新型玻璃材料的制备

1、新型玻璃材料的制备0910265 唐程摘要：玻璃材料在当今社会应用十分广泛，各种各样的新型玻璃， 以及许多依托现代科学技术的制备方法，也在不断的被研发出来，使 玻璃材料受到了更大的关注。微晶玻璃是在加热过程中通过控制晶化 而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料，其性能优于 同类玻璃和陶瓷。关键词：玻璃材料制备方法微晶玻璃正文：固体包括晶体与非晶体两大类。晶体材料具有三维空间中 规则的点阵排列，而非晶体材料在三维空间中的排列是没有规律的， 但不排除在局部区域的规则排列，玻璃就属于非晶体。玻璃，一般将其称为非晶态物质或无定形物质，是将原料加热熔 解，然后迅速冷却而形成玻璃态，其结构与熔体

2、结构特征密切相关。 无机玻璃一般可以按照用途分为：日用玻璃、建筑玻璃、化学仪器玻 璃、光学玻璃、其他特种玻璃；按照组成可分为：硅酸盐玻璃、硼酸 盐玻璃、铅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃等。各种玻璃之间存在一定的共同特征。在外观上，玻璃高硬、脆性 大、对可见光透明、断面呈贝壳状或蜡状；在物理化学性质上，玻璃 具有各向同性、介稳性、熔融态与玻璃态之间的转变是渐变可逆的、 转变过程中物理化学性质连续变化。玻璃由于其内部分子在三维空间 里的无规则排列，表现在宏观上就是各向同性。玻璃的介稳性则是由 于熔体冷却形成玻璃体时，并非处于能量最低状态，其内部还存在一 定的过剩能量，因此，玻璃体有释放能量，向晶

3、体转变的趋势。但是， 这种转变的速率很低，能长时间保留其结构的稳定性。熔融态与玻璃 态之间的转变是在一定温度范围内完成的，没有固定的熔点，只是其 中存在一个玻璃转变温度Tg，在这个温度先熔体开始固化。熔融态与 玻璃在转化过程中，其物理化学性质（如：电导率，比热容，折射率 膨胀系数，密度，弹性常数等）都是随温度的变化而连续变化的。玻璃的制备方法有很多，其核心就是将液体或气体的无序状态保 存下来。大多数的单质、氧化物、金属盐、有机物等都可以直接采用 熔融法进行制备，即将玻璃原料经加热熔融，再经快速冷却而形成， 这是目前玻璃工业生产所大量采用的方法。研究表明，只要冷却速度 足够快，任何材料都可能形成

4、玻璃，随着科学技术的发展，冷却速度 有了很大的提高，据报道，当冷却速度达到106 C/s时，金属材料也 可以形成非晶金属。除了传统冷却的方法以外，现在还有许多新方法 来获得玻璃态物质,如：真空蒸发、放射线照射、凝胶加热等方法。熔体冷却法包括常规的熔体冷却和极端冷却两种方法，主要包括 溶化、澄清、均化和冷却过程。在工业生产中，配合料由投料口进入 熔窑后，在上部火焰和下层玻璃液加热下，溶化成液体，同时进行硅 酸盐反应，即为溶化过程。这个过程中，玻璃液的流动应较慢，可以 使玻璃原料在稳定位置溶化。由于反应产生了许多气体（CO2、SO2、 so3等），因此为了保证玻璃的质量，必须把这些气泡除去，即为澄

5、清 过程。另外，在玻璃原料溶化过程中，还有一些未溶化的细小颗粒， 必须将其均化，保证玻璃液中化学组分的稳定。玻璃液在流向出料口的过程中逐渐冷却降温，密度增大，以达到形成玻璃态物质的粘稠度 的要求，通过出料口形成玻璃材料。常规冷却法可以制备硅酸盐玻璃、 硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃以及重金属氧化物玻璃 但是，一些物质（如： 金属等强离子键的物质）熔体的粘度很小，不能用常规冷却法获得玻 璃材料，必须通过急速冷却来保持熔体的无序状态。急速冷却法的 核心就是利用金属导热快的原理，使玻璃液迅速均匀的平铺在金属表 面使其温度迅速下降而形成玻璃态物质。气相冷却技术，包括蒸发冷却、溅射和反应沉积等方法，是将一 种或

6、几种组分在气相中沉积到基体上来得到非晶态固体物质，在气相 条件下也可以发生化学反映。气相沉积技术可以通过金属卤化物气体 混合物的热激发均相氧化反应制取高纯度的大块玻璃材料。制取高纯 SiO2玻璃时，是将金属卤化物（SiCl4）和SiH4以及金属有机化合物作 为起始原料在1500C以上进行均相氧化反应，形成微细分散的玻璃 颗粒材料，将其沉积在加热至足够温度的靶材上，便可得到无气泡玻 璃，而且纯度很高。固态方法是利用辐照、冲击波、机械及扩散等方法，直接从固态 晶体材料得到非晶体的玻璃材料，其核心是通过施加外部条件使晶体 材料的晶格结构遭到破坏，当这种破坏将大时，其晶格结构就会消失， 进而形成不定形

7、态，即为玻璃态。溶胶-凝胶法是通过液相的化学反应形成其网络结构，然后通过 凝胶化形成凝胶，之后除去凝胶中的水和有机物再进行烧结制成玻璃 态物质。如今玻璃材料广泛应用于各个领域，新型玻璃材料主要有：光功 能玻璃（光学纤维、闪烁玻璃等）.电磁功能玻璃（电致变色玻璃、 电磁屏蔽玻璃等X热功能玻璃（零膨胀系数微晶玻璃、吸热玻璃等X 机械功能玻璃（可切削加工微晶玻璃、生化功能玻璃（替换用生物 玻璃、自洁净玻璃、有机玻璃等。下面主要详述一下当前比较热门 的微晶玻璃。微晶玻璃又称为陶瓷玻璃，是将特定组成的基础玻璃，在加热过 程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固 体材料。微晶玻璃具有很多

8、的优异性能，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；电绝缘性能优良； 密度小但质地致密；可以通过组成的设计来获取不同的电光磁效应。 微晶玻璃按组成可以分为很多种如：铝硅酸盐微晶玻璃、磷硅酸盐微 晶玻璃、铁硅酸盐微晶玻璃、氟硅酸盐微晶玻璃等。微晶玻璃的生产过程主要的是要控制好晶核的形成和生长程度， 其主要制备方法有：整体析晶法、烧结法、溶胶凝胶法、浮法。整体 析晶法是制备微晶玻璃的主要方法，其工艺流程为：在原料中加入一 定量的晶核剂并混合均匀，于14001500C高温下熔制，均化后将 玻璃熔体成形，经退

9、火后在一定温度下进行核化和晶化，以获得晶粒 细小且结构均匀的微晶玻璃制品。热处理是整体析晶法的技术关键， 即把退火的玻璃加热至晶核形成温度并保温一段时间，再升温至晶核 生长温度使其转变为具有纳米晶粒尺寸的微晶玻璃。整体析晶法技术成熟，便于机械化生产。烧结法是将一定组分的配合料投入到玻璃熔 窑中，在高温下使配合料溶化、澄清、均化、冷却，然后，将合格的 玻璃液导入冷水中，使其水淬成一定颗粒大小的玻璃颗粒。水淬后的 玻璃颗粒的粒度范围，可根据微晶玻璃的成形方法的不同进行不同的 处理。烧结法的优点有（1）晶相和玻璃相的比例可以任意调节（2） 基础玻璃的熔融温度比整体析晶法低，熔融时间短，能耗较低；（3

10、） 微晶玻璃材料的晶粒尺寸很容易控制，从而可以很好的控制玻璃的结 构与性能；（4）由于玻璃颗粒具有较高的表面积比，因此即使基础玻 璃的析晶能力较差，利用玻璃的表面析晶现象，同样可以制得晶相比 例很高的微晶玻璃材料。溶胶凝胶法是低温合成材料的方法，其原理 是将金属有机物或无机化合物为先驱体，经过水解形成凝胶，再在较 低温度下烧结形成微晶玻璃。其优点是，在材料制备初期即可对其晶 核形成与生长进行控制，这样，材料的均匀性可以得到很好的保证， 能达到纳米甚至是分子级。浮法是目前加工普通玻璃的常用方法，但 在应用到加工微晶玻璃时，由于生产过程中对温度的严格控制，还存 在一定的困难。微晶玻璃在生产过程中也

11、会出现很多的质量缺陷，如“气孔了鱼 眼泡了黑斑、“形变”等，在生产过程中也经过调整，尽量减少缺陷的产 生。利用烧结法制备微晶玻璃时，气孔是主要缺陷，直接影响产品质 量，其中又以开口气孔的影响最大。气孔产生的原因有很多，要减少 气孔的产生关键在烧结过程中，温度尽可能高，使物质迁移更加充分， 这样就可以有效排除气孔。鱼眼泡即为尺寸较大的气孔，它们的产生与含铁的物质有关，在高温条件下，氧化铁等物质会分解产生氧气残 留在玻璃固体中，形成气泡。因此，在玻璃生产的过程中，必须尽可 能保证生产设备的光洁，避免生锈。由于微晶玻璃生产过程中，上下 表面的温度不一致，在微晶玻璃内部会产生结构应力，导致玻璃在退 火

12、后易形成弯折。只要是消除玻璃内部的内应力，就可以保证玻璃不 产生形变，即在降温的过程中尽可能慢一些，并且制定合适的温度梯 度范围，这样就可以有效的消除内应力。色斑是由于不同颜色的玻璃 颗粒的参杂导致的，只要是注意原料的投放，就可以有效的消除。不 同于色斑的还有一种缺陷色差，色差是指同一颜色的玻璃在颜色 上的差异，形成原因比较复杂，着色剂价态的变化是产生色差的主要 因素，因此为了消除色差，必须保证熔窑内气氛的稳定。微晶玻璃由于其性能上的优势目前已经应用于建筑、电子工业、 生物医学等方面。在建筑上，微晶玻璃性能由于大理石、花岗岩等传 统建筑材料，甚至还可以制成超薄板材，防火玻璃等不同特点微晶玻 璃

13、材料；在电子工业应用最为广泛，玻璃材料原本在电子，光学等领 域就广受关注，现在微晶玻璃的出现也引起了注意，目前已经被用于 制造绝缘板材，液晶显示屏，电容甚至是集成电路基板；在生物医学 方面主要是用于制备生物替代材料，因为微晶玻璃与人体组织的亲和 性比传统的生物替代材料要好，而且不会释放出重金属等有害粒子。 微晶玻璃还可以做成炊具、光学镜片、可加工玻璃、天线屏蔽器等各 种各样的制品。微晶玻璃的性能研究并未结束，其中还有许多我们并不了解的性能，微晶玻璃也正在被应用与更加广泛的领域，随着参杂制备技术的 发展，微晶玻璃的性能也在不断的被开发出来。参考文献：1、 材料科学基础天津大学出版社 靳正国、郭瑞松、师春 生、侯信编；2、新型玻璃材料武汉化工学院谌英武；3、 玻璃与新型玻璃材料百度文库 HYPERLINK /view/037bc7dba58da0116c174950.html /view/037bc7dba58da0116c174950.html4、 微晶玻璃装饰材料的制备原理中华商务网 HYPERLINK /07/0702/070202/news/20020708/12375 /