玻璃陶瓷材料制備方法

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，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需經(jīng)過玻璃形成階段，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。

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)性能的玻璃陶瓷來說，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)過兩個(gè)階段：①亞顯微核形成階段；②亞顯微核生長階段。以上兩個(gè)階段分別稱為成核和晶體生長。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。

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

本書以作者承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目及作者多年來在發(fā)光玻璃與玻璃陶瓷材料研究開發(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)與工程專業(yè)、無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)、功能材料專業(yè)、新能源材料與器件專業(yè)的本科生和研究生的教學(xué)參考書。

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)人體無害，與骨組織親和性也好，而且還能夠與周圍的骨骼組織牢固的結(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)組成的玻璃通過控制結(jié)晶化制成微晶化玻璃,又稱玻璃陶瓷。通過新晶相的析出來提高材料的機(jī)械強(qiáng)度。如小久保正的A-W微晶玻璃，通過第二相硅灰石的析出提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，而沒有降低材料與骨結(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增加過渡性涂層，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 。?