（材料科学与工程专业论文）可切削氟金云母微晶玻璃的制备及性能研究.pdf

籀要 论文题目：可切削氟金云母微晶玻璃的制备及性能研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：苏波签名：勉 指导教师：赵康教授 签名：础 摘要 可切削微最玻璃是近年来发震的一种新型微晶玻璃，除具备一般微晶玻璃共有的优异 性能，又具有独特的可切削加工性能，能够采用加工金属的工具进行切削加工，其工程应 用前景和发展领域十分广阔。 本论文以s i 翰m g o - a 1 2 0 3 一k 2 0 - n a 2 0 一f 系i 0 2 鳃9 ，a 1 2 0 21 7 2 ，m 9 0 1 9 5 玛，f 6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ) 可切削微晶玻璃为研究对象，用b 2 0 3 和z n o 取代该玻璃体系 的部分组分s i 0 2 和触2 0 3 ，以降低玻璃原料的熔融温度，优化出最佳的低熔点成分。采用 烧结法制备出低熔点可切削微晶玻璃，应用示差扫描量热分析( d s c ) 、x 射线衍射分析 ( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 等现代分析方法，研究了可切削微晶玻璃的组织、结构、工艺与 性能之间的关系，优化出了母玻璃的最佳烧结工艺，为低熔点可切削微晶玻璃的制备和研 究提供一定理论指导。同时，本论文还研究了不同成分的z l - 0 2 的加入对优选出的低熔点 可切削徽晶玻璃组织和性能的影响，并初步讨论了z r 0 2 在微晶玻璃中的强韧化机理，褥 到如下主要结果： 1 对于基础原料成分( s i 0 24 8 9 ，a 1 2 0 31 7 2 ，m 9 0 1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 0 5 8 ) ，优选出的三种成分取代方式( 以9 。0 1 3 2 0 3 取代s i 0 2 ，6 0 z n o 取代a 1 2 0 3 ，9 b 2 0 3 和6 z n o 同时取代b 2 0 3 和a 1 2 0 3 ) 都能有效降低玻璃原料的熔融温度，尤以b 2 0 3 取代s i 侥 效果最明显，玻璃原料熔融温度从1 4 0 0 c 降至1 2 0 0 c 。 2 综合比较以下三种成分微晶玻璃的密度、抗弯强度、维氏硬度等性能：三种微晶玻璃 的优化烧结王艺分别力： 4 a 试样( s i 0 23 9 9 ，a 2 0 31 7 2 ，m 9 0 1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，b 2 0 3 9 0 1 最佳烧结工艺：8 2 0 c x 2 h + 9 5 0 x 4 h ： 4 b 试样( s i 0 24 & 9 ，a 1 2 0 31 1 2 ，m 9 0 1 9 。5 ，f6 。3 ，n a 2 02 。3 ，k 2 05 8 ，z n o6 o ) 最佳烧结工艺：8 8 0 x 2 h + 1 1 0 0 x 4 h ： 4 c 试样( s i 0 23 9 9 ，a 1 2 0 31 1 2 ，m g o1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，b 2 0 3 9 o ，z n o6 o 、 最佳烧结工艺：7 9 0 x 2 h + 1 0 5 0 c x 4 h 。 3 不同烧结温度下，4 a ，豹，钯试样最终柝激相都是以氟金云母相为主，同时还分别析出了 少量镁铝尖晶石、锌镁硅酸盐、镁橄榄石相。烧结温度不同，微晶玻璃最终生成相的种类 西安理工大学硕士学位论文 不受影响，但析出相的含量随烧结温度的变化而不同，组织形貌也不同。在最佳烧结工艺 下，4 a 和4 b 试样析出的主晶相氟金云母呈现出明显的层片状相互交错的组织特征，层片 状云母交错程度较高，长径比大( 一般都在8 ：1 以上) ，断口呈现明显的解理断裂特征。 4 z r 0 2 在m g o a 1 2 0 3 s i 0 2 - k 2 0 - n a 2 0 f 系云母微晶玻璃( s i 0 23 9 9 ，a 1 2 0 31 7 2 ， m 9 0 1 9 5 ，f 6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，b 2 0 39 0 ) 中的溶解度在7 8 之间，当z r 0 2 含量达到8 时母玻璃中即有白色沉淀物。 、5 综合比较3 z ( j i x , 3 z r 0 2 ) ，5 z ( 加入5 z r 0 2 ) ，7 z ( 加入7 z r 0 2 ) 试样的密度、抗弯 强度、维氏硬度和断裂韧性等性能，可以确定添加z 帕2 的微晶玻璃试样的最佳烧结工艺 为8 0 0 x 2 h + 1 0 0 0 x 4 h ，z r 0 2 在该系微晶玻璃中最佳添加量为5 左右。 6 z r 0 2 的加入可以促进玻璃析晶，细化晶粒，改善微晶玻璃可切削性能和力学性能，不 影响微晶玻璃析出相种类。微晶玻璃的密度、断裂韧性、可切削性能都随着z r 0 2 含量的 增加而提高，但抗弯强度和维氏硬度5 z 试样最大，与4 a 相比，5 z 试样的抗弯强度达到 2 6 7 m p a ，提高了近4 3 m p a ，断裂韧性也由2 1 5 m p a 皿坭提高到2 7 2 m p a m 坛。 关键词：可切削微晶玻璃：氟金云母；烧结；低熔点；z 1 0 2 ；强韧化 a b s t r a c t t i t l e ：f a b r i c a t l o na n dp r o p e r t l e so fm a c h i n a b l e f l u o r o p h l o g o p i t eg l a s s - c e r a m i c s m a j o r =m a t e r i a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：s ub 0 s u p e r v i s o r p r o f 。z h a ok a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：丛 s i g n a t u r e ：型芝鱼矿 g l a s s - c e r a m i c sa l ep o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l sm a d eb yc o n t r o l l i n gc r y s t a l l i z a t i o no fg l a s s e s c o m p a r e dw i t ht h em a t r i xg l a s s e s ，t h e i rm e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e sa r ei m p r o v e d s i g n i f i c a n t l y e s p e c i a l l y , m a c h i n a b l eg l a s s - c e r a m i c sc a nb em a c h i n e du s i n gt h ec o n v e n t i o n a l m e t a lt o o l i n gp r o c e s s e s ，w h i c hi sa m a j o rp r o g r e s si nm a t e r i a l st e c h n o l o g y m a c h i n a b l e # a s s - c e r a m i c sw e r ef a b r i c a t e db a s e do nt h es i 0 2 一m g o - a 1 2 0 3 - k 2 0 - n a 2 0 - f s y s t e mb ys i n t e r i n g 。i nt h eg l a s ss y s t e m ，p a r to fs i 0 2a n da 1 2 0 3w e r er e p l a c e db yb 2 0 3a n d z n ot od e c r e a s em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fr a wm a t e r i a l s t h eb e s tc o m p o s i t i o no fb 2 0 2a n dz n o w a sd e t e r m i n e dt h r o u g hm e l t i n gt e m p e r a t u r et e s t mr e l a t i o n s h i po ft h em i c r o s t r u c t u r e ， s i n t e r i n gp r o c e s sa n dp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e du s i n gd s c , x r da n ds e m 。b e s i d e s ，t h e e f f e c to fz r 0 2o nt h em i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so fm a c h i n a b l eg l a s s - c e r a m i c sb a s e do nt h e s i 0 2 - - m g o - a 1 2 0 3 k 2 0 - n a 2 0 - fs y s t e mw a ss t u d i e da n dt h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo fz 1 0 2 i nm a c h i n a b l eg l a s s - c e r a m i c sw a sa l s od i s c u s s e d 弧er e s u l t ss h o wt h a t ： 1 b 2 0 3a n d 孙0w e r ee f f e c t i v et od e c r e a s et h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fr a wm a t e r i a l s w h e nt h e c o n t e n to fb 2 0 3w a s9 ，t h em e l t i n gt e m p e r a t u r ew a sr e d u c e df r o m1 4 0 0 t o1 2 0 0 2 b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so fd e n s i t y , t h r e ep o i n tb e n d i n gs t r e n g t h ，h a r d n e s so fs p e c i m e n s u n d e rv a r i o u ss i n t e r i n gp r o c e s s ，t h eo p t i m i z e ds i n t e r i n gp r o c e s s e sa r ea sf o l l o w s ： s p e c i m e n4 a ( s i 0 2 3 9 9 ，a 1 2 0 3 1 7 2 ，m 9 0 1 9 5 ，f 6 3 ，n a 2 0 2 3 ，k 2 0 5 8 ， b 2 0 3 9 。0 ) t h eo p t i m i z e ds i n t e r i n gp r o c e s si sd e t e r m i n e dt ob e8 2 0 2 h 十9 5 0 c x 4 h ； s p e c i m e n4 b ( s 1 0 2 3 9 。9 ，a 2 0 3 1 7 2 ，m 9 0 1 9 。5 ，f 6 3 ，n a 2 0 2 。o ，k 2 0 5 8 ， z n 0 6 0 ) t h eo p t i m i z e ds i n t e r i n gp r o c e s si sd e t e r m i n e dt ob e8 8 0 2 h + 1 1 0 0 x 4 h ； s p e c i m e n4 c ( s i 0 2 3 9 9 ，a 1 2 0 3 1 7 2 ，m 9 0 1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 0 2 3 ，k 2 0 5 8 ， b 2 0 3 9 0 ，z n 0 6 o ) t h eo p t i m i z e ds i n t c r i n gp r o c e s si sd e t e r m i n e dt ob e7 9 0 2 h + 1 0 5 0 x 4 h 。 i i l 西安理工大学硕士学位论文 3 t h ef i n a lc r y s t a l sa l em a i n l yf l u o r o p h l o g o p i t eo fs p e c i m e n4 a , 4 b ，4 cu n d e rd i f f e r e n t s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dal i t t l em a g n e s i u ma h m i n a t es p i n e l ，z i n cm a g n e s i u ms i l i c a t ea n d f o r s t e r i t ew e r ea l s of o r m e d f h o r o p h l o g o p i t ef o r m e do fs p e c i m e n4 aa n d4 bu n d e ro p t i m i z e d s i n t e r i n gp r o c e s sw i t hh i g hi n t e r l o c k e dm i c r o s t r u c t u r ea n dh i 【g ha s p e c tr a t i o ，w h i c he n s u r eg o o d m a c h i n a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 4 t h es o l u b i l i t yo fz r 0 2i nm g o - a 1 2 0 3 s i 0 2 b 2 0 3 一k 2 0 n a 2 0 一fs y s t e mg l a s s - c e r a m i c si s b e t w e e n7 8 5 b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so fd e n s i t y , t h r e ep o i n tb e n d i n gs t r e n g t h ，h a r d n e s sa n df r a c t u r e t o u g h n e s so fs p e c i m e n su n d e rv a r i o u ss i n t e r i n gp r o c e s s ，t h eo p t i m i z e ds i n t e r i n gp r o c e s s e so f 3 z ，5 z 7 zw a s8 0 0 2 h + 1 0 0 0 c 4 ha n dt h eo p t i m i z e dc o n t e n to fg r 0 2w a s5 6 g l a s s - c e r a m i c ss t r e n g t h e n e db yz 1 0 2h a v es m a l l e rg r a i ns i z ea n dh i g h e rs t r e n g t h t h eb e n d i n gs t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s so ft h eg l a s s c e r a m i c sr o s ew i t ht h ei n c r e a s eo fz 1 0 2 z r 0 2 h a sn oe f f e c to nt h ec r y s t a lp h a s ea n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h eg l a s s c e r a m i c s t h eb e n d i n g s t r e n g t ho f5 zw a su pt o2 6 7 m p af r o m2 3 4 6 m p aa n df r a c t u r et o u g h n e s sw a su pt 02 7 2f r o m 2 1 5 m p a - m l 2 k e yw o r d s ：m a c h i n a b l eg l a s s - c e r a m i c s ；f h o r o p h l o g o p i t e ；s i n t e r i n gp r o c e s s ；l o wm e l t i n g t e m p e r a t u r e ；z , r o e ；s t r e n g t h e na n dt o u g h e n i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名 学位论文使用授权声明 寸年广月缈日 本人叠塑盔一在导师的指导下创作完成毕业论文。：本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即；1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。i ，本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师躲鲻，舻m 矿日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 微晶玻璃又称玻璃陶瓷( g l a s s c e r a m i c s ) ，是由适当组成的玻璃原料熔炼后，通过加热 控制析晶而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。 玻璃是一种非晶态固体，从热力学观点看，它是一种亚稳态，较之晶态具有较高的内 能，在一定条件下，可转变为结晶态。从动力学观点看，玻璃熔体在冷却过程中，黏度的 快速增加抑制晶核的形成和长大，使其难以转变为晶态。微晶玻璃就是人们充分利用玻璃 在热力学上的有利条件而获得的新材料。 微晶玻璃既不同于玻璃，也不同于陶瓷。微晶玻璃与陶瓷的不同之处是：玻璃微晶化 过程中的晶相是从单一均匀玻璃相或已经产生相分离的区域，通过成核和晶体生长而产生 的致密材料；而陶瓷中的晶相，除固相反应的重结晶或生成的新晶相以外，大部分是在制 备过程中通过原始组分直接引入的。微晶玻璃与玻璃的不同之处在于微晶玻璃是微晶体和 残余玻璃相组成的复合材料；而玻璃则是非晶态或无定形体。另外微晶玻璃可以是透明的 或呈各种花纹和颜色的非透明体，而玻璃一般是各种颜色、透光率各异的透明体。 微晶玻璃具有很多优异的性能，其性能指标往往优于同类玻璃和陶瓷。如热膨胀系数 可在很大范围内调整：机械强度高；硬度大，耐磨性能好；具有良好的化学稳定性和热稳 定性，能适应恶劣的使用环境；软化温度高，即使在高温环境下也能保持高的机械强度； 电绝缘性能优良，介电损耗小、介电常数稳定；与相同力学性能的金属材料相比，其密度 小，但质地致密，不透水，不透气等。此外，微晶玻璃性能的可设计性也是其它材料不可 比拟的，可以根据实际需要调整各组分的比例，连同可以控制的热处理制度，晶体的种类、 数量、尺寸可以按照设计的要求生产出来，从而可以有效控制微晶玻璃的性能，可以获取 特殊的光学、电学、磁学、热学和生物性能。例如，微晶玻璃的热膨胀系数可以在一个很 大范围内改变，可以根据需要控制析晶的比例和种类，可以生产出正膨胀系数、零膨胀系 数、负膨胀系数的微晶玻璃。 微晶玻璃的性能主要取决于微晶相的种类、晶粒尺寸和数量、残余玻璃相的性质和 数量。与基础玻璃相比，微晶玻璃的力学、热学方面的性能得到较大的提高；与传统陶瓷 相比，微晶玻璃的结构性能较易控制，并可采用传统的生产玻璃工艺提高生产效率。玻璃 控制析晶转变为陶瓷形态的过程，制品没有变形只有微小的尺寸改变，一般不超过3 。 它的显微结构、性能和生产方法与玻璃和陶瓷都有差别，但又集中了这两者的优点，具有 很多优良的性能。 因此，微晶玻璃在国防、航空、建筑、电子、光学、化工、机械及医疗等领域作为结 构材料、技术材料、光学材料、电绝缘材料等获得广泛应用1 1 一钉。目前，微晶玻璃的品种 还在不断增加许多潜在的优异性能尚待发现，应用领域有待扩展。 燕窝瑗麓芰学矮士擎薅滁文 可落潮微晶玻璃( m a c h i n a b l eg l a s sc e r a m i c s ) 遵称可枫加工微器玻璃是近年来发展韵 一种新型微晶玻璃，除具备一般微晶玻璃热有的优异性能，又具有独特的可切削特点，该 艇糕与金属穗皴，笺不礴程凄抟氆鼷怒工金霾魏工曩避嚣袈削魏工，霹可以耀一般规康避 嚣辜、魏、铡、窘、镭、键我蕺玫墼等撩凌蘸熬王手羧鬻燕美育精密跫寸、藕誊既舍秘囊 杂形状的构件，这是其宦微晶玻璃材料所不具备的，其工程应用前景和发展领域十分广阔， 愈来愈受到人们的重视，成为当前鞠今愚枢当长个肘期内材料科学与工程领域的研究热 焘之一。 1 2 可切削云母微晶玻璃的分类 差未董嚣簸姓云母擞鑫骧璃 四氟裢嚣母微晶玻璃盎要应用予搿料。许多群料陶瓷的成型缺葱精确健，需隳牙医在 艋床时对牙嚣的形状进行修正，抛光过瑕一般要产生裂纹。为了髌决这一闻题，1 9 7 2 年， d g g m s s m a n l 5 l 藏囊楚添嚣元蒋系k 2 0 - m g f 2 - m g o - s i 0 2 ，囊备窭魏蘸硅云母霹熬工凌蔫鬻 瓷，它可馘熔化和浇注成牙冠等牙科修复体。它怒出d e n t sp l y 公司和康宁玻璃厂联合研 制的【6 1 ，商晶名为d i c o r ( d e n t sp l yi n t e r n a t i o n a la n dc o m i n gg l a s sw o r k s ) 。由于d i c o r 玻璃 鬻瓷是浇铸袋型叉赘铸造陶瓷。它滁7 霹甥羹燕工终，还毒激下魏焘：量生携襁窑彝魏 学惰性；渤耐磨：它与鸯然牙槎辩游动嚣 雩，嘉攮率霞是牙辩长露瓷麓一半；邸) 懿磐麓美 学效果。该玻璃陶瓷晶化后，析出的晶体细小，并且析出晶体的折射率与基体玻璃近似， 嚣姥有嵩度熬透臻 生，熠其裁作匏生物修复体具骞与牙釉曩接避的透踢度，羹学效果良虹母 餐是荬主要缺点是鎏臻新裂速搴亵| 露。据缝嚣：铸造d i c o r 署嚣豢藤羲裂速率三年嘉达 6 4 ，为了提高强度和断裂韧性，= 十世纪九十年代初，g r o s s m a n 在“d i c o r ”的基础上 发展了名为d i c o r m g c 的可切削微晶玻璃，此类材料的硬度及断裂韧性分别达到了 3 7 g p a 嚣l 3 9 m p a m 瓣，燕徽绪豫蕊平捉靛云霉篓撬努毒在蓑璃基豁上熬薅浚缝捻鼷；1 9 9 6 年美莺康宁玻璃公司又研究了一释薪的哥切戳徽滠玻璃，名魏瀚g e 它其露赢熊荧淹 特性和良好的可切削性能，它的平均断裂韧性( 2 。0 9 _ + 0 1 6 m p a m 1 昭) 和四点抗弯强度 ( 1 5 2 + _ 1 3 m p a ) 蹇予d i c o rm g c - l i g h t ( 1 ，6 5 _ + 0 0 5 m p a ，耀鼍熏羹3 黛醚p 舔耩署科长磊瓷v i t am a r k i i ( 1 。2 6 _ + o 0 4 m p a - m m ；8 4 _ + f f m p a ) 。嚣燕c a d 学c a m 黪复俸，m g c - f 在天蒋串魏凝裘羲交 可能更好。但这只是璁论上的，该材料只有经过人体彳亍为的评价，才能做出临床的统计结 论。d i c o r 玻璃陶瓷的舄缺点是相当昂贵，制铸阶段困难，耗时。为了解决这一问题， 删晕l 霹窕了一番藉缒禽镖蕊霉镯削徽瑟玻璃，篱热了热廷瑷王蓑。夔了牙辩藏蔫努， 加入着色鬻离子，它还适宜予做群人造大理石静l 硼。表王1 魏d i c o rm a w r 系刘产品的性 能，其硬度和加工性能与自然牙齿最接近。 慧 1 绪论 1 2 2 氟金云母微晶玻璃 1 9 7 0 年由gh b e a l l l l l 】首先发明的可切削微晶玻璃的主晶相是钾金云母 k m 9 3 a i s i 3 0 1 0 f 2 ，它供应国际市场上的第一产品，牌号叫“m a c o r ，它的母玻璃成分( 叭) 是： s i 0 2 4 4 b 2 0 38a 1 2 0 31 6 m g o 1 6 k 2 01 0 f6 在此种成分的母玻璃中受控析出金云母晶相。m a c o r 己经发现在精密电子绝缘子、真 空引线柱、微波管部件窗口、场离子显微镜试样夹、地震仪线圈架、7 射线望远镜框架和 航天飞机边缘挡板等特殊领域有着广泛用途。用传统的加工金属的机械精密加工的m a c o r 具有很高的介电强度( 4 0 k v m m ) 和非常低的氦渗透速率，这在高真空应用上是非常重要 的。gh b e a l l 还介绍过一种以碱土氟金云母为基础的可切削微晶玻璃，它具有与水接触 便膨胀的性质。八十年代，w v o g e l 及w h o l a n d 1 2 1 研制出卷曲的金云母晶体。这种可切 削玻璃陶瓷的母玻璃的成分是m ) ： n a 2 0 4 4 k 2 0 4 9 m g o 1 1 8c a o0 2 2 0 3 2 9 9 s i 0 24 4 5 p 2 0 5 0 2f2 2 它的可切削性良好，高于普通可切削微晶玻璃4 5 倍，与钾金云母微晶玻璃相比有较 高的力学强度，它还是生物相容的。1 9 8 8 年以后，该微晶玻璃材料己用于头和颈的外科【1 3 l 。 他们还研制了一种含铁的云母微晶玻璃，这种微晶玻璃也具有良好的可切削性，此外可以 使用矿藏丰富的天然云母原料，从而可能实现经济生产1 1 4 】。 1 2 3 具有生物活性的云母微晶玻璃 1 9 8 5 年，德国的w v o g e l 和w h o l a n d 等在含有金云母相的玻璃中引入c a o 、p 2 0 s ， 通过控制分相和晶化，除析出金云母外，还能析出氟磷灰石。但是，钙和磷的加入量要适 当，若钙和磷的加入量太少，将仅析出金云母；若钙和磷的加入量过多，金云母不能析出， 将只能析出氟磷灰石。这种含有磷灰石和云母的玻璃陶瓷不但生物相容，而且具有生物活 性，在医学领域适于做矫形种植体。我国的黄占杰等f 1 5 l 也研制了该种含有磷灰石的云母 3 西安理大学硕士学位论文 玻璃陶瓷，并在成分中添加了氧化硼以降低熔化温度。山东轻工业学院的陈晓峰等i 1 6 1 也 制得了具有良好生物活性、生物相容性和可切削加工性能的微晶玻璃，证明该材料在骨内 可通过表面化学反应与活骨组织产生牢固的化学结合，并对周围组织无任何不良影响，可 用于制作骨、齿科部件。该材料已在颁面整形矫科方蘑用于临床。但由于强度较低( 约 1 2 0 1 4 0 m p a ) ，只能用于人体中载荷要求不高的地方。 1 3 可切削微晶玻璃的发展简史 1 9 7 0 年，b e a l l 首次制备出基础玻璃组成为s i o z - b 2 0 3 a 1 2 0 r m g o k 2 0 f 的云母微晶 玻璃。对制得的基础玻璃在稍高于1 0 5 0 温度下进行微晶化处理，获得含数微米大小氟 金云母：( k m g a a i s i ：1 3 0 l o f 2 ) 微晶体的微燕玻璃，可用钢铡刀具对其进行机械翔工。 1 9 7 2 年，g r o s s m a n ，以k 2 0 m g f 2 - m g o s i 0 2 为基础组成，并以a 1 ：0 3 部分取代m g o ， 经高温熔融制得基础玻璃，然后在1 1 0 0 下进行微晶化处理制得含氟云母微晶体 k 1 x m g 捌】 x s i 3 + x o i o f 2 的可加工微晶玻璃( 被命名为m a c o r ) 。 1 9 8 0 年，美国的c o m i n g 玻璃公司和o e n t s p l y 牙科公司联会进行了齿冠修复用徽晶 玻璃材料的基础研究和临床应用研究，并开发出商品名为d i c t a 的齿冠产品，其主晶相为 四氟硅云母( k m 9 2 5 s h o l o f 2 ) 。这种微晶玻璃的基础组成与g r o s s m a n 开发的微晶玻璃的组 成相近，含四氟硅云母徽晶体达5 0 以上，材料呈半透明状态，为露前首推的齿科修复 体材料。 1 9 8 3 年，原民主德国的w v o g e l 等在n a 2 0 k 2 0 - s i 0 2 2 0 3 - m g o f 可切削微晶玻璃 的基础上加入c a o 和p 2 0 s ，制备出了可切削生物活性微晶玻璃( m b c ) ，其主晶相为氟金 云母 0 时，b 4 3 ，云母微晶玻璃具有良好的可切削性，当n 0 时，b 4 3 ，云母微晶玻璃具有良好的可切削性，当n 0 时，材 料难以切削。将本论文所制备材料的性能参数带入上述公式计算，结果如表4 - 6 所示： 表4 - 6 不同成分微晶玻璃的脆性参数( b ) 、n 参数 t a b l e4 - 6be x p o n e n ta n dne x p o n e n to fg l a s s - c e r a m i cw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n 从表4 - 6 中计算结果可知，本论文所制备的微晶玻璃具有良好的可切削性能。同时依 据脆性参数判据的理论：b 值愈小可切削性愈好。理论计算结果与钻削实验结果整体趋势 是基本吻合的，这也验证了脆性参数b = h r k t c 和n 参数n = o 4 6 7 - o 1 0 6 b 作为微晶玻璃判 据的有效性。 西安理盖大学颈士学位论文 5 结论 l 。对于基础原料成分i 0 24 8 。9 ，a 1 2 0 3 王7 2 ，m 9 0 1 9 。5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 0 5 8 ) ，优选出的三种成分取代方式( 以9 0 b 2 0 3 取代s i 0 2 ，6 0 z n o 取代a 1 2 0 3 ，9 b 2 0 3 和6 z n o 同时取代b 2 0 3 和a 1 2 0 3 ) 都能有效降低玻璃原料的熔融温度，尤其以b 2 0 3 取代 s i 0 2 效果最明显，玻璃原料熔融温度从1 4 0 0 。c 降至1 2 0 0 。 2 综合比较三种成分微晶玻璃的密度、抗弯强度、维氏硬度等性能：三种微晶玻璃的最 佳烧结工艺分别为： 4 a 试样( s i 0 23 9 9 ，a 1 2 0 31 7 2 ，m g o1 9 5 ，f6 。3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，b 2 0 3 9 。o 最佳烧结工艺：8 x 2 h + 9 5 0 尊x 4 h ； 4 b 试样( s i 0 24 8 9 ，a 1 2 0 31 1 2 ，m g o1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，z n o 6 o ) 最佳烧结工艺：8 8 0 x 2 h + 1 1 0 0 x 4 h ； 如试样( s i 0 23 9 9 ，a 1 2 0 31 1 2 ，m g o 王9 。5 ，f6 。3 ，n a z o2 3 ，k 2 05 8 ，b 2 。3 9 o ，z n o6 0 ) 最佳烧结工艺：7 9 0 x 2 h + 1 0 5 0 x 4 h 。 3 不同烧结温度下，4 a , 4 b ，4 c 试样最终析出相都是以氟金云母相为主，同时还分别析出了 少量镁铝尖晶石、锌镁硅酸盐、镁橄榄石楣。烧结温度不同，微照玻璃最终生成相的种类 不受影响，但析出相的含量随烧结温度的变亿丽不同，组织形貌也不同。在最佳烧结工艺 下，4 a 和4 b 试样析出的主晶相氟金云母呈现出明显的层片状相互交错的组织特征，层片 状云母交错程度较高，长径比大( 一般达到8 ：1 以上) ，断口呈现明显的解理断裂特征。 4 。z r 0 2 在磁g o a 1 2 0 3 - s i 0 2 一k 2 0 n a 2 0 一f 系云母微晶玻璃( s i 0 23 9 9 ，a 1 2 0 31 7 2 ，m g o 1 9 5 ，f6 3 ，n a 2 02 3 ，k 2 05 8 ，b 2 0 39 0 ) 中的溶解度在7 一8 之间，当z r 0 2 含量 达到8 时母玻璃中即有白色沉淀物。 5 综合比较3 z ( 加入3 z r 0 2 ) ，5 7 4 加入5 z r 0 2 ) ，7 z ( 加入7 z r 0 2 ) 试样的密度、抗弯 强度、维氏硬度和断裂韧性等性能，可以确定添加z r 0 2 的微晶玻璃试样的最佳烧结工艺 为8 0 0 2 h + 1 0 0 0 4 h ，z r 0 2 在该系微晶玻璃中最佳添加量为5 左右。 6 。z r 0 2 的加入可以促进玻璃析晶，细化晶粒，改善微晶玻璃可切削性能和力学性能，不 影响微晶玻璃析出相种类。微晶玻璃的密度、断裂韧性、可切潮性能都随着加2 含量的 增加而提高，但抗弯强度和维氏硬度5 z 试样最大，与4 a 相比，5 z 试样的抗弯强度达到 2 6 7 m p a ，提高了4 3 m p a ，断裂韧性也由2 1 5 m p a m 妣提高到2 7 2 m p a m 忱。 致谢 致谢 本论文是在导师赵康教授的精心指导下完成的，赵康教授渊博的知识、敏锐的思维、 严谨务实的治学态度和勤奋忘我的工作精神为我们树立了榜样。在整个硕士论文过程中， 从选题到实验方案的制定、实施，再到最后论文的写作，导师都倾注了大量心血和汗水。 通过硕士期间的锻炼和导师的悉心指导，本人在为人处世和学术研究方面的能力都有了很 大的提高，为以后的工作打下了良好的基础。在此，向我的导师赵康教授致以诚挚的感谢 和崇高的敬意! 在本论文的实验分析测试过程中得到了材料现代测试中心的刘守智高工、严富学讲师 和材料工程实验中心的罗启文、葛利玲老师的大力协助，在此向他们表示衷心的感谢! 西安交通大学江峰副教授，在本论文的实验测试过程中也给予许多帮助，在此一并表 示感谢! 在实验过程中，也得到了本实验室的师兄弟们以及兄弟课题组的许多同学的大力协助 和支持，在此也对他们表示感谢! t 7 1 西安理冀大学硕士学纹论文 参考文献 【l 】邱关瞵蔫i 璃形残学【谰薯艺京：兵器工犍氐版社，1 9 8 7 ，3 7 0 - 3 7 2 2 1 邱关明新型陶瓷【m 】_ 匕京：兵器工业出版社，1 9 9 3 ，1 7 2 - 1 7 4 3 1 麦克米伦p w , t 仞千译微晶玻璃【m 】北京：中国建筑工业出版社，1 9 8 8 ，1 8 8 - 2 0 1 【毒】程金铸，李宏，汤李缨等。徽瑟玻璃【溯j 艺京：纯学工业出舨柱，2 0 0 6 , 5 1 0 。 【5 】g r o s s m a ndg m a c h i n a b l eg l a s s - c e r a m i c sb a s e do nt e t r a s i l i c i cm i = p l a m c e r a ms o c ，1 9 7 2 ， 5 5 ( 9 ) ：4 4 6 - 4 4 9 【6 】j mt z e n g 。a 1 2 0 3a n dz r 0 2m o d i f i e dd e n t a lg l a s s - c e r a m i c s i j o u r n a lo fm a t e r i a l ss c i e n c e ，1 9 9 3 ， 2 8 ( 6 ) ：1 2 7 - 1 3 5 71j yt h o m p s o n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fan e wm i c a - b a s e dm a c h i n a b l eg l a s sc e r a m i cf o rc a d c a m r e s t o r a t i o n s j t h ej o u r n a lo fp r o s t h e t i cd e n t i s t r y ，1 9 9 6 ，7 6 ( 6 ) ：6 1 9 - 6 2 18 1v 。s 。n a g a r a j a n , s j a h a n m i r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ea n dw e a ro fm i c a - c o n t a i n i n g g l a s s - c e r a m i c s j w e a r , 1 9 9 6 ，2 0 0 ( 5 ) ：1 7 6 - 1 8 5 【9 】i l d e n r y p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fan e wl i t h i u m - c o n t a i n i n gg l a s s - c e r a m i c j m a t e r i a l s r e s e a r c hb u l l e t i n ，1 9 9 9 ，3 4 ( 1 0 11 ) ：1 6 1 5 1 6 2 7 【1 0 1 福格尔，谢于深译玻璃纯学瞰】北京：轻工业出舨社，1 9 7 9 ，1 2 3 1 2 5 【11 】b e a l l ，g h s t r u c t u r e ，p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n so fg l a s s - c e r a m i c s i na d v a n c e si nn u c l e a t i o na n d c r y s t a l l i z a t i o ni ng l a s s e s ；h e n c h 乙i ，f r e i m a n ，s 。w ，e d s j a m e r i c a nc e r a m i cs o c i e t y ，i n c c o l u m b u s , o h i o ，1 9 7 1 ，1 2 ( 7 ) ：2 5 1 - 2 6 1 【1 21h o l a n dwk n a u m a r m ，w v o g e l m a c h i n a b l eb i o a c t i v eg h s sc e r a m i c sm a t e r i a l p d e 3 3 0 6 6 4 8 a 1 9 8 3 4 ) 9 2 2 【1 31w o l f r a mhl a n d b i o c o m p a t i b l ea n db i o a c t i v eg l a s s - c e r a m i c s - s t a t eo ft h ea r ta n dn e wd i r e c t i o n s j 。 j o u r n a lo fn o n - c r y s t a l l i n es o l i d s ，1 9 9 7 , 2 1 9 ( 5 ) ：1 9 2 - 1 9 7 【1 4 李世普，陈晓明生物陶瓷【m 】武汉：武汉工业大学出版社，1 9 8 9 ，1 6 7 - 1 6 9 【1 5 1 朱光明，黄占杰可切削生物活性玻璃陶瓷的研制【j 】硅酸盐学报，1 9 8 8 ，1 6 ( 5 ) ：4 1 6 - 4 2 2 【1 6 陈晓蜂生物活性微晶玻璃结构与牲缝研究嘲出东轻正她学院学报，1 9 9 1 ，5 ( 王) ：重一9 【1 7 】u tk a s u g a 互n a k a j m al ( e ta 1 h j i g h s t r e n g t hm i c a - c o n t a i n i n gg l a s s - c e r a m