第2讲 微晶玻璃

微晶玻璃与陶瓷区别： 微晶玻璃与陶瓷区别：
玻璃微晶化过程中产生的晶相是从单一均匀玻璃相或已产生 相分离的区域，通过成核和晶体生长而产生的致密材料；而 陶瓷中的晶相，除了通过固相反应出现的重结晶或新晶相以 外，大部分是在制备陶瓷是通过组分直接引入的。
微晶玻璃与玻璃的区别： 微晶玻璃与玻璃的区别：
微晶玻璃是微晶体（ 晶粒尺寸为0.1-0.5um）和残余玻璃相 组成的复合材料，而玻璃则是非晶态固体。微晶玻璃可以是 透明的或非透明的，而玻璃一般是透光率各异的透明体。
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2.1 玻璃的定义、通行与结构
玻璃的定义
玻璃是由熔融冷却到刚体状态而没有结晶的非晶态 固体。 固体。 无定形态物质是一种其中不存在原子排列大于10nm 无定形态物质是一种其中不存在原子排列大于10nm 的远程有序的物质。 的远程有序的物质。
玻璃的通性 各向同性 介稳性 无固定熔点 性质变化的连续性与可逆性
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1.4微晶玻璃在材料制备工艺上的意义 1.4微晶玻璃在材料制备工艺上的意义
微晶玻璃的制造过程，首先是玻璃的制备， 微晶玻璃的制造过程，首先是玻璃的制备，它在熔融或塑性状态成型以制 成要求的形状，然后将玻璃制品进行有控制的热处理， 成要求的形状，然后将玻璃制品进行有控制的热处理，促使各种相的成核 与晶化，最终成为多晶陶瓷制品。 与晶化，最终成为多晶陶瓷制品。这种制造陶瓷材料的方法代表一种根本 不同与陶瓷的制造工艺。 不同与陶瓷的制造工艺。 微晶玻璃由于从熔融的玻璃开始，极易获得化学组分的均匀性， 微晶玻璃由于从熔融的玻璃开始，极易获得化学组分的均匀性，原始组分 的均匀性，连同控制析晶方法， 的均匀性，连同控制析晶方法，能够获得具有极细晶粒的没有孔隙的均匀 固体 由于玻璃适合制备成各种形状， 由于玻璃适合制备成各种形状，所以微晶玻璃也适合各种自动化的加工方 法 微晶玻璃制品的尺寸比陶瓷制品容易控制； 微晶玻璃制品的尺寸比陶瓷制品容易控制； 微晶玻璃可实现陶瓷与金属的焊接； 微晶玻璃可实现陶瓷与金属的焊接； 某些微晶玻璃可以象金属一样切削加工； 某些微晶玻璃可以象金属一样切削加工；
根据上述条件，B2O3、SiO2、P2O5是很好的 玻璃形成体。不符合上述条件的氧 化物则属于网络改良体，如碱金属、碱土金属氧化物。一些氧化物可以部分参 与网络结构，称为网络中间体，如BeO、Al2O3、ZrO2
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微晶玻璃的结构、性能与制备方法与玻璃和陶瓷都有一定区别， 微晶玻璃的结构、性能与制备方法与玻璃和陶瓷都有一定区别， 但微晶玻璃既有玻璃的基本性能，又有陶瓷的多晶特征， 但微晶玻璃既有玻璃的基本性能，又有陶瓷的多晶特征，集中 了玻璃和陶瓷的优点，是一类独特的新型材料。 了玻璃和陶瓷的优点，是一类独特的新型材料。 微晶玻璃的性能主要决定于微晶相的种类，晶粒尺寸和数量、 微晶玻璃的性能主要决定于微晶相的种类，晶粒尺寸和数量、 微晶相的种类 残余玻璃相的性质和数量。 残余玻璃相的性质和数量。这些因素又取决于原始玻璃的组成 和热处理制度。 和热处理制度。 微晶玻璃的热处理工艺不仅决定微晶体的尺寸和数量， 微晶玻璃的热处理工艺不仅决定微晶体的尺寸和数量，而且在 某些系统中导致主晶相的变化，从而引起材料性能的显著变化。 某些系统中导致主晶相的变化，从而引起材料性能的显著变化。 微晶玻璃的原始组成不同，主晶相的种类不同； 微晶玻璃的原始组成不同，主晶相的种类不同；晶核剂的使用 是否适当，对微晶玻璃晶化也起着关键作用。 是否适当，对微晶玻璃晶化也起着关键作用。
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美学优点：
丰富的色泽和良好的质感 通过工艺控制可以生产出各种色彩、 通过工艺控制可以生产出各种色彩、色调和图案的微 晶玻璃蚀面材料； 晶玻璃蚀面材料； 色调均匀
天然花岗石难以避免明显的色差。而微晶玻璃易于实现颜色均匀，尤 其是高雅定的吸水性，导致其渗水、渗碱，甚至渗泥浆，从而影响 其原有色泽。而微晶玻璃则具有玻璃不吸水的天生特性，反而还借此“天 雨自涤”的机会自清洁 。
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玻璃的结构
玻璃结构是指玻璃中质点在空间的几何位置、有序程度 以及他们之间的结合状态。
玻璃结构理论： 晶子学说 (1930年Randell) 近程有序（微晶尺寸1.01.5nm)
晶子学说的价值在于它第一次 指出玻璃中存在微不均匀物，及 玻璃中存在一定的有序区域，这 对于玻璃分相、晶化等本质的理 解有重要价值。
GlassGlass-ceramic materials share many properties with both glass and more traditional crystalline ceramics. It is formed as a glass, and then made to crystallize partly by heat treatment. Unlike sintered ceramics, 2 glass-ceramics have no pores between crystals.
[SiO4]石英晶体结构以及石英玻璃、钠硅 酸盐玻璃晶子结构示意图
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无规则网络学说
1932年W.H.Zachariasen借助V.M. Goldschmidt的离子晶界化学原则，利用晶体 结构来阐述玻璃结构，即查氏把离子结晶化学原则和晶体结构知识推演到玻璃 结构，描述了离子-共价键的化合物，如熔融石英、硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃。 氧化物形成玻璃的四个条件： （1）一个氧离子不能和两个以上的阳离子结合——氧的配位数不大于2； （2）阳离子周围的阳离子熟不应多过3或4——阳离子的配位数为3或4； （3）网络中氧配位多面体之间只能共顶角，不能共棱、共面。 （4）如果网络是三维的，则网络中每一个氧配位多面体必须至少有三个氧离 子与相邻多面体相连，以形成三维空间发展的无规则网络结构。
纳米微晶玻璃发热体
微晶玻璃壁炉面板 (b) 可切削微晶玻璃的显微结构
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透明微晶玻璃 微晶玻璃炉具面板
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各类微晶玻璃
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微晶玻璃诞生过程中两个重要步骤
光敏玻璃的发现： 1、光敏玻璃的发现：晶核形成 2、晶化控制
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1.3 微晶玻璃科学上的重要性
微晶玻璃的研究和发展与过冷液体的成核和晶化密切相关， 微晶玻璃的研究和发展与过冷液体的成核和晶化密切相关， 在这方面有它的普遍意义； 在这方面有它的普遍意义； 和晶核形成与晶体生长研究密切相关的是玻璃分相的研究； 玻璃分相的研究 和晶核形成与晶体生长研究密切相关的是玻璃分相的研究； 微晶玻璃晶化控制的研究， 微晶玻璃晶化控制的研究，对介稳相及稳定相以及固溶体的 形成规律有重要意义 有重要意义， 形成规律有重要意义，对微晶玻璃显微结构的发展也具有巨 大意义； 大意义； 微晶玻璃力学性能的研究是关于脆性固体的机械强度及断裂 微晶玻璃力学性能的研究是关于脆性固体的机械强度及断裂 过程的研究。 过程的研究。 微晶玻璃系统的基础研究对于材料科学的其它方面也有很大 意义；比如拓宽了玻璃制造工艺 拓宽了玻璃制造工艺。 意义；比如拓宽了玻璃制造工艺。
微晶玻璃比高炭钢硬、比铝轻； 微晶玻璃比高炭钢硬、比铝轻； 机械强度比普通玻璃大6倍多； 机械强度比普通玻璃大6倍多； 耐磨性不亚于铸石； 耐磨性不亚于铸石； 热稳定性好（ 900℃骤然投入5℃冷水而不炸裂 骤然投入5℃冷水而不炸裂）； 热稳定性好（加热 900℃骤然投入5℃冷水而不炸裂）； 电绝缘性能与高频瓷接近； 电绝缘性能与高频瓷接近； 化学稳定性与硼硅酸玻璃相同，不怕酸碱侵蚀。 化学稳定性与硼硅酸玻璃相同，不怕酸碱侵蚀。
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反常现象一： 反常现象一： 失透(Opaque) 失透
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反常现象二： 反常现象二： 强度增加, 强度增加,可机械加工
可用标准金属加工工具和设备进行车、 可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨 、 锯切和攻丝等加工。 钻、锯切和攻丝等加工。
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(a) 用车床加工得到的可切削 云母微晶玻璃陀螺仪部件
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1.7 微晶玻璃的应用
一般机械工程的应用：轴承、 一般机械工程的应用：轴承、泵、阀门、管道；热交换器； 阀门、管道；热交换器； 窑炉建筑，建筑，高温密封剂，深水容器。 窑炉建筑，建筑，高温密封剂，深水容器。 电力工程及电子技术中的应用：微晶玻璃与金属焊接、 电力工程及电子技术中的应用：微晶玻璃与金属焊接、高 温绝缘、预置电路、微电子技术基片、电容器； 温绝缘、预置电路、微电子技术基片、电容器； 照明及光学应用：灯泡、激光器件、 照明及光学应用：灯泡、激光器件、望远镜镜坯 航天工程：雷达天线罩、透红外性、飞机机翼热保护层 航天工程：雷达天线罩、透红外性、 核工程：原子反应堆控制棒材料、反应堆用密封剂、 核工程：原子反应堆控制棒材料、反应堆用密封剂、放射 性废物处理； 性废物处理； 医学及相关领域：人造牙齿，牙科修补材料， 医学及相关领域：人造牙齿，牙科修补材料，磷酸盐微晶 玻璃人工骨
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1.5 微晶玻璃的种类
按晶化原理分：光敏微晶玻璃，热敏微晶玻璃； 按晶化原理分：光敏微晶玻璃，热敏微晶玻璃；
按基础玻璃的组分: 硅酸盐系统，铝硅酸盐系统、 按基础玻璃的组分: 硅酸盐系统，铝硅酸盐系统、 硼硅酸盐系统、 硼硅酸盐系统、硼酸盐和磷酸盐系统
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1.6 微晶玻璃的性能： 微晶玻璃的性能：
第2讲微晶玻璃结构及制备 讲微晶玻璃结构及制备 Glass-ceramic
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1、绪论
微晶玻璃的定义： 1.1 微晶玻璃的定义：
微晶玻璃（glass-ceramics）又称玻璃陶瓷， 微晶玻璃（glass-ceramics）又称玻璃陶瓷，是将特定组 成的基础玻璃， 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。 含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料。
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这块玻璃究竟发生了什么变化？
在显微镜下观察到： 在显微镜下观察到：这块玻璃中析出了大量的微 小晶体，这就是后来大名鼎鼎的微晶玻璃。 小晶体，这就是后来大名鼎鼎的微晶玻璃。