新型玻璃材料的制備

1、新型玻璃材料的制備0910265 唐程摘要：玻璃材料在當(dāng)今社會應(yīng)用十分廣泛，各種各樣的新型玻璃， 以及許多依托現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的制備方法，也在不斷的被研發(fā)出來，使 玻璃材料受到了更大的關(guān)注。微晶玻璃是在加熱過程中通過控制晶化 而制得的一類含有大量微晶相及玻璃相的多晶固體材料，其性能優(yōu)于 同類玻璃和陶瓷。關(guān)鍵詞：玻璃材料制備方法微晶玻璃正文：固體包括晶體與非晶體兩大類。晶體材料具有三維空間中 規(guī)則的點陣排列，而非晶體材料在三維空間中的排列是沒有規(guī)律的， 但不排除在局部區(qū)域的規(guī)則排列，玻璃就屬于非晶體。玻璃，一般將其稱為非晶態(tài)物質(zhì)或無定形物質(zhì)，是將原料加熱熔 解，然后迅速冷卻而形成玻璃態(tài)，其結(jié)構(gòu)與熔體

2、結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。 無機(jī)玻璃一般可以按照用途分為：日用玻璃、建筑玻璃、化學(xué)儀器玻 璃、光學(xué)玻璃、其他特種玻璃；按照組成可分為：硅酸鹽玻璃、硼酸 鹽玻璃、鉛酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃等。各種玻璃之間存在一定的共同特征。在外觀上，玻璃高硬、脆性 大、對可見光透明、斷面呈貝殼狀或蠟狀；在物理化學(xué)性質(zhì)上，玻璃 具有各向同性、介穩(wěn)性、熔融態(tài)與玻璃態(tài)之間的轉(zhuǎn)變是漸變可逆的、 轉(zhuǎn)變過程中物理化學(xué)性質(zhì)連續(xù)變化。玻璃由于其內(nèi)部分子在三維空間 里的無規(guī)則排列，表現(xiàn)在宏觀上就是各向同性。玻璃的介穩(wěn)性則是由 于熔體冷卻形成玻璃體時，并非處于能量最低狀態(tài)，其內(nèi)部還存在一 定的過剩能量，因此，玻璃體有釋放能量，向晶

3、體轉(zhuǎn)變的趨勢。但是， 這種轉(zhuǎn)變的速率很低，能長時間保留其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。熔融態(tài)與玻璃 態(tài)之間的轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)完成的，沒有固定的熔點，只是其 中存在一個玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，在這個溫度先熔體開始固化。熔融態(tài)與 玻璃在轉(zhuǎn)化過程中，其物理化學(xué)性質(zhì)（如：電導(dǎo)率，比熱容，折射率 膨脹系數(shù)，密度，彈性常數(shù)等）都是隨溫度的變化而連續(xù)變化的。玻璃的制備方法有很多，其核心就是將液體或氣體的無序狀態(tài)保 存下來。大多數(shù)的單質(zhì)、氧化物、金屬鹽、有機(jī)物等都可以直接采用 熔融法進(jìn)行制備，即將玻璃原料經(jīng)加熱熔融，再經(jīng)快速冷卻而形成， 這是目前玻璃工業(yè)生產(chǎn)所大量采用的方法。研究表明，只要冷卻速度 足夠快，任何材料都可能形成

4、玻璃，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，冷卻速度 有了很大的提高，據(jù)報道，當(dāng)冷卻速度達(dá)到106 C/s時，金屬材料也 可以形成非晶金屬。除了傳統(tǒng)冷卻的方法以外，現(xiàn)在還有許多新方法 來獲得玻璃態(tài)物質(zhì),如：真空蒸發(fā)、放射線照射、凝膠加熱等方法。熔體冷卻法包括常規(guī)的熔體冷卻和極端冷卻兩種方法，主要包括 溶化、澄清、均化和冷卻過程。在工業(yè)生產(chǎn)中，配合料由投料口進(jìn)入 熔窯后，在上部火焰和下層玻璃液加熱下，溶化成液體，同時進(jìn)行硅 酸鹽反應(yīng)，即為溶化過程。這個過程中，玻璃液的流動應(yīng)較慢，可以 使玻璃原料在穩(wěn)定位置溶化。由于反應(yīng)產(chǎn)生了許多氣體（CO2、SO2、 so3等），因此為了保證玻璃的質(zhì)量，必須把這些氣泡除去，即為澄

5、清 過程。另外，在玻璃原料溶化過程中，還有一些未溶化的細(xì)小顆粒， 必須將其均化，保證玻璃液中化學(xué)組分的穩(wěn)定。玻璃液在流向出料口的過程中逐漸冷卻降溫，密度增大，以達(dá)到形成玻璃態(tài)物質(zhì)的粘稠度 的要求，通過出料口形成玻璃材料。常規(guī)冷卻法可以制備硅酸鹽玻璃、 硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃以及重金屬氧化物玻璃 但是，一些物質(zhì)（如： 金屬等強(qiáng)離子鍵的物質(zhì)）熔體的粘度很小，不能用常規(guī)冷卻法獲得玻 璃材料，必須通過急速冷卻來保持熔體的無序狀態(tài)。急速冷卻法的 核心就是利用金屬導(dǎo)熱快的原理，使玻璃液迅速均勻的平鋪在金屬表 面使其溫度迅速下降而形成玻璃態(tài)物質(zhì)。氣相冷卻技術(shù)，包括蒸發(fā)冷卻、濺射和反應(yīng)沉積等方法，是將一 種或

6、幾種組分在氣相中沉積到基體上來得到非晶態(tài)固體物質(zhì)，在氣相 條件下也可以發(fā)生化學(xué)反映。氣相沉積技術(shù)可以通過金屬鹵化物氣體 混合物的熱激發(fā)均相氧化反應(yīng)制取高純度的大塊玻璃材料。制取高純 SiO2玻璃時，是將金屬鹵化物（SiCl4）和SiH4以及金屬有機(jī)化合物作 為起始原料在1500C以上進(jìn)行均相氧化反應(yīng)，形成微細(xì)分散的玻璃 顆粒材料，將其沉積在加熱至足夠溫度的靶材上，便可得到無氣泡玻 璃，而且純度很高。固態(tài)方法是利用輻照、沖擊波、機(jī)械及擴(kuò)散等方法，直接從固態(tài) 晶體材料得到非晶體的玻璃材料，其核心是通過施加外部條件使晶體 材料的晶格結(jié)構(gòu)遭到破壞，當(dāng)這種破壞將大時，其晶格結(jié)構(gòu)就會消失， 進(jìn)而形成不定形

7、態(tài)，即為玻璃態(tài)。溶膠-凝膠法是通過液相的化學(xué)反應(yīng)形成其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后通過 凝膠化形成凝膠，之后除去凝膠中的水和有機(jī)物再進(jìn)行燒結(jié)制成玻璃 態(tài)物質(zhì)。如今玻璃材料廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，新型玻璃材料主要有：光功 能玻璃（光學(xué)纖維、閃爍玻璃等）.電磁功能玻璃（電致變色玻璃、 電磁屏蔽玻璃等X熱功能玻璃（零膨脹系數(shù)微晶玻璃、吸熱玻璃等X 機(jī)械功能玻璃（可切削加工微晶玻璃、生化功能玻璃（替換用生物 玻璃、自潔凈玻璃、有機(jī)玻璃等。下面主要詳述一下當(dāng)前比較熱門 的微晶玻璃。微晶玻璃又稱為陶瓷玻璃，是將特定組成的基礎(chǔ)玻璃，在加熱過 程中通過控制晶化而制得的一類含有大量微晶相及玻璃相的多晶固 體材料。微晶玻璃具有很多

8、的優(yōu)異性能，如熱膨脹系數(shù)可在很大范圍 內(nèi)調(diào)整；機(jī)械強(qiáng)度高；硬度大，耐磨性能好；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性 和熱穩(wěn)定性，能適應(yīng)惡劣的使用環(huán)境;軟化溫度高；電絕緣性能優(yōu)良； 密度小但質(zhì)地致密；可以通過組成的設(shè)計來獲取不同的電光磁效應(yīng)。 微晶玻璃按組成可以分為很多種如：鋁硅酸鹽微晶玻璃、磷硅酸鹽微 晶玻璃、鐵硅酸鹽微晶玻璃、氟硅酸鹽微晶玻璃等。微晶玻璃的生產(chǎn)過程主要的是要控制好晶核的形成和生長程度， 其主要制備方法有：整體析晶法、燒結(jié)法、溶膠凝膠法、浮法。整體 析晶法是制備微晶玻璃的主要方法，其工藝流程為：在原料中加入一 定量的晶核劑并混合均勻，于14001500C高溫下熔制，均化后將 玻璃熔體成形，經(jīng)退

9、火后在一定溫度下進(jìn)行核化和晶化，以獲得晶粒 細(xì)小且結(jié)構(gòu)均勻的微晶玻璃制品。熱處理是整體析晶法的技術(shù)關(guān)鍵， 即把退火的玻璃加熱至晶核形成溫度并保溫一段時間，再升溫至晶核 生長溫度使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂屑{米晶粒尺寸的微晶玻璃。整體析晶法技術(shù)成熟，便于機(jī)械化生產(chǎn)。燒結(jié)法是將一定組分的配合料投入到玻璃熔 窯中，在高溫下使配合料溶化、澄清、均化、冷卻，然后，將合格的 玻璃液導(dǎo)入冷水中，使其水淬成一定顆粒大小的玻璃顆粒。水淬后的 玻璃顆粒的粒度范圍，可根據(jù)微晶玻璃的成形方法的不同進(jìn)行不同的 處理。燒結(jié)法的優(yōu)點有（1）晶相和玻璃相的比例可以任意調(diào)節(jié)（2） 基礎(chǔ)玻璃的熔融溫度比整體析晶法低，熔融時間短，能耗較低；（3

10、） 微晶玻璃材料的晶粒尺寸很容易控制，從而可以很好的控制玻璃的結(jié) 構(gòu)與性能；（4）由于玻璃顆粒具有較高的表面積比，因此即使基礎(chǔ)玻 璃的析晶能力較差，利用玻璃的表面析晶現(xiàn)象，同樣可以制得晶相比 例很高的微晶玻璃材料。溶膠凝膠法是低溫合成材料的方法，其原理 是將金屬有機(jī)物或無機(jī)化合物為先驅(qū)體，經(jīng)過水解形成凝膠，再在較 低溫度下燒結(jié)形成微晶玻璃。其優(yōu)點是，在材料制備初期即可對其晶 核形成與生長進(jìn)行控制，這樣，材料的均勻性可以得到很好的保證， 能達(dá)到納米甚至是分子級。浮法是目前加工普通玻璃的常用方法，但 在應(yīng)用到加工微晶玻璃時，由于生產(chǎn)過程中對溫度的嚴(yán)格控制，還存 在一定的困難。微晶玻璃在生產(chǎn)過程中也

11、會出現(xiàn)很多的質(zhì)量缺陷，如“氣孔了魚 眼泡了黑斑、“形變”等，在生產(chǎn)過程中也經(jīng)過調(diào)整，盡量減少缺陷的產(chǎn) 生。利用燒結(jié)法制備微晶玻璃時，氣孔是主要缺陷，直接影響產(chǎn)品質(zhì) 量，其中又以開口氣孔的影響最大。氣孔產(chǎn)生的原因有很多，要減少 氣孔的產(chǎn)生關(guān)鍵在燒結(jié)過程中，溫度盡可能高，使物質(zhì)遷移更加充分， 這樣就可以有效排除氣孔。魚眼泡即為尺寸較大的氣孔，它們的產(chǎn)生與含鐵的物質(zhì)有關(guān)，在高溫條件下，氧化鐵等物質(zhì)會分解產(chǎn)生氧氣殘 留在玻璃固體中，形成氣泡。因此，在玻璃生產(chǎn)的過程中，必須盡可 能保證生產(chǎn)設(shè)備的光潔，避免生銹。由于微晶玻璃生產(chǎn)過程中，上下 表面的溫度不一致，在微晶玻璃內(nèi)部會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃在退 火

12、后易形成彎折。只要是消除玻璃內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，就可以保證玻璃不 產(chǎn)生形變，即在降溫的過程中盡可能慢一些，并且制定合適的溫度梯 度范圍，這樣就可以有效的消除內(nèi)應(yīng)力。色斑是由于不同顏色的玻璃 顆粒的參雜導(dǎo)致的，只要是注意原料的投放，就可以有效的消除。不 同于色斑的還有一種缺陷色差，色差是指同一顏色的玻璃在顏色 上的差異，形成原因比較復(fù)雜，著色劑價態(tài)的變化是產(chǎn)生色差的主要 因素，因此為了消除色差，必須保證熔窯內(nèi)氣氛的穩(wěn)定。微晶玻璃由于其性能上的優(yōu)勢目前已經(jīng)應(yīng)用于建筑、電子工業(yè)、 生物醫(yī)學(xué)等方面。在建筑上，微晶玻璃性能由于大理石、花崗巖等傳 統(tǒng)建筑材料，甚至還可以制成超薄板材，防火玻璃等不同特點微晶玻 璃

13、材料；在電子工業(yè)應(yīng)用最為廣泛，玻璃材料原本在電子，光學(xué)等領(lǐng) 域就廣受關(guān)注，現(xiàn)在微晶玻璃的出現(xiàn)也引起了注意，目前已經(jīng)被用于 制造絕緣板材，液晶顯示屏，電容甚至是集成電路基板；在生物醫(yī)學(xué) 方面主要是用于制備生物替代材料，因為微晶玻璃與人體組織的親和 性比傳統(tǒng)的生物替代材料要好，而且不會釋放出重金屬等有害粒子。 微晶玻璃還可以做成炊具、光學(xué)鏡片、可加工玻璃、天線屏蔽器等各 種各樣的制品。微晶玻璃的性能研究并未結(jié)束，其中還有許多我們并不了解的性能，微晶玻璃也正在被應(yīng)用與更加廣泛的領(lǐng)域，隨著參雜制備技術(shù)的 發(fā)展，微晶玻璃的性能也在不斷的被開發(fā)出來。參考文獻(xiàn)：1、 材料科學(xué)基礎(chǔ)天津大學(xué)出版社 靳正國、郭瑞松、師春 生、侯信編；2、新型玻璃材料武漢化工學(xué)院諶英武；3、 玻璃與新型玻璃材料百度文庫 HYPERLINK /view/037bc7dba58da0116c174950.html /view/037bc7dba58da0116c174950.html4、 微晶玻璃裝飾材料的制備原理中華商務(wù)網(wǎng) HYPERLINK /07/0702/070202/news/20020708/12375 /