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玻璃陶瓷的各种妙用
2020年09月29日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:309
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玻璃和陶瓷都是我们再熟悉不过的物质了,但综合了两者优点的“玻璃陶瓷”却不一定为人所知。虽然三者都是无机非金属材料,但它们在微观结构上其实有着本质的区别——玻璃是非晶体,陶瓷是晶体(多晶体),玻璃陶瓷则是晶相与玻璃相结合的复合材料。

玻璃陶瓷

具有无限潜力的玻璃陶瓷(来源:NEXTREMA®)

事实上,玻璃陶瓷完全可以采用与玻璃部件相同的工艺制成,不过为了使玻璃材料转变成晶态的玻璃陶瓷材料,必须对其进行热处理或脱火。在这个过程中,新晶相会直接从玻璃相中生长出来的,使得玻璃相组成不断发生变化,最终得到一种晶相和残余玻璃相组成的质地致密、无孔、均匀的混合体,因此也被称为微晶玻璃

玻璃陶瓷的最大优点是它具有其它材料所不具备的多种特殊的显微结构,不同的显微结构可通过控制成核、结晶以及选择不同的母玻璃组分来实现,一般情况下它在热学、化学、生物学、光学以及电学性能方面都要优于金属及有机聚合物材料。因此自打1953年问世以来,对玻璃陶瓷的研究就没有停止过,它也被科学家誉为是21世纪的新型陶瓷材料。

玻璃陶瓷的应用

由于玻璃陶瓷的性能主要是由主晶相决定的,因此不同组成体系的玻璃陶瓷的性能往往各有千秋,比如说硅酸盐玻璃陶瓷会具有良好的可加工性,可以加工成高精度、复杂图案的元件;铝硅酸盐玻璃陶瓷具有有优良的热稳定性、抗热冲击性、化学稳定性及良好的光学性能;氟硅酸盐玻璃则具有与金属类似的可加工性和较高的强度与韧性等等。

多种不同的性能特点,使得各类玻璃陶瓷能够在对应需求的行业领域发挥出独特的优势,因此被广泛用于机械制造、光学、电子与微电子、航天航空、化学、工业及生物医药等领域,以下是它的一些主要应用。

1.建筑材料

玻璃陶瓷作为新型绿色装饰材料,相当具有发展前景,被广泛应用于大型建筑和知名重点工程,其装饰效果和理化性能均优于玻璃、瓷砖、花岗岩和大理石板材,具有耐酸耐碱性、抗冻性、耐污、无放射性污染、镜面效果良好等优势。而且由于高的强度,封闭气孔,低的吸水性和热导性,质轻等特点,玻璃陶瓷还可用作结构材料和热绝缘材料。

玻璃陶瓷

目前最受欢迎的建筑用玻璃陶瓷之一——Neopariés LT的玻璃陶瓷板,其主要晶相为硅灰石,被认为是室内和室外应用中石材的理想替代品

2.光学应用

由于玻璃陶瓷要实现零孔隙率的难度并不大,因此许多玻璃陶瓷都能表现出很好的透光性,甚至可以是透明的,相当适合用于光学应用。例如基于铝硅酸锂(LAS)体系的透明和低热膨胀的玻璃陶瓷已被用作望远镜镜坯和激光陀螺仪。玻璃陶瓷还可以表现出类似于单晶的光学特性,同时由于制作成本不高,非常适合制造形状复杂的大型物体。

玻璃陶瓷

此外,稀土离子掺杂的玻璃陶瓷体系作为发光材料近些年来一直是研究的热点。透明玻璃陶瓷有望替代玻璃和单晶在微芯片激光器、光纤放大器和高功率二极管泵浦固态激光器等光学领域成为新一代光学材料。

3.军事应用

在军事领域,玻璃陶瓷目前已广泛应用于高性能飞机和导弹的头罩中。对于这些应用而言,制作的材料必须满足以下一系列具有挑战性的性能要求,才能承受在大气层中高速飞行所产生的临界条件,如低热膨胀系数、高机械强度、高耐磨性、高导航雷达波透明度。

玻璃陶瓷

这样的高标准,基本没有玻璃、金属或单晶可以同时满足,但特殊定制的玻璃陶瓷却可以。还有一个例子就是装甲车辆或坦克的视窗,它要求视窗的材质既要坚固又得高度透明,因此具有高强度、高韧性和高半透明性的玻璃陶瓷能够用于这些特殊用途也不足为奇了。然而,由于军事研究的敏感性,很少有关于军用微晶玻璃的化学成份、显微结构和制备工艺的研究成果被发表出来。

4.生物医学应用

在医疗领域,生物玻璃(如Larry Hench发明的“金标准”生物玻璃45S5)早已投入应用。然而,生物玻璃固有的低强度和低韧性会限制其作为承重生物材料的应用,而玻璃陶瓷以晶相为强韧相,很好克服了生物玻璃的弱点。而且由于玻璃陶瓷中玻璃相的存在,玻璃陶瓷比一般的烧结陶瓷具有更好的生物活性和生物相容性,如含有磷灰石和β-硅酸盐(CaO-SiO2)晶体的A-W玻璃陶瓷(商业品牌为Cerabone)被认为是迄今为止硬组织修复中最优秀的生物活性玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷

A-W玻璃陶瓷

另有报道称,具有红外辐射性能的玻璃陶瓷已在医疗保健产品中得到应用,而载有银离子并以LiTi2(PO4)3为骨架的磷酸盐多孔玻璃陶瓷也已在抗菌剂方面得到应用。此外,氧化锆增强的CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷有望成为一种新型的牙科材料。

4.电子业应用

玻璃陶瓷能达到负膨胀、零膨胀直到100×10-7/℃以上的热膨胀系数,使其能够与众多材料膨胀特性相匹配,用于各种玻璃陶瓷基板,电容器及高频电路中的薄膜电路和厚膜电路,如MgO-Al2O3-SiO2系堇青石基玻璃陶瓷已应用于电子材料和航空领域。用溶胶-凝胶法制取的铁电玻璃陶瓷介电常数随温度的增加而减少而后再增加,居里点具有明显弥散特征,在电子、精密部件、航空领域有广泛的应用前景。极性玻璃陶瓷是一种新型的功能材料,含有定向生长的非铁电体极性晶体具有压电性能和热释电性能,在水声、超声等领域有广泛的应用前景。

玻璃陶瓷

玻璃陶瓷基板上的硅芯片封装

5.厨具应用

在厨房用具领域,高韧性(与玻璃相比),高美感和极低的热膨胀系数使得玻璃陶瓷成为易总很受欢迎的厨房用具材料,可应用在灶台、炊具和烘烤器具上。20世纪60年代末,康宁公司首次提出了在光滑的白色玻璃陶瓷上烹饪的概念。迄今为止,已有许多不同成分的微晶玻璃被开发出来用作厨具——其中使用最广泛的系统是Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系统,添加了CaO、MgO、ZnO等组分,其主晶相为β-石英固溶体,总体呈负热膨胀系数,不仅足够坚韧,而且还可以承受800-1000℃的反复快速温度变化。

玻璃陶瓷

好看又好用的玻璃陶瓷灶台

资料来源:

玻璃陶瓷的研究与发展,侯朝霞。

Properties and Applications of Glass-Ceramics

粉体圈 小榆


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