可鑄造玻璃陶瓷

玻璃態屬於亞穩定狀態，經熱處理後可以晶化形成大量的微晶體。內部含有大量微晶體的玻璃稱為微晶玻璃或玻璃陶瓷。可鑄造玻璃陶瓷是指玻璃陶瓷可以人為的進行鑄造，其中晶體的大小可自納米級至微米級，數量可達50%～90%。影響玻璃陶瓷製備及最終性能的重要因素有高溫黏度、玻璃化溫度及晶化熱處理過程中的析晶和分相等。

基本介紹

• 中文名：可鑄造玻璃陶瓷
• 外文名：Castable glass ceramic
• 玻璃態：屬於亞穩定狀態
• 內部結構：含有大量微晶體
• 晶體大小：納米級至微米級
• 數量：50％～90％

出現過程

玻璃陶瓷也叫微晶玻璃，它是在玻璃中可控地析出晶體而形成的無孔多晶材料。其中，晶相的體積分數在95%-98%之問，且晶粒尺寸通常小於1微米。除了晶相外，玻璃陶瓷還有少量的殘餘玻璃相。

其實，早在18世紀中葉，法國化學家Ren6 Antoine R6aumur就已經製備出了玻璃陶瓷。他將玻璃瓶埋人沙子和生石膏的混合物中加熱並保溫幾天。結果，他發現玻璃變得不透明了，而且還像陶瓷一樣。但他還不能通過嚴格的過程對其進行控制並做進一步研究(18世紀初，化學家還沒有參與分析陶瓷成分時，R6aumur就開始對傳到法國的瓷器進行分析。他將化學學科的方法帶入陶瓷分析中的這項工作為現代陶瓷的出現拉開了序幕)。R6aumur之後的200多年，玻璃陶瓷的研究和生產才獲得突破。這得歸功於物理化學家Stanley Donald Stookey。

1940年，Stookey在MIT博士畢業後來到康寧玻璃公司。在這裡，他首先研究玻璃的感光性。那時人們早已知道一種含Au的“紅寶石玻璃”。這種玻璃中的Au離子在紫外線的照射下被還原成Au原子，並形成大量的Au晶核，從而產生一定的顏色。為了形成漂亮的色彩，析出的顆粒尺寸必須處於膠體態。這就要求有大量的晶核，而且不能過分長大。通過研究，Stookey找到了CeO₂這種敏感劑。他還通過改變玻璃中膠體Au的晶體尺寸來使感光玻璃變為藍色、紫色或紅色。1948年，為了在彩電螢幕的薄玻璃板上形成許多複雜小孔，Stookey用他發現的感光玻璃做實驗。這些感光玻璃在遮光板後曝光和晶化。然後，將曝光和晶化後的玻璃在不同溶劑中受到侵蝕。所有晶化區完全被溶解掉，而未晶化的玻璃則保留完好。這即是可進行光化學加工的玻璃，其商品名為FOTOFORMlM。

接著，為了研究可進行光化學加工玻璃的侵蝕速率，Stookey準備在600℃的溫度下，將一塊FOTOFORMTM樣品進行熱處理。然而由於操作失誤，溫度卻升到了900℃。Stookey本以為樣品在700℃就會軟化，但他卻發現樣品成了一塊不透明的固體。而且，樣品掉在地上也未碎裂。於是，Stookey意識到對化學加工的材料做熱處理可得到高強度陶瓷。這就是後來康寧公司的產品FOTOCERAMlM。Stookey的這個發明成了後來製造大塊玻璃陶瓷的起點。

非均勻形核與生長

要使玻璃析出小於1μm、體積分數很大的小晶粒，我們必須滿足每立方厘米的玻璃中有10¹²～10¹⁵數量級的均勻晶核，而且這些晶核的形成、生長必須可控。均勻形核通常很難滿足這些要求，故玻璃陶瓷中晶核的形成主要採用非均勻形核。非均勻形核的核心是經過選擇的形核劑。這些形核劑是玻璃配合料在熔化期間加入的。形核劑有TiO₂、ZrO₂、P₂O₅、鉑族、貴金屬及氟化物等。

這些形核劑可以在玻璃中沉澱出晶核，然後主晶相在晶核上生長。形核劑也可促進玻璃中的相分離。相分離能提供第二相材料的細微分散體，細微分散體再形成晶核。其中的晶粒尺寸小到0.05μm，比可見光的波長短，且晶粒折射率接近，故這種玻璃陶瓷對可見光透明。若對這種玻璃陶瓷再次熱處理，使其晶粒長大到微米級，則它又成為不透明的材料。

基本工藝

首先，按照普通玻璃的製備工藝將配合料熔融、成型，然後冷卻到室溫獲得玻璃態物質。接下來，將獲得的玻璃態物質升到一定溫度並保溫。在此溫度下，主晶相形核。形核完成後，繼續升溫至晶核生長速率較大的溫度範圍。除了熔融法外，還可採用燒結法製備玻璃陶瓷。

主要性能

熔融法製備玻璃陶瓷的工藝，沒有通常製備陶瓷材料時的壓製成型、燒結等過程。故玻璃陶瓷的結構中沒有氣孔，結構緻密，不透氣，且還具有膨脹係數低、半透明、強度和硬度高等玻璃和陶瓷的特性。比如，Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷的熱膨脹係數很低。MgO-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷有優良的電絕緣性、介電性能、丈學性能和熱學性能。因此，玻璃陶瓷的製備工藝開闢了製備多晶材料的又一新途徑。除了以上幾種，固態相變還有其他類型，如有序元序轉變、同素異構轉變等。