微晶玻璃簡述

1、微晶玻璃簡要概述劉帥聰（無機非金屬材料工程1301班,湖南工學院材料與化學工程學院 湖南 衡陽 421002） 摘要微晶玻璃是通過基礎玻璃或其它材料在加熱過程中進行控制晶化而得到的一種中含有大量微晶體和玻璃體的復合固體材料。由于其機械強度高、熱膨脹性可調、抗熱震性好、耐化學腐蝕、介電損耗低、電絕緣性好等優(yōu)越的綜合性能，已在許多領域得到廣泛的應用。關鍵詞 微晶玻璃 特點 制備工藝 應用發(fā)展Brief Introduction of Glass - CeramicsShuai Cong Liu （Inorganic Nonmetallic Materials Engineering1301clas

2、s，Hunan Institute of Technology Department of Material and Chemical Engineering Hunan Hengyang 421002）Abstract：Crystalline glass is a composite solid material containing a large amount of microcrystals and vitreous bodies obtained by controlling crystallization during the heating process by the base

3、 glass or other materials. Because of its high mechanical strength, adjustable thermal expansion, good thermal shock resistance, chemical resistance, low dielectric loss, good electrical insulation properties such as superior performance, has been widely used in many fields.Key words： glass - cerami

4、cs, characteristics, preparation technology, application development1 引言微晶玻璃又名玻璃陶瓷，它是指將加有形核劑（個別可不加）的特定組成的基礎玻璃，通過控制結晶變成具有一種或多種微晶體和殘余玻璃相的復合材料，即在非晶態(tài)的玻璃內均勻分布著大量（體積百分比約占95%98%）的隨機取向的微小陶瓷晶體（通常小于10m）。其機械強度高，絕緣性能優(yōu)良，介電損耗少，介電常數(shù)穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)可在很大范圍調節(jié)，耐化學腐蝕，耐磨，熱穩(wěn)定性好，使用溫度高的良好性能。微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重優(yōu)點，優(yōu)于天石材和陶瓷，可用于建筑幕墻及

5、室內高檔裝飾，還可做機械上的結構材料，電子、電工上的絕緣材料，大規(guī)模集成電路的底板材料、微波爐耐熱列器皿、化工與防腐材料和礦山耐磨材料等等。是具有發(fā)展前途的21世紀的新型材料。2 微晶玻璃的分類微晶玻璃的分類方法很多。從外觀可分為透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃；按微晶化原理可分為光敏微晶玻璃和熱敏微晶玻璃；按照性能可分為耐高溫、耐熱沖擊、高強度、耐磨、易機械加工、低膨脹、低介電損耗、強磁性和生物相容等微晶玻璃；按基礎玻璃組成可分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼酸鹽及磷酸鹽等微晶玻璃?！?】 3 微晶玻璃的特點微晶玻璃采用不同于陶瓷的制造工藝，與普通玻璃相近，但特性與陶瓷卻迥然不同。因為當玻璃中充滿微小晶體

6、后（每立方厘米約十億晶粒），玻璃固有的性質產生變化，即由非晶形變?yōu)榫哂薪饘賰炔烤w結構的玻璃結晶材料。微晶玻璃比高炭鋼硬、比鋁輕，機械強度比普通玻璃高6倍多，耐磨性不亞于鑄石，熱穩(wěn)定性良好（加熱900驟然投入5冷水而不炸裂），電絕緣性能與高頻瓷接近，化學穩(wěn)定性與硼硅酸玻璃相同，不怕酸堿侵蝕。 微晶玻璃板色彩豐富而均勻，無色差，光澤柔和晶瑩，外觀酷似天然石材，而機械性能1、化學穩(wěn)定性、耐久性和表面光潔度等方面都超過花崗石。1、 豐富的色澤和良好的質感通過工藝控制可以生產出各種色彩、色調和圖案的微晶玻璃蝕面材料。其表面經(jīng)過不同的加工處理又可產生不同的質感效果。拋光微晶玻璃的表面光潔度遠遠高于天然石

7、材，其光澤亮麗，使建筑物豪華和氣派。而毛光和亞光微晶玻璃可使建筑平添自然厚實的莊重感，所以微晶玻璃可以在色澤和質感上能很好地滿足設計者的要求。 2、 色調均勻 天然花崗石難以避免明顯的色差，這是其固有的缺陷。而微晶玻璃易于實現(xiàn)顏色均勻，達到更輝煌的裝飾效果。尤其是高雅的純白色微晶玻璃，更是天然石材所望塵莫及的。3、 永不浸濕、抗污染 凡由天然石材裝修的墻面，經(jīng)過雨雪浸淋都會留下濕紋，而且一連數(shù)月甚至更長時間都無法恢復原狀。這種缺陷是因為天然石材有一定的吸水性，導致其滲水、滲堿，甚至滲泥漿，從而影響其原有色澤甚至產生污染和浸濕石材表面。而微晶玻璃則具有玻璃不吸水的天然特性，所以不易污染，其豪華外

8、觀不但不受任何雨雪的侵害，反而還借此“天雨自滌”的機會而備增光輝，能全天候地永葆高檔建筑的堂皇。由于易于清潔，從建筑物的維護和保養(yǎng)方面考慮，可以大大降低維護成本【2】。 4、 優(yōu)良的機械性能和化學穩(wěn)定性 微晶玻璃是無機材料經(jīng)高溫精制而成，其結構均勻細密，比天然石材更堅硬、耐磨、耐酸堿等，即使暴露于風雨及被污染的空氣中也不會變質、褪色。 5、 高度的破裂安全性 仿石材的微晶玻璃有多種。某公司生產的一種內部結構像花崗石那樣的顆粒狀組織的微晶玻璃，即便強力沖擊引起破裂，其破裂規(guī)律也和花崗石一樣，只形成三岔裂紋，裂口遲鈍不傷手。而一般的玻璃或其它仿石材微晶玻璃，則會出現(xiàn)蛛網(wǎng)粉碎狀，成為不安全因素。 6

9、、 高度環(huán)保性能 微晶玻璃不含任何放射性物質，確保了環(huán)境無放射性污染。盡管拋光微晶玻璃功能達到近似于玻璃的表面光潔度，但光線不論從任何角度照射，都可形成自然柔和的質感，毫無光污染。 7、規(guī)格齊全，易加工成型 根據(jù)需要可以生產各種規(guī)格、厚度的平板和弧形板、由于微晶玻璃可用加熱方式加工成型，所以其弧形板加工簡單、經(jīng)濟。 微晶玻璃的生產工藝，除具有上述微晶化溫度低和晶化速度快的特點外，還具有質地細膩，加工光澤度高，不風化，不吸水，可加工成曲面的特點。微晶玻璃的外觀可與瑪瑙、玉石、雞血石等名貴石材相近，裝飾效果良好。4 微晶玻璃的制備工藝微晶玻璃的制備方法根據(jù)其所用原材料的種類、特性、對材料的性能要求

10、而變化，主要有熔融法、燒結法、溶膠凝膠法、二次成型工藝、強韌化技術等。4.1 熔融法微晶玻璃最早采用的制備方法就是熔制法，直到今天熔制法仍是制備微晶玻璃的主要方法。熔制法的主要工藝過程為：將一定量的晶核劑加入到玻璃原料中，充分混合均勻制成玻璃配合料，于15001600高溫下熔制，均化后將玻璃成型，經(jīng)退火后在一定溫度下進行核化和晶化，以獲得晶粒細小且結構均勻的微晶玻璃制品。熔融法可采用技術成熟的玻璃成型工藝來制備復雜形狀的制品，便于機械化生產。由玻璃坯體制備的微晶玻璃在尺寸上變化不大，組成均勻，不存在氣孔。空隙等陶瓷中常見的缺陷，因而微晶玻璃不僅性能優(yōu)良且具有比陶瓷更高的可靠性。4.2 燒結法燒

11、結法是使玻璃粉末產生顆粒粘結,然后經(jīng)過物質遷移使粉末產生強度并導致致密化和再結晶的過程,燒結的推動力是粉狀物料的表面能大于多晶燒結體的晶界能。燒結微晶玻璃是將玻璃顆粒通過受控燒結、結晶制得。與普通陶瓷燒結不同的是,燒結微晶玻璃是將玻璃顆粒進行燒結，在加熱、燒結過程中,玻璃本身還發(fā)生成核析晶現(xiàn)象。析晶有利于提高燒結體的強度和美化外觀裝飾效果，但同時也增加玻璃的粘度,阻礙粘性流動，甚至使燒結難于進行。因此,燒結法生產微晶玻璃要求基礎玻璃在較低的粘度下具有一定的析晶能力，并且其表面析晶速度不宜太大。其目的是為了使燒結時的致密化和晶化過程發(fā)生在不同的溫度區(qū)域，以減少析晶對致密化的干擾。在微晶玻璃的燒結

12、和結晶過程中，控制適當?shù)谋砻嫖鼍俾适谦@得低氣孔率微晶玻璃的關鍵。燒結法制備微晶玻璃的工藝流程如下：配料熔制水淬粉碎過篩成型燒結加工優(yōu)點是：(1)基礎玻璃的熔制溫度與熔融法相比較，熔融溫度低且時間短，因此該法適于需要高溫才能熔融的玻璃制備微晶玻璃。 (2)燒結法還有一個顯著的特點，即玻璃經(jīng)過水淬后，顆粒細小，表面積增加，比熔融法制得的玻璃更易于晶化，因而有時可以不使用晶核劑。(3)生產過程易于控制,很容易實現(xiàn)機械化、自動化生產，便于目前建筑陶瓷廠的轉型。(4)產品質量好,成品率高，厚度及規(guī)格可變，能夠生產大尺寸制品。其缺點是：(1)在實際生產中，由于晶相和玻璃相結構的不同，在經(jīng)過高溫處理后的冷

13、卻過程中，不可避免的會在微晶玻璃制品中產生應力，這種應力的存在，將會給產品帶來一定的缺陷。(2)由于燒結法是疏松顆粒燒結，堆積密度小，且這種材料是熱的不良導體，造成表面和內部溫差大，往往造成表面先封閉，內部氣孔難以排除，燒結變形大，表面呈致密化深度淺(2mm左右)，這嚴重影響其外觀質量和成品率。模具從室溫加熱到1200總會有或多或少的變形，這些都嚴重影響該行業(yè)的發(fā)展。(3)燒結法制備的微晶玻璃材料存在一定的氣孔，對其性能帶來很不利的影響，也大大降低了產品的成品率【3】。4.3 溶膠一凝膠法溶膠-凝膠技術是低溫合成材料的一種新工藝，其原理是將金屬有機或無機化合物作為先驅體，經(jīng)過水解形成凝膠，再在

14、較低溫度下燒結,得到微晶玻璃。同熔融法和燒結法不同，溶膠-凝膠法在材料制備的初期就進行控制，材料的均勻性可以達到納米甚至分子級水平。該方法的好處是：(1)其制備溫度遠低于傳統(tǒng)方法,同時可以避免某些組分揮發(fā)、侵蝕容器、減少污染；(2)其組成完全可以按照原始配方和化學計量準確獲得，(3)在分子水平上直接獲得均勻的材料；(4)可擴展組成范圍,制備傳統(tǒng)方法不能制備的材料。溶膠-凝膠法的缺點是生產周期長，成本高，環(huán)境污染大。另外，凝膠在燒結過程中有較大的收縮,制品容易變形【4】。5 微晶玻璃的應用微晶玻璃具有很多優(yōu)異的性能，如：機械強度高、熱膨脹性可調、抗熱震性好、耐化學腐蝕、低的介電損耗、電絕緣性好等

15、優(yōu)越的綜合性能；使得這種材料不僅具有較好經(jīng)濟效益，而且有希望代替更具傳統(tǒng)性的材料。目前已在許多領域得到廣泛的應用。5.1 機械力學材料上的應用利用微晶玻璃耐高溫、抗熱震、熱膨脹性可調等力學和熱學性能，制造出各種滿足機械力學要求的材料。據(jù)B. Porher , Amucha 報道，用PVD法把Al2O3SiO2 系微晶玻璃涂層蒸鍍到汽車金屬軸承上，可提高軸承的耐磨性、表面光滑性和散熱性。利用云母的可切削性和定向取向性制備出高強和可切削加工的微晶玻璃。作為機械力學材料的微晶玻璃廣泛應用于活塞、旋轉葉片、吹具的制造上，同時也用在飛機、火箭、人造地球衛(wèi)星的結構材料上。5.2 光學材料上的應用低膨脹和零

16、膨脹微晶玻璃對溫度變化特別不敏感，使其可在隨溫度改變而要求尺寸穩(wěn)定的領域得到應用，例如在望遠鏡和激光器的外殼中的應用。近幾年，出現(xiàn)了用鋰系微晶玻璃材料制造光纖接頭，它比傳統(tǒng)使用氧化鋯材料相比熱膨脹系數(shù)和硬度與石英玻璃光纖更為匹配，更易于高精度加工，環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)良。用金、銀作核化劑的微晶玻璃具有光學敏感性，可起到“顯影”作用【5】。同時在燈泡、透紅外儀器上得到廣泛應用。5.3 電子與微電子材料上的應用微晶玻璃的膨脹系數(shù)能從負膨脹、零膨脹，直到具有100 ×10 - 7/ 以上的熱膨脹系數(shù)，使得它能夠與很多材料膨脹特性相匹配，可以制得各種微晶玻璃基板、電容器及應用于高頻電路中的薄膜電路和

17、厚膜電路，如MgOAl2O3SiO2 系堇青石基微晶玻璃已應用于電子材料和航空領域。用溶膠凝膠法制取的鐵電微晶玻璃介電常數(shù)隨溫度的增加而減少然后再增加，并且其居里點具有明顯的彌散特征的云母微晶玻璃在電子、精密部件、航空領域有廣泛的應用前景【6】。極性微晶玻璃是一種新型的功能材料，含有定向生長的非鐵電體極性晶體具有壓電性能和熱釋電性能，在水聲、超聲等領域有廣闊的應用前景。5.4 生物醫(yī)學材料上的應用據(jù)報道鈣鐵硅鐵磁體微晶玻璃試樣在模擬體液中浸泡后，試樣表面的硅膠層上生成了能與人體組織良好結合的碳酸羥基磷灰石，具有良好的生物活性和強磁性能，起到人體骨骼和溫熱治癌作用。以TiO2 (PO4) 30.

18、 9Ca3 (PO4) 2為基礎的磷酸鹽多孔微晶玻璃具有抗菌作用和具有生物梯度的生物微晶玻璃材料。以云母為主晶相的微晶玻璃已成功地應用于脊骨和牙齒的替代物，另有報道，利用抗熱沖擊微晶玻璃的紅外輻射，在醫(yī)療保健產品中的應用，利用載有銀離子以LiTi2(PO4)3為骨架的磷酸鹽多孔微晶玻璃的抗菌劑方面的應用，利用氧化鋯增韌的CaOAl2O3SiO2系微晶玻璃有望作為一種新型的牙科材料進一步研究。5.5 化學化工材料上的應用微晶玻璃的化學穩(wěn)定性好，幾乎不被腐蝕的特性廣泛地應用于化工上。如：Na2OAlO2O3SiO2系霞石微晶玻璃隨酸溶液的變化存在一個極值區(qū)域，當堿溶液濃度較大時，失重幾乎與濃度變化

19、無關。在控制污染和新能源應用領域也找到了用途，如微晶玻璃用于噴射式燃燒器中消除汽車尾氣中的碳氫化合物；在硫化鈉電池中作密封劑；在輸送腐蝕性液體中作管道和槽等。5.6 建筑材料上的應用建筑微晶玻璃作為新型綠色裝飾材料，在世界上成為最具有發(fā)展前景的建筑裝飾材料。廣泛應用于大型建筑和知名重點工程，其裝飾效果和理化性能均優(yōu)于玻璃、瓷磚、花崗石和大理石板材；莫氏硬度615710，抗彎強度5060MPa，抗壓強度>500MPa，體積密度21652170，吸水率0，耐酸耐堿性、抗凍性耐污染性能優(yōu)異，無放射性污染，鏡面效果良好。微晶玻璃具有高的強度，封閉氣孔，低的吸水性和熱導性，質輕可作為結構材料、熱絕

20、緣材料【7】。5.7 其它材料上的應用泡沫微晶玻璃作為結構材料、熱絕緣材料和纖維復合增韌微晶玻璃都得到了廣泛研究和應用。核工業(yè)方面，微晶玻璃被用于制造原子反應堆控制棒上的材料、反應堆密封劑、核廢料存儲材料等方面。另外，1977年Scharch. KE 和Ash2bee.KHG發(fā)現(xiàn)云母微晶玻璃有記憶效果，開辟了微晶玻璃在記憶材料領域的應用。6 微晶玻璃的發(fā)展前景微晶玻璃作為一類重要的無機非金屬材料,其某些獨特性能是其它材料不可比擬的。近年來,微晶玻璃在組成、核化、晶化、工藝與應用開發(fā)等方面都取得了重大進展,并有一批材料商品化,但與它具有的一些優(yōu)異性能相比,其應用和產業(yè)規(guī)模還是很小的。微晶玻璃作為一種可選擇的裝飾材料,從短期來看,它仍無法與天然石材的自然屬性相比。而天然石材具有資源的有限性,從長遠看,存在微晶玻璃部分替代天然石材的可能性。由于微晶玻璃產品成本較高,導致市場價格偏高,加之市場對這種新產品的認識度偏低。因而,將大大制約其使用和發(fā)展。目前,微晶玻璃的應用主要局限于公共建設