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玻璃陶瓷的各種妙用
2020年09月29日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:366
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玻璃和陶瓷都是我們再熟悉不過的物質了,但綜合了兩者優點的“玻璃陶瓷”卻不一定為人所知。雖然三者都是無機非金屬材料,但它們在微觀結構上其實有著本質的區別——玻璃是非晶體,陶瓷是晶體(多晶體),玻璃陶瓷則是晶相與玻璃相結合的復合材料。

玻璃陶瓷

具有無限潛力的玻璃陶瓷(來源:NEXTREMA?)

事實上,玻璃陶瓷完全可以采用與玻璃部件相同的工藝制成,不過為了使玻璃材料轉變成晶態的玻璃陶瓷材料,必須對其進行熱處理或脫火。在這個過程中,新晶相會直接從玻璃相中生長出來的,使得玻璃相組成不斷發生變化,最終得到一種晶相和殘余玻璃相組成的質地致密、無孔、均勻的混合體,因此也被稱為微晶玻璃。

玻璃陶瓷的最大優點是它具有其它材料所不具備的多種特殊的顯微結構,不同的顯微結構可通過控制成核、結晶以及選擇不同的母玻璃組分來實現,一般情況下它在熱學、化學、生物學、光學以及電學性能方面都要優于金屬及有機聚合物材料。因此自打1953年問世以來,對玻璃陶瓷的研究就沒有停止過,它也被科學家譽為是21世紀的新型陶瓷材料。

玻璃陶瓷的應用

由于玻璃陶瓷的性能主要是由主晶相決定的,因此不同組成體系的玻璃陶瓷的性能往往各有千秋,比如說硅酸鹽玻璃陶瓷會具有良好的可加工性,可以加工成高精度、復雜圖案的元件;鋁硅酸鹽玻璃陶瓷具有有優良的熱穩定性、抗熱沖擊性、化學穩定性及良好的光學性能;氟硅酸鹽玻璃則具有與金屬類似的可加工性和較高的強度與韌性等等。

多種不同的性能特點,使得各類玻璃陶瓷能夠在對應需求的行業領域發揮出獨特的優勢,因此被廣泛用于機械制造、光學、電子與微電子、航天航空、化學、工業及生物醫藥等領域,以下是它的一些主要應用。

1.建筑材料

玻璃陶瓷作為新型綠色裝飾材料,相當具有發展前景,被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于玻璃、瓷磚、花崗巖和大理石板材,具有耐酸耐堿性、抗凍性、耐污、無放射性污染、鏡面效果良好等優勢。而且由于高的強度,封閉氣孔,低的吸水性和熱導性,質輕等特點,玻璃陶瓷還可用作結構材料和熱絕緣材料。

玻璃陶瓷

目前最受歡迎的建筑用玻璃陶瓷之一——Neopariés LT的玻璃陶瓷板,其主要晶相為硅灰石,被認為是室內和室外應用中石材的理想替代品

2.光學應用

由于玻璃陶瓷要實現零孔隙率的難度并不大,因此許多玻璃陶瓷都能表現出很好的透光性,甚至可以是透明的,相當適合用于光學應用。例如基于鋁硅酸鋰(LAS)體系的透明和低熱膨脹的玻璃陶瓷已被用作望遠鏡鏡坯和激光陀螺儀。玻璃陶瓷還可以表現出類似于單晶的光學特性,同時由于制作成本不高,非常適合制造形狀復雜的大型物體。

玻璃陶瓷

此外,稀土離子摻雜的玻璃陶瓷體系作為發光材料近些年來一直是研究的熱點。透明玻璃陶瓷有望替代玻璃和單晶在微芯片激光器、光纖放大器和高功率二極管泵浦固態激光器等光學領域成為新一代光學材料。

3.軍事應用

在軍事領域,玻璃陶瓷目前已廣泛應用于高性能飛機和導彈的頭罩中。對于這些應用而言,制作的材料必須滿足以下一系列具有挑戰性的性能要求,才能承受在大氣層中高速飛行所產生的臨界條件,如低熱膨脹系數、高機械強度、高耐磨性、高導航雷達波透明度。

玻璃陶瓷

這樣的高標準,基本沒有玻璃、金屬或單晶可以同時滿足,但特殊定制的玻璃陶瓷卻可以。還有一個例子就是裝甲車輛或坦克的視窗,它要求視窗的材質既要堅固又得高度透明,因此具有高強度、高韌性和高半透明性的玻璃陶瓷能夠用于這些特殊用途也不足為奇了。然而,由于軍事研究的敏感性,很少有關于軍用微晶玻璃的化學成份、顯微結構和制備工藝的研究成果被發表出來。

4.生物醫學應用

在醫療領域,生物玻璃(如Larry Hench發明的“金標準”生物玻璃45S5)早已投入應用。然而,生物玻璃固有的低強度和低韌性會限制其作為承重生物材料的應用,而玻璃陶瓷以晶相為強韌相,很好克服了生物玻璃的弱點。而且由于玻璃陶瓷中玻璃相的存在,玻璃陶瓷比一般的燒結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-硅酸鹽(CaO-SiO2)晶體的A-W玻璃陶瓷(商業品牌為Cerabone)被認為是迄今為止硬組織修復中最優秀的生物活性玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷

A-W玻璃陶瓷

另有報道稱,具有紅外輻射性能的玻璃陶瓷已在醫療保健產品中得到應用,而載有銀離子并以LiTi2(PO4)3為骨架的磷酸鹽多孔玻璃陶瓷也已在抗菌劑方面得到應用。此外,氧化鋯增強的CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷有望成為一種新型的牙科材料。

4.電子業應用

玻璃陶瓷能達到負膨脹、零膨脹直到100×10-7/℃以上的熱膨脹系數,使其能夠與眾多材料膨脹特性相匹配,用于各種玻璃陶瓷基板,電容器及高頻電路中的薄膜電路和厚膜電路,如MgO-Al2O3-SiO2系堇青石基玻璃陶瓷已應用于電子材料和航空領域。用溶膠-凝膠法制取的鐵電玻璃陶瓷介電常數隨溫度的增加而減少而后再增加,居里點具有明顯彌散特征,在電子、精密部件、航空領域有廣泛的應用前景。極性玻璃陶瓷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、超聲等領域有廣泛的應用前景。

玻璃陶瓷

玻璃陶瓷基板上的硅芯片封裝

5.廚具應用

在廚房用具領域,高韌性(與玻璃相比),高美感和極低的熱膨脹系數使得玻璃陶瓷成為易總很受歡迎的廚房用具材料,可應用在灶臺、炊具和烘烤器具上。20世紀60年代末,康寧公司首次提出了在光滑的白色玻璃陶瓷上烹飪的概念。迄今為止,已有許多不同成分的微晶玻璃被開發出來用作廚具——其中使用最廣泛的系統是Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系統,添加了CaO、MgO、ZnO等組分,其主晶相為β-石英固溶體,總體呈負熱膨脹系數,不僅足夠堅韌,而且還可以承受800-1000℃的反復快速溫度變化。

玻璃陶瓷

好看又好用的玻璃陶瓷灶臺

資料來源:

玻璃陶瓷的研究與發展,侯朝霞。

Properties and Applications of Glass-Ceramics

粉體圈 小榆


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