低于可見光波長,因此,這類玻璃陶瓷高度透明,可用來制造透明餐具和準確光學(xué)儀器等。
  
  4、多孔薄膜結(jié)構(gòu)
  
  多孔薄膜顯微結(jié)構(gòu)類似于生物細胞結(jié)構(gòu)。構(gòu)成細胞的細胞膜起隔離其他細胞和保護胞內(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的離子的擴散。

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