玻璃陶瓷材料

玻璃陶瓷材料熔融法

玻璃陶瓷的制備最早使用的是熔融法，現(xiàn)在仍然廣泛使用。此種方法是將各種原料及添加劑混合均勻，于1100℃～1550℃高溫下熔融，均化后將玻璃熔體成型，退火后在一定溫度下進(jìn)行核化和晶化，以獲得晶粒細(xì)小、均勻且整體析晶的玻璃陶瓷。熔融法的最大特點(diǎn)是可以沿用任何一科·玻璃的成型方法，例如壓制、壓延、吹制、拉制及澆鑄等。與通常的陶瓷成型工藝相比，此法適合制備形狀復(fù)雜、尺寸精密的制品，便于機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，所得玻璃陶瓷制品致密度高、組成均勻、無(wú)氣孔。然而，此法的熔制溫度高，所得玻璃陶瓷晶相的數(shù)量取決于基礎(chǔ)玻璃的整體析晶能力和熱處理制度。

玻璃陶瓷材料燒結(jié)法

傳統(tǒng)的熔融法制備玻璃陶瓷存在一定的局限性，例如玻璃熔制溫度高、熱處理時(shí)間長(zhǎng)，而燒結(jié)法能夠克服以上缺點(diǎn)。此法是將玻璃熔體水淬、磨細(xì)后得到玻璃粉末，篩分分級(jí)后將玻璃粉末制成生坯，再在一定溫度下燒結(jié)，隨爐冷卻得到樣品。燒結(jié)法的特點(diǎn)是基礎(chǔ)玻璃的熔融溫度比熔融法低，熔融時(shí)間短。由于玻璃粉末具有較高的比表面積，比熔融法所得的玻璃更易析晶，不必使用核化劑。另外，此法制備玻璃陶瓷無(wú)需經(jīng)過(guò)玻璃形成階段，所以適于極高溫熔制的玻璃以及難以形成玻璃的玻璃陶瓷的制備。目前研究較多的是堇青石、頑輝石和鋰鋁硅系統(tǒng)的燒結(jié)玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷材料機(jī)械上的應(yīng)用

利用玻璃陶瓷耐高溫、抗熱震、熱膨脹可調(diào)等力學(xué)和熱學(xué)性能，可以制造出各種滿足機(jī)械力學(xué)要求的材料。利用云母的可削性和定向取向性，可以制備出高強(qiáng)度的和可切削加工性能的玻璃陶瓷。玻璃陶瓷作為機(jī)械力學(xué)材料可廣泛應(yīng)用于活塞、旋轉(zhuǎn)葉片及炊具，也可作為結(jié)構(gòu)材料用于飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星。

玻璃陶瓷材料光學(xué)上的應(yīng)用

低膨脹和零膨脹玻璃陶瓷對(duì)溫度變化不敏感，可在溫度變化但要求尺寸穩(wěn)定的領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如可用于望遠(yuǎn)鏡和激光器的外殼。將低膨脹鋰系玻璃陶瓷用于光纖接頭，與氧化鋯材料相比，在熱膨脹系數(shù)和硬度方面與石英玻璃光纖更為匹配，易于精密加工，環(huán)境穩(wěn)定性好。 2100433B

組成和顯微結(jié)構(gòu)是玻璃陶瓷成分設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要影響因素，主成分是成核的決定性因素，對(duì)于具有機(jī)械和光學(xué)性能的玻璃陶瓷來(lái)說(shuō)，顯微結(jié)構(gòu)是更為關(guān)鍵的影響因素，與主成分和微晶相聚集情況有關(guān)，不同的熱處理制度也會(huì)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。控制玻璃的析晶是形成玻璃陶瓷的前提條件．成核是控制結(jié)晶的決定性因素。母玻璃中晶體的形成通常經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：①亞顯微核形成階段；②亞顯微核生長(zhǎng)階段。以上兩個(gè)階段分別稱(chēng)為成核和晶體生長(zhǎng)。成核受兩方面因素影響：①選擇化學(xué)組成適宜的母玻璃，通常添加一定的成核劑；②控制熱處理制度，即加熱溫度及保溫時(shí)間。

本書(shū)以作者承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目及作者多年來(lái)在發(fā)光玻璃與玻璃陶瓷材料研究開(kāi)發(fā)方面取得的科研成果為基礎(chǔ)，較系統(tǒng)地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在玻璃科學(xué)研究方面和光致發(fā)光玻璃與納米透明玻璃陶瓷材料方面的最新成果，具體內(nèi)容包括：稀土離子的發(fā)光及其相互作用，白光LED的發(fā)光原理及其實(shí)現(xiàn)方式，熒光溫度傳感的原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀，稀土離子的能量轉(zhuǎn)換，稀土摻雜發(fā)光玻璃與納米透明玻璃陶瓷材料的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。本書(shū)可供材料、電子、能源、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、新材料開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和管理的科技工作者閱讀與參考，也可作為材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)、無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)、功能材料專(zhuān)業(yè)、新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生的教學(xué)參考書(shū)。

制備思路：他們?cè)谄胀ǖ腘a₂O-CaO-SiO₂玻璃系統(tǒng)中加入6wt%的P₂O₅，使得材料在元素成分上與自然人體骨骼有所接近，這種材料不僅對(duì)人體無(wú)害，而且由于P₂O₅的加入，增加了生物活性。他們把這種材料叫做“生物玻璃”（Bioglass），從而揭開(kāi)了玻璃和玻璃陶瓷材料作為生物體材料的序幕。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)人體無(wú)害，與骨組織親和性也好，而且還能夠與周?chē)墓趋澜M織牢固的結(jié)合在一起。

應(yīng)用情況：它的一些產(chǎn)品如牙科所用的ERMI和PerioGLAS粉、中耳骨、骨骼損傷修補(bǔ)等已進(jìn)入市場(chǎng)或在臨床應(yīng)用中。

缺點(diǎn)：力學(xué)性能不夠理想。不能直接應(yīng)用于人體的承受載荷的部位，而主要用于骨填充材料和生物涂層。

1.自增韌?

由適當(dāng)組成的玻璃通過(guò)控制結(jié)晶化制成微晶化玻璃,又稱(chēng)玻璃陶瓷。通過(guò)新晶相的析出來(lái)提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。如小久保正的A-W微晶玻璃，通過(guò)第二相硅灰石的析出提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，而沒(méi)有降低材料與骨結(jié)合的能力。可切削加工玻璃陶瓷則是通過(guò)向含磷灰石微晶的玻璃中引入能析出氟金云母的成分，大大改善了玻璃陶瓷材料的可切削加工性能。自增韌技術(shù)的采用在一定程度提高了玻璃材料的某些力學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用帶來(lái)了可能。?

2.顆粒增韌?

利用生物玻璃或陶瓷與其他顆粒相復(fù)合的方法提高整體材料的強(qiáng)度,復(fù)合方式有多種，可分為：

①與活性生物顆粒相復(fù)合，作為增強(qiáng)相與輕基磷灰石相復(fù)合。?

②與生物惰性顆粒相復(fù)合。選擇具有生物活性的生物玻璃為母材與其他惰性顆粒組成復(fù)合材料，從而保存活性提高強(qiáng)度和韌性。

3.纖維增韌?

碳纖維、碳化硅纖維及金屬纖維都被用于生物玻璃陶瓷材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌，如將碳纖維切成一定長(zhǎng)度的小段，并以水為介質(zhì)與磷酸鈣充分混合，將得到的漿料球磨混合后真空熱壓燒結(jié)，制得的復(fù)合材料最終抗彎強(qiáng)度為23.6MPa,拉伸變形率為0.36%，提高了材料的韌性。?

4.層狀復(fù)合增韌?

層狀復(fù)合增韌的核心是將結(jié)構(gòu)陶瓷中的層狀增韌機(jī)理引入生物材料。用生物活性材料(生物玻璃或HA)為基體材料，引入碳素等延性材料作為夾層材料，制備胚體，該胚體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱壓燒結(jié)，得到基本致密的塊體，其斷口為階梯狀斷裂，表明復(fù)合陶瓷整體在達(dá)到最大載荷點(diǎn)后失效不是突變的，而是裂紋在石墨層中擴(kuò)展,并逐步被吸收，呈Z狀擴(kuò)散，因而避免了脆性斷裂。?

5.生物活性玻璃涂層?

生物玻璃加涂士醫(yī)用金屬等的基底上形成的一種涂層材料，其目的在于利用生物玻璃與骨鍵合的生物活性以及金屬的高強(qiáng)度，構(gòu)成可承受負(fù)載的骨和牙等硬組織替換材料。功能梯度涂層即通過(guò)增加過(guò)渡性涂層，縮小基體與活性涂層間熱膨脹性能的差異，從而增強(qiáng)兩者之間的結(jié)合力，取得了一定的效果 。?