【《玻璃陶瓷的制备和性能研究文献综述》5000字】

玻璃陶瓷的制备和性能研究文献综述玻璃陶瓷，别名又叫微晶玻璃。由一类晶相经高温融化、成型、热处理等一系列加工而成的玻璃复合材料。玻璃陶瓷具有机械强度高、热膨胀性能可调控、抗热冲击等优点。玻璃陶瓷是新型的多晶硅酸盐玻璃材料，在催化剂或晶核形成剂的作用下进行结晶，由晶体相和剩余玻璃相组成，质地致密，无孔，混合。正常情况下，晶体的尺寸为纳米至微米级，晶体的含量在50%-90%之间。它具有高机械强度、低导电性、高介电常数、良好的技术性能。根据成核和结晶过程，它们被分为光敏玻璃-陶瓷和热敏玻璃陶瓷。适用于制造电路板，电荷储存管，光电倍增管的屏，导弹弹头，雷达天线罩，轴承，泵、反应堆中子吸收材料，绝缘支柱等。根据晶体类型，玻璃陶瓷可分为：镁橄榄石Mg-[SiO4]结构玻璃陶瓷、透辉石CaMg[Si2O6]结构玻璃陶瓷、硅灰石CaSiO3结构玻璃陶瓷、长石类结构玻璃陶瓷。（1）镁橄榄石Mg-[SiO4]结构玻璃陶瓷与其它三种结构相比，镁橄榄石玻璃不仅具有很强的抗酸碱腐蚀能力，它还具有优良的电绝缘、高机械强度和中等热膨胀系数的优点。在镁橄榄石的结构中，氧离子系列被粗略认为是最接近的六方堆积系列，硅离子系列填补了1/8的四面体空腔，而镁离子系列则填补了1/2的八面体空腔。将[SiO4]每一个[SiO4]的四面体按堆叠排列[MgO6]的八面体分开。从排列方式上看1个[SIO4]和3个[MgO6]把一个氧离子团团包围住。晶体结构稳定各方向的粘结力分布均匀，硬度较高，熔点可达1890℃。以镁橄榄为主晶相的基础玻璃具有耐酸碱性、抗弯强度、硬度、抗冻性能等良好性能。（2）透辉石CaMg[Si2O6]结构玻璃陶瓷从晶系上来看透辉石是单斜晶系，稳定的化学性和较好的耐磨性是透辉石的主要特点，不仅如此透辉石的机械强度也很高。从性能上来看透辉石优质于一般的晶体，也就是一般晶体不如透辉石。在实际生产中，透辉石为玻璃陶瓷主晶相较为常见。（3）硅灰石CaSiO3结构玻璃陶瓷其结构特征是，单位[Si3O6]的单链是由三个[SiO4]四面体重复构成的，从排列方式来看，链间排列平行，仅允许钙离子填满链间的空隙，从而形成[CaO6]结构的八面体。CaO、MgO含量对玻璃陶瓷的制备和性能有重要影响。当碳酸钙含量高，低碳酸钙含量时，这种结构更容易形成硅灰石。由此结构制得的玻璃陶瓷的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能都相对更加优越。（4）长石类结构玻璃陶瓷正长石和斜长石属于硅酸盐长石组。具有长石结构的玻璃陶瓷是一种固溶体。通过优化成分和工艺，可以生产出具有优良性能的玻璃陶瓷。玻璃陶瓷的结构和性能在很大程度上取决于玻璃陶瓷材料的成分。根据化学的组成成分，玻璃陶瓷可分：氟硅酸盐玻璃陶瓷、磷酸盐玻璃陶瓷、硅酸盐玻璃陶瓷、铝硅酸盐玻璃陶瓷。1.1玻璃陶瓷的制备根据所用原料的种类、性质及对材料性能的要求，玻璃陶瓷的制备一般可分为四大类。熔融法、烧结法、溶胶法、强韧化技术。（1）熔融法熔化法的工作原理是熔融后快速冷却，退火后则需要对其进行热处理。热处理工艺目的是为了通过成核及结晶来获取具有微小晶体、高含量、均匀结构的陶瓷材料。热处理是我国现代陶瓷工业生产过程中的重要手段。成核温度需要控制在Tg-Tg+50℃范围，此时的是最佳成核温度。常见的成核剂包括CaO、CaF2、Cr2O3、TiO2、P2O5、ZrO2和硫化物。基础玻璃的化学成分与成核剂的选择有关。成核剂的选择也受到预期晶相种类的影响。该工艺主要是在配料中加入一定量的晶核剂，均匀地加入玻璃熔体冷却成型。以基础玻璃的形成为基础，再进行核晶化工艺制备玻璃陶瓷。这样做的优点是，可在普通玻璃的成形工艺基础上来制备复杂形状的玻璃陶瓷的工艺制品，这样的做法可以方便机械化的生产。对基础玻璃进行热处理需要分为两个阶段：形核和晶体生长[20-21]。由于长大温度和形核温度范围不同。长大温度相对于形核温度要高。在两个温度下对基础玻璃进行热处理。熔融法可以制作复杂形状的玻璃陶瓷。图1.1熔融法热处理工艺图（2）烧结法在通过烧结生产玻璃陶瓷的过程中，玻璃粉末会发生颗粒粘结情况，同时通过物质运动进行了致密化和再结晶以获得强度。烧结法制备玻璃陶瓷工艺流程为；制备配料→加工熔化粉碎→加工水淬→粉碎→过分子筛→加工成型→配料烧结→加工零件组装加工用烧结法制备玻璃陶瓷，工艺控制简单，机械自动化程度高，生产效率高，成本低。但与此同时也存在产品致密层薄，密度低，容易变形，能耗高等缺点。与熔融法相比，烧结法制备的玻璃陶瓷比熔融法制备的玻璃陶瓷更易产生气泡。与熔融法对比烧结法的优点是，从业耗时角度来说，烧结法比熔融玻耗时短，从温度角度来说烧结法比熔融法温度低，烧结法比许多需要高温才能熔融玻璃制品制备玻璃陶瓷的更容易发生。玻璃粉末具有较高的比较面，从结晶层来看，烧结法更易于结晶。采用表面析晶法制备高晶相含量的玻璃陶瓷，可改善基础玻璃整体析晶性能差的问题。烧结法制备玻璃陶瓷一般不需要用到晶核剂。而且产品质量好，成品率高，厚度及规格都是可以改变的，大尺度的产品都可以被生产。用于烧结工艺中较难结晶、难成型和高熔点的玻璃陶瓷。例如：CaO-MgO-Al2O3-SiO2、CaO-MgO-SiO2等[22]。图1.2烧结法热处理工艺图（3）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种新工艺。此工艺是通过低温进行材料合成，溶胶-凝胶法的制备反应原理是：首先先驱体经过水解过程形成凝胶，其次凝胶法在形成之后则需要在一个比较低的温度下才能进行烧结，通过烧结制成玻璃陶瓷。溶胶一凝胶法的优点有：溶胶-凝胶制备的玻璃陶瓷所要求的温度较低,溶胶-凝胶制备的陶瓷不仅材料的均匀性好、而且其晶粒大小可以到达纳米尺寸,适合于高温、分相严重的玻璃制品体系[22]。通过溶剂-凝胶的方法近几年来制备了许多重要的玻璃陶瓷材料，这种材料在许多领域都展示着至关重要的应用前景和科研价值。（4）强韧化技术在玻璃陶瓷制备过程中，将采用一些特殊的工艺，以获得具有良好机械性能的微晶材料。如离子交换法表面涂层，高膨胀系数的玻璃陶瓷可以投入使用到表面涂层的制备工艺中。将一薄层膨胀系数低的玻璃涂在玻璃陶瓷表面前提是在高温的状态下，经冷却过后，因为两者的膨胀系数有所不同，致使涂层后会产生涂层压力。玻璃陶瓷具有更好的强度，因为拉应力是在玻璃陶瓷本身产生的。一般来说，具有低膨胀系数的玻璃陶瓷是用离子交换法制造的。基础材料的热膨胀系数和弹性模量应与化学特性相匹配，并与添加的纤维和晶须提取的材料相似。这是为了保证在基体中能够形成残余的应力，而且界面内应含有适合的剪切强度[23]。1.2玻璃陶瓷性能玻璃陶瓷的性价比很高，它的硬度比高碳钢还硬，玻璃陶瓷的质量比铝还轻；相比铸石来讲，玻璃陶瓷的耐磨性可以与铸石相提并论，它的耐磨性并不低于铸石；在热稳定性方面，玻璃陶瓷材料也表现出了良好的热稳定性；与高频瓷相比，玻璃陶瓷的电绝缘性能与高频瓷电绝缘性相差不大；从化学稳定性来看，不会受到酸碱腐蚀。而且还可进行车、刨、磨、钻、等工艺的任意加工。1.3玻璃陶瓷的应用然而玻璃陶瓷不同于天然的花岗岩石。玻璃陶瓷的表面抛光技术可以与玻璃镜面相提并论。使我们日常生活中的建筑看起来既光泽又明亮。玻璃陶瓷除了抛光技术优越还有其他特点，例如它很抗冻和更具有抗渗性优异特性，可以更好的为人们生产生活服务。在我们日常生活中，大理石即便是在室内使用，经过湿东西擦拭也会出现水渍或色泽暗沉的色斑。反观玻璃陶瓷，因为它根本就不具备吸水率，所以玻璃陶瓷的表面才会呈现出干燥而光亮，更不要说呗雨雪洗新过后的玻璃陶瓷表面了，洗过的玻璃陶瓷表面更不容易侵蚀，通俗的来讲具有天雨自涤的优良特点。玻璃陶瓷的色调均匀；天然花岗岩石材装修的墙面或者是地面，色泽不均匀有色差。然而玻璃陶瓷精确控制生产获得彩色玻璃那样均匀的颜色，从而使人们的建筑物色泽更加的柔和；玻璃陶瓷中含有一定的玻玻相，所以璃玻璃陶瓷的外观晶莹柔润，看起来像玉的质感一般。我国利用冶金硅渣、粉煤灰、尾矿、花岗岩、大理石材等固废制备玻璃陶瓷[24-27]。玻璃陶瓷作为功能材料和结构材料，在光学、生学、化学、电子技术、生物医学、国防尖端技术、机械制造等领域都有广泛的应用，并且具有巨大的发展前景[27]。玻璃陶瓷是由微晶相组合而成的复合材料，具有玻璃和陶瓷两者性能，在工业生产及日常生活有广泛应用[28-29]。其中复合材料中遇到问题是热处理中细小弥散晶相杂相存在[30]。1.4玻璃陶瓷的研究动态和发展方向（1）高力学性能的材料微观结构对玻璃陶瓷的力学性能有很大影响，改善性能可通过控制结构的手段进行，例如提高强度和韧性可通过改变交结构进行；通过使用温度梯度、热挤压等方法可以改变晶体结构，石晶体朝确定的方向生长，还可以大幅度提高晶体的力学性能，例如以CaO-P2O5为基础的玻璃陶瓷可以析出确定方向的微晶，以CaO-P2O5为基础的玻璃陶瓷的抗折强度可达到650MPa，也显著提高而且断裂韧性；复合材料是改善玻璃陶瓷机械性能的另一有效途径，基于CaO-P2O5的玻璃陶瓷可以是纤维、晶须或颗粒复合，但其力学性能不同于玻璃陶瓷，也可与金属等其他材料复合，也可与小球或玻璃陶瓷纤维等复合到其他基体，例如玻璃陶瓷可获得SiC晶，其增强的MgO-Al2O3-SiO2基的抗折强度为490MPa，其断裂韧度为3.7MPam½，提高了2倍。（2）耐高温玻璃陶瓷烧结法、溶胶-凝胶法等新工艺在玻璃陶瓷制备中的应用从而使耐高温玻璃陶瓷发展了起来。耐高温晶体如莫来石、尖晶石和铯榴石从玻璃陶瓷中析出时，析出量较高，这种材料可以承受很高的温度。比如铯榴石玻璃陶瓷，它不仅析出了一些莫来石晶，而且也析出了这种耐高温的微晶，剩余的玻璃相被晶体包裹着。（3）生物玻璃陶瓷将CaO、P2O5引入玻璃中是生物玻璃陶瓷的主要优点，生物玻璃陶瓷通过热处理可析出磷灰石晶体，生物玻璃陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性等。剩余的成分构成生物玻璃陶瓷，可以析出更多其他类型的晶体，从而保证材料的可切割性，化学稳定性。生物玻璃陶瓷相比金属、氧化铝等材料更有发展前景，迄今为止以进行了许多临床试验，有的甚至长达六年之久，而且这些临床试验都取得了可喜可贺的成果。（4）新型功能玻璃陶瓷新型功能玻璃陶瓷是新技术、新工艺的需要。运用了玻璃工艺的成形以及通过受控晶化析出所需晶体的特性可以制得新型功能玻璃陶瓷，制备了具有压电、铁电、半导、电光、非线形等各种优良特性的材料。透射红外线玻璃陶瓷、铁电和铁磁玻璃陶瓷是目前功能材料研究的热点。此外，还有用于电子器件及其封装的玻璃陶瓷，用于多孔掺杂和作传感器载体的玻璃陶瓷等，但是，当功能晶体析出的晶量不足时，材料虽然具有一定的功能特性，但内在指标较差，不能使用。因此，怎样提高功能性晶体的晶化率和使材料尽最大可能成为单一相是该类材料研究中的重要问题。参考文献[1]周忠华.国外花岗石废料再利用技术[J].石材,2006,1:38-39.[2]刘伟军,李汉弘,张士秋,等.HF预处理在花岗岩板材加工废料资源化利用中的应用[J].非金属矿,2015,3:43-45.[3]刘彩霞.生产性粉尘对人体的主要危害及科学预防[J].临床医药文献电子杂志,2014,1(8):1468-1469.[4]高子清.石材加工行业尘肺病危害风险评估研究[J].中国安全生产科学技术,2014,(8):52-57.[5]HamzaRA,El-HaggarS,KhedrS.Marbleandgranitewaste:characterizationandutilizationinconcretebricks[J].InternationalJournalofBioscience,BiochemistryandBioinformatics,2011,1(4):286-291.[6]AguiarLL,TononCB,NunesET,etal.Mutagenicpotentialoffinewastesfromdimensionstoneindustry[J].Ecotoxicology&EnvironmentalSafety,2016,125:116-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