可鑄造玻璃陶瓷

要使玻璃析出小于1μm、體積分?jǐn)?shù)很大的小晶粒，我們必須滿足每立方厘米的玻璃中有10¹²～10¹⁵數(shù)量級的均勻晶核，而且這些晶核的形成、生長必須可控。均勻形核通常很難滿足這些要求，故玻璃陶瓷中晶核的形成主要采用非均勻形核。非均勻形核的核心是經(jīng)過選擇的形核劑。這些形核劑是玻璃配合料在熔化期間加入的。形核劑有TiO₂、ZrO₂、P₂O₅、鉑族、貴金屬及氟化物等。

這些形核劑可以在玻璃中沉淀出晶核，然后主晶相在晶核上生長。形核劑也可促進玻璃中的相分離。相分離能提供第二相材料的細(xì)微分散體，細(xì)微分散體再形成晶核。其中的晶粒尺寸小到0.05μm，比可見光的波長短，且晶粒折射率接近，故這種玻璃陶瓷對可見光透明。若對這種玻璃陶瓷再次熱處理，使其晶粒長大到微米級，則它又成為不透明的材料。

熔融法制備玻璃陶瓷的工藝，沒有通常制備陶瓷材料時的壓制成型、燒結(jié)等過程。故玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)中沒有氣孔，結(jié)構(gòu)致密，不透氣，且還具有膨脹系數(shù)低、半透明、強度和硬度高等玻璃和陶瓷的特性。比如，Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷的熱膨脹系數(shù)很低。MgO-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷有優(yōu)良的電絕緣性、介電性能、丈學(xué)性能和熱學(xué)性能。因此，玻璃陶瓷的制備工藝開辟了制備多晶材料的又一新途徑。除了以上幾種，固態(tài)相變還有其他類型，如有序元序轉(zhuǎn)變、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變等。 2100433B

玻璃陶瓷也叫微晶玻璃，它是在玻璃中可控地析出晶體而形成的無孔多晶材料。其中，晶相的體積分?jǐn)?shù)在95%-98%之問，且晶粒尺寸通常小于1微米。除了晶相外，玻璃陶瓷還有少量的殘余玻璃相。

其實，早在18世紀(jì)中葉，法國化學(xué)家Ren6 Antoine R6aumur就已經(jīng)制備出了玻璃陶瓷。他將玻璃瓶埋人沙子和生石膏的混合物中加熱并保溫幾天。結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)玻璃變得不透明了，而且還像陶瓷一樣。但他還不能通過嚴(yán)格的過程對其進行控制并做進一步研究(18世紀(jì)初，化學(xué)家還沒有參與分析陶瓷成分時，R6aumur就開始對傳到法國的瓷器進行分析。他將化學(xué)學(xué)科的方法帶入陶瓷分析中的這項工作為現(xiàn)代陶瓷的出現(xiàn)拉開了序幕)。R6aumur之后的200多年，玻璃陶瓷的研究和生產(chǎn)才獲得突破。這得歸功于物理化學(xué)家Stanley Donald Stookey。

1940年，Stookey在MIT博士畢業(yè)后來到康寧玻璃公司。在這里，他首先研究玻璃的感光性。那時人們早已知道一種含Au的“紅寶石玻璃”。這種玻璃中的Au離子在紫外線的照射下被還原成Au原子，并形成大量的Au晶核，從而產(chǎn)生一定的顏色。為了形成漂亮的色彩，析出的顆粒尺寸必須處于膠體態(tài)。這就要求有大量的晶核，而且不能過分長大。通過研究，Stookey找到了CeO₂這種敏感劑。他還通過改變玻璃中膠體Au的晶體尺寸來使感光玻璃變?yōu)樗{色、紫色或紅色。1948年，為了在彩電屏幕的薄玻璃板上形成許多復(fù)雜小孔，Stookey用他發(fā)現(xiàn)的感光玻璃做實驗。這些感光玻璃在遮光板后曝光和晶化。然后，將曝光和晶化后的玻璃在不同溶劑中受到侵蝕。所有晶化區(qū)完全被溶解掉，而未晶化的玻璃則保留完好。這即是可進行光化學(xué)加工的玻璃，其商品名為FOTOFORMlM。

接著，為了研究可進行光化學(xué)加工玻璃的侵蝕速率，Stookey準(zhǔn)備在600℃的溫度下，將一塊FOTOFORMTM樣品進行熱處理。然而由于操作失誤，溫度卻升到了900℃。Stookey本以為樣品在700℃就會軟化，但他卻發(fā)現(xiàn)樣品成了一塊不透明的固體。而且，樣品掉在地上也未碎裂。于是，Stookey意識到對化學(xué)加工的材料做熱處理可得到高強度陶瓷。這就是后來康寧公司的產(chǎn)品FOTOCERAMlM。Stookey的這個發(fā)明成了后來制造大塊玻璃陶瓷的起點。

首先，按照普通玻璃的制備工藝將配合料熔融、成型，然后冷卻到室溫獲得玻璃態(tài)物質(zhì)。接下來，將獲得的玻璃態(tài)物質(zhì)升到一定溫度并保溫。在此溫度下，主晶相形核。形核完成后，繼續(xù)升溫至晶核生長速率較大的溫度范圍。除了熔融法外，還可采用燒結(jié)法制備玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷材料機械上的應(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，可以制備出高強度的和可切削加工性能的玻璃陶瓷。玻璃陶瓷作為機械力學(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、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

是指金屬材料的液態(tài)成型工藝。將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔，凝固后使之成為具有一定形狀和性能的鑄件。鑄造的特點是使金屬一次成形，工藝靈活性大，各種成分、形狀和重量的鑄件幾乎都能適應(yīng)，且成本低廉。鑄造方法分砂型鑄造和特種鑄造，可根據(jù)鑄件的合金類型、大小、批量、質(zhì)量要求予以選擇。在大批生產(chǎn)時可以采用機械化、自動化設(shè)備 。