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微晶玻璃種類有哪些

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時間 : 2018-03-21 18:31 瀏覽量 : 74

    微晶玻璃種類是根據微晶玻璃組成而分,微晶玻璃組成成分在很大程度上決定著其結構和性能。按照其組成,微晶玻璃主要分為四類:矽酸鹽微晶玻璃、鋁矽酸鹽微晶玻璃、氟矽酸鹽微晶玻璃和磷酸鹽微晶玻璃。


微晶玻璃種類有哪些



    (一) 矽酸鹽微晶玻璃




    簡單矽酸鹽微晶玻璃主要由堿金屬和堿土金屬的矽酸鹽晶相組成,這些晶相的性能也決定了微晶玻璃的性能。研究最早的光敏微晶玻璃和礦渣微晶玻璃即屬於這類微晶玻璃。光敏微晶玻璃中析出的主要晶相為二矽酸鋰(Li2Si205),這種晶體具有沿某些晶麵或晶格方向生長而成的樹枝狀形貌,實質上是一種骨架結構。二矽酸鉀晶體比玻璃基體更容易被氫氟酸腐蝕,基於這種獨特的性能,光敏微晶玻璃可以進行酸刻蝕加工成圖案尺寸精度高的電子器件,如磁頭基板、射流元件等。礦渣微晶玻璃中析出的晶體主要為矽灰石(CaSiO3)和透輝石(CaMg(SiO3)2)。據研究,透輝石具有交織型結構,比矽灰石具有更高的強度、耐磨耐腐蝕性。采用工業廢渣為原料製造的礦渣微晶玻璃不僅具有性能優異、成本低廉、用途廣泛等優點,而且對於“三廢”利用,綜合治理環境汙染等各方麵都極為重要,因而引起了廣大研究者的普遍重視。




    (二) 鋁矽酸鹽微晶破璃




    鋁矽酸鹽微晶玻璃包括Li20-Al203-Si02係統、MgO-Al203-Si02係統Na20-Al203-Si02係統、ZnO-Al203-Si02係統




    1.Li20-Al203-Si02係統




    Li20-Al203-Si02係統是一個重要的係統,因為從這個係統可以得到低膨脹係數的微晶玻璃。當引入4%(TiO2+Zr02)作晶核劑時,玻璃中能夠析出大量的鈦酸鋯晶核。在850 ℃左右熱處理時,這些晶核上能夠析出直徑小於可見光(λ<0.4 μm)的β-石英固熔體,這種超細晶粒結構使材料透明。由於這種微晶玻璃的膨脹係數低於7×10-7(0-500 ℃),因此具有優良的抗熱震性。β-石英是介穩的晶體,當晶化溫度為1000-1200 ℃時就可轉變為β-鋰輝石。由於析出的晶粒尺寸為12 μm,材料不透明。β-鋰輝石晶體本身有顯著的熱膨脹各向異性,必須在轉變過程中控製晶粒的尺寸。




    2.MgO-Al203-Si02係統這類係統的微晶玻璃具有優良的高頻電性能、高的機械強度(250-300 MPa)、良好的抗熱震性熱穩定性,己成為高性能雷達天線保護罩的標準材料。這些優越的性能主要是因為微晶玻璃中析出主晶相為青石(2MgO·Al203·5Si02)。青石的熱膨係數呈各向異性,隨著溫度的升高,C軸方向膨但a軸方向收縮而導致零體積膨脹,它通過TiO2晶核劑可以從鋁矽酸鎂玻璃中析出。由於晶化過中還可能會出現其它的晶相,如方石英、斜頑輝石、橄欖石,因此必須選用合適的熱處理製度,防止複雜的相變過程中產主應力而開裂。




    3.Na20-Al203-Si02係統




    在此類係統中引入一定量的TiO2,可以獲得以霞石(NaAlSi04)為主晶相的微晶玻璃。由於這類微玻璃具有很高的熱膨脹係數(100×10-7 /℃),可以在材料表麵塗一層膨脹係數較低的釉以強化材料。表麵釉采用鉛-鈣-堿的鋁硼酸鹽型,其膨脹係為65×10-7 /℃,比微晶玻璃小30%左右,則表麵形成壓應力,釉的抗彎強度可增加二個數量級。配方中加入Ba,可析出鋇長石(BaAl2Si206)晶體,其膨脹係數(30×10-7 /℃)小於霞石,因此可改善微晶玻璃的抗熱震性。




    4.ZnO-Al203-Si02係統




    玻璃組成或熱處理製度不一樣,析出的晶體類型也不一樣。在850 ℃以下,隻析出透鋅石(ZnO·Al203·8Si02),而在950-1000 ℃析出鋅尖晶石(ZnO·Al203)和矽鋅礦(2ZnO·Si02)。由於不同晶體熱膨脹係數差異較大,如透鋅長石的熱膨脹係數為零,鋅尖晶石從零變到較大的熱膨脹係數為72.3×10-7 /℃(10-300 ℃)。因此,可以通過調整組成來使熱膨脹係數的正值。




    (三) 氟矽酸鹽微晶玻璃




    氟矽酸鹽微晶玻璃包括片狀氟金雲母晶體型、鏈狀氟矽酸鹽晶體型 1.片狀氟金雲母晶體型




    片狀氟金雲母晶體沿(001)麵容易解理,而且晶體在材料內紊亂分布,使得斷裂時裂紋得以繞曲或分叉,而不致於擴展,破裂僅發生於局部,從而可以用普通刀具對微晶玻璃進行各種加工。雲母晶體的相互交織將玻璃基體分隔成許多封閉或半封閉的多麵體,增加了堿金屬離子的遷移阻力。同時,由於雲母晶體本身是一種優良的電介質材料,因此雲母型微晶玻璃具有優良的介電性能,其介電強度可達40 kv/mm。




    根據析出的主晶相,片狀金雲母型微晶玻璃可分為氟金雲母型、四矽雲母型和水脹雲母型。氟金雲母型(KMg3AISi3O10F2)片狀微晶玻璃被稱為可切削微晶玻璃,其商品Macor己生產20多年,在其中引入B2O3。有利於在更低的溫度下形成玻璃,同時又可降低粘度,促進雲母晶體擇優橫向生長。根據Vogel等的研究,減少Si02並增加(Al203+MgO)的總含量,會使雲母晶體由平片狀變成卷曲狀,其加工性能為平片狀的4-5倍。若在材料中引入(CaO+P2O5),則還能析出磷灰石,使材料具有優良的生物兼容性。在氟金雲母片狀微晶玻璃的基礎上,又發展了主晶相為四矽雲母(KMg25Si4O10F2)的半透明材料,它具有優良的化學穩定性和高的強度。若摻雜一些Ce02,則具有一定的光澤,與天然牙齒極為相似,其商品Dicor已被開發用於修補牙齒。雲母晶體中的K+被Li+代替,則生成具有強的水脹性的水脹雲母型微晶玻璃。當浸入KCI溶液中時,會發生離子交換。這種材料具有很高的電阻(室溫時高於1010),介電強度為20 kV/mm,耐高溫(>1 100 ℃),抗張強度達到50 MPa,可用於製造耐火紙、簿膜電容器、電和熱的絕緣體、催化劑載體等。




    2.鏈狀氟矽酸鹽晶體型




    鏈狀氟矽酸鹽微晶玻璃中可析出氟鉀鈉鈣鎂閃石(KnaCaMg5Si8O22F2)及氟矽堿鈣石(Ca5Na4k2Sil2030(OH,F)4)。當主晶相為針狀的氟鉀鈉鈣鎂閃石晶體時,這種晶體在材料中致密紊亂分布,形成交織結構,沉澱在方石英、雲母及殘餘玻璃相中,可使斷裂時裂紋繞過針狀晶體產生彎曲的路徑,因而具有較高的斷裂韌性(3.2 MPa·m1/2)和抗彎強度(150 MPa)。由於其熱膨脹係數高達115×10-7 /℃(0-100 ℃),可在材料表麵施以低膨脹釉,使抗彎強度提高到200 MPa。這種處理過的微晶玻璃現在被用來製造外型美觀且強度高的餐具(CORELLE)。以氟矽堿鈣石為主晶相的微晶玻璃使用CaF2作晶核劑,有利於改善成核並形成細晶粒的材料。這種玻璃容易熔化,可采用軋製、壓製、澆注、壓延法成型,生產的微晶玻璃斷裂韌性可達5 MPa·m1/2,抗彎強度為300 MPa,楊氏模量接近80 GPa,可用作建築飾麵材料、磁盤基板材料等。




    (四) 磷酸鹽微晶玻璃




    磷酸鹽微晶玻璃由於成本高和一般具有較差的耐化學侵蝕性,在商業上的重要性要比它的同類矽酸鹽差。然而,許多磷酸鹽具有像生物相容性這樣獨特的優點,使得它在某些應用上要優於矽酸鹽。




    氟磷灰石微晶玻璃己經從含氟的磷酸鈣鋁玻璃以及含有2%-4%的鋁矽酸鎂鈣堿玻璃中製備出來,它具有主物活性,成功地被植入生物體中。NZP(NaZr2(P04)3)是一種具有大固溶範圍的固溶體。例如,Na可以被許多一價和二價離子替代,Zr可被大多數三價或更高價的過渡金屬替代。在範圍很廣的Zn和改性的過渡堿土金屬的磷酸鹽玻璃中加入8%以上的SiO2作晶核劑,通過在800-1000 ℃間晶化,可獲得細晶粒的NZP。在室溫-300 ℃間,這種材料的熱膨脹係數的範圍為30×10-7 /℃-65×100-7 /℃。


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